整體葉輪五軸數(shù)控加工技術(shù)的研究

丁剛強(qiáng)

（柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司制造工程部，廣西柳州545007）

整體葉輪是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中的一種關(guān)鍵零件，其作用是由外界供給的機(jī)械功連續(xù)不斷地將氣體壓縮并傳輸出去。氣體經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入工作輪，在工作輪中因受到葉片的作用力而壓力升高，速度增加。因此對(duì)葉輪的要求:一是氣體流過(guò)葉輪的損失要小，即氣體流經(jīng)葉輪的效率要高;二是葉輪型式能使整機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)及高效區(qū)范圍較寬。好的外形構(gòu)造是發(fā)揮葉輪性能的保證。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉片的數(shù)量和外形輪廓需要經(jīng)過(guò)多次的修改，配合發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)后的性能優(yōu)化得以確定。

整體葉輪的加工一直是機(jī)加工中長(zhǎng)期困擾我們的難題。在葉片之間有大量的材料需要去除。為了使葉輪滿(mǎn)足氣動(dòng)性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，這都給葉輪的加工提出了較高的要求。普通的葉輪加工往往采用鑄造成形，然后再機(jī)械加工成形;或者葉片單獨(dú)加工，然后將葉片與輪轂焊接，再通過(guò)打磨、拋光使之外觀平滑。這些方法的技術(shù)含量低，做出來(lái)的葉輪曲面精度難以保證，表面的質(zhì)量也差，嚴(yán)重影響了葉輪的使用性能。近幾年隨著多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使得加工整體葉輪類(lèi)零件成為可能。由于整體葉輪的結(jié)構(gòu)造型的復(fù)雜性，其數(shù)控加工技術(shù)一直是制造業(yè)的難點(diǎn)，也是研究的熱點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，本文從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:用Pro/E對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)化建模;整體葉輪加工工藝的分析與設(shè)計(jì)，制定五軸數(shù)控機(jī)床加工葉輪的工藝流程;使用UG軟件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編程，生成了刀路軌跡;通過(guò)后置處理生成G代碼;通過(guò)實(shí)際機(jī)床加工進(jìn)行驗(yàn)證。

1 葉輪的參數(shù)化建模

葉輪是典型航空航天復(fù)雜零件，具有重大的應(yīng)用意義。由于葉片的曲線和曲面形狀比較復(fù)雜，本文利用Pro/Engineer軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，并完成其三維設(shè)計(jì)。在做整體葉輪的三維造型時(shí)，我們需要通過(guò)測(cè)量得到葉片型面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，首先將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成葉片上下緣曲線和輪轂曲線;運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)”、“掃描”等建模工具構(gòu)建出葉片和輪轂曲面;通過(guò)“實(shí)體化”將曲面轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體;最后通過(guò)“復(fù)制”、“陣列”等命令完成整體造型并作適當(dāng)?shù)牡箞A角修飾。整體葉輪模型如圖1所示。

2 整體葉輪的加工工藝及CAM自動(dòng)編程

（1）整體葉輪的加工特點(diǎn)分析

本文中加工的葉輪直徑為208 mm，回轉(zhuǎn)空間較大，在加工的時(shí)候要保證加工表面的一致性，以確保加工精度和表面質(zhì)量，在加工的時(shí)候要控制好切削深度以及保證加工效率;

葉片的加工是整個(gè)零件的加工難點(diǎn)，由于葉片之間的間隔距離小，而葉片的扭曲程度決定了加工時(shí)刀具軸的擺動(dòng)范圍，刀具軸必須在兩葉片之間的范圍內(nèi)擺動(dòng)，刀具才不會(huì)與葉片發(fā)生干涉;

加工槽道變窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛度較低，屬于薄壁類(lèi)零件，加工過(guò)程極易變形，在加工過(guò)程中要防止加工殘余應(yīng)力所帶來(lái)的變形;

相鄰葉片空間極小，在清角加工時(shí)刀具直徑較小，刀具容易折斷，要注意刀具的選擇。

（2）整體葉輪的加工工藝分析

本文研究對(duì)象所采用的整體葉輪，直徑為φ208 mm，高為76 mm，共有9組葉片，材料為7075硬鋁合金。葉槽通道最小尺寸為18.5 mm，葉片與輪轂之間的倒圓角為R5 mm。

根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，確定基本的加工工藝流程為:在鍛鋁材料上車(chē)削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀、粗加工流道部分、粗加工葉片、精加工葉片、精加工流道部分。初始坯料采用φ215 mm×80 mm的棒材，車(chē)削加工出回轉(zhuǎn)體基本形狀作為銑削毛坯，如圖2所示。加工時(shí)毛坯由定位軸定位，定位軸安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，上面用螺母壓緊即可。在實(shí)際加工中，由于毛坯底部預(yù)留有工藝凸臺(tái)，本文采用自定心三爪卡盤(pán)對(duì)工件進(jìn)行裝夾。

