基于UG軟件直紋面整體葉輪的數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工方法研究*

徐 波 干為民

（常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室，江蘇常州 213002）

直紋面整體葉輪顧名思義指葉片的葉盆和葉背是用直紋面擬合而成，直紋面分為可展直紋面和非可展曲面（也稱扭曲直紋面）。葉片型面沿葉身方向有較大的彎曲，且整個葉身又沿葉輪徑向向葉盆方向傾斜，很難用數(shù)學(xué)方程描述，這使得葉片造型和加工更加復(fù)雜。數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工是一種新的加工工藝，結(jié)合數(shù)控加工和電解機(jī)械復(fù)合加工的優(yōu)勢，既不受金屬材料硬度和材質(zhì)影響，又可利用復(fù)合陰極加工復(fù)雜的數(shù)控軌跡，所以此種方法對難加工材料的直紋面整體葉輪的加工顯得很有研究意義。

本文所加工葉輪為扭曲直紋面葉輪，如圖1所示。此葉輪外徑為95 mm，輪轂直徑為50 mm，整體厚度為35.3 mm，共15個葉片，通道最小間隙為8.26 mm，中心孔直徑為14 mm。

1 數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工方法

數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合銑削加工集數(shù)控、電化學(xué)陽極溶解機(jī)理和機(jī)械磨削技術(shù)優(yōu)勢為一體，在數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工機(jī)床、特制刀柄、復(fù)合陰極、脈沖電源、電解液