加工整體葉輪等曲面復(fù)雜類(lèi)零件時(shí)，通常采用球頭銑刀。在粗加工中盡可能快地切除葉輪各個(gè)表面多余的材料以提高加工效率。由于切削量和切削抗力都很大，要注意考慮刀具的強(qiáng)度、容屑、排屑問(wèn)題;在精加工中要兼顧加工質(zhì)量和加工效率這兩方面。通過(guò)上面對(duì)整體葉輪的加工工藝分析，在粗加工時(shí)可以采用φ10 mm的球頭刀（刀具類(lèi)型選用整體合金刀），這樣既可以保證較大的切削量又可以獲得足夠的排屑空間，精加工時(shí)選用φ10 mm的球頭刀（刀具類(lèi)型選用整體合金刀）。測(cè)量知道葉片的最大長(zhǎng)度為35 mm，為了保證合適的刀具剛性又不使加工時(shí)與葉片發(fā)生干涉，選取刀具的刃長(zhǎng)為50 mm。具體加工參數(shù)如表1所示。

（3）整體葉輪加工的刀路軌跡

整體葉輪通常采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，五軸聯(lián)動(dòng)使得像整體葉輪這類(lèi)復(fù)雜零件的加工得以簡(jiǎn)化。由于整體葉輪空間型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程計(jì)算繁瑣，手工無(wú)法順利編制出程序，本文借助于具有強(qiáng)大CAM功能的UG軟件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。

表1 加工工藝流程

將Pro/Engineer生成的葉輪模型通過(guò)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到UG中，在UG的加工環(huán)境下生成各個(gè)加工操作的刀路軌跡。

①粗加工流道:流道粗加工采用φ10 mm的球頭刀，留0.3 mm的加工余量。在UG中計(jì)算生成的刀路軌跡如圖3所示。

②粗加工葉片:葉片粗加工采用φ10 mm的球頭刀，留0.2 mm的加工余量。在UG中計(jì)算生成的刀路軌跡如圖4所示。

③精加工葉片:葉片精加工采用φ8 mm的球頭刀。在UG中計(jì)算生成的刀路軌跡如圖5所示。

④精加工流道:流道精加工采用φ8 mm的球頭刀。在UG中計(jì)算生成的刀路軌跡如圖6所示。

3 五軸數(shù)控加工中心的后置處理

通過(guò)UG自動(dòng)編程生成的刀位軌跡不能直接用于數(shù)控機(jī)床加工，在這里我們需要用到機(jī)床的后置處理，就是根據(jù)具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)將生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的數(shù)控加工程序。本文所用的五軸加工機(jī)床為MCV850－5五軸加工中心，系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530。該機(jī)床是雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，工件裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)五軸加工，主軸頭固定不動(dòng)，工作臺(tái)繞C軸旋轉(zhuǎn)且繞A軸傾斜，主要參數(shù)有:X、Y、Z軸行程分別為:800 mm、500 mm、500 mm;A軸回轉(zhuǎn)角度:－30°～120°;C軸回轉(zhuǎn)角度:0°～360°。

刀位軌跡文件中保存的是相對(duì)于編程坐標(biāo)系的刀心坐標(biāo)和刀軸矢量，在后置處理時(shí)，需要把這些刀心坐標(biāo)和刀軸矢量轉(zhuǎn)換為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。在此用UG自帶的后處理編輯器（NX/Post Builder）創(chuàng)建后處理文件。在創(chuàng)建后處理文件時(shí)需要設(shè)置機(jī)床參數(shù)（Machine Tool）、程序和刀具路徑（Program＆Tool Path）、NC數(shù)據(jù)格式（N/C Data Definitions）以及輸出設(shè)置（Output Settings）等。最后，利用創(chuàng)建的后處理文件生成數(shù)控加工程序。

4 加工與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上的建模設(shè)計(jì)及工藝規(guī)劃的可行性，我們?cè)谖遢S加工中心上進(jìn)行數(shù)控切削加工試驗(yàn)，整個(gè)加工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生過(guò)切、欠切和干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了整個(gè)加工程序的正確性;同時(shí)，我們優(yōu)化了相關(guān)機(jī)床關(guān)鍵的切削參數(shù)，對(duì)精加工后零件的表面粗糙度、尺寸精度進(jìn)行了測(cè)量，葉片的表面粗糙度達(dá)到Ra0.8 μm，尺寸精度誤差達(dá)到0.002 mm，符合圖紙的設(shè)計(jì)精度要求，加工過(guò)程見(jiàn)圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)典型航空航天典型復(fù)雜零件葉輪的數(shù)控加工的研究，本文得到以下結(jié)論和成果:

（1）運(yùn)用Pro/Engineer完成了對(duì)整體葉輪進(jìn)行了參數(shù)化建模。

（2）對(duì)整體葉輪的加工工藝做了分析，并制定了相應(yīng)的工藝規(guī)劃;結(jié)合UG軟件自動(dòng)編程生成了相應(yīng)的刀路軌跡。

（3）利用UG自帶的后處理編輯器（NX/Post Builder）創(chuàng)建了后處理文件，并生成了相應(yīng)的數(shù)控加工程序。

（4）通過(guò)實(shí)際的數(shù)控加工驗(yàn)證該建模的正確性、加工工藝的可行性。

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作者:丁剛強(qiáng)，男，1972年生，高級(jí)工程師，從事工業(yè)電氣自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)選型、制造工藝與設(shè)備水平提升策劃及實(shí)施工作，已發(fā)表專(zhuān)業(yè)論文7篇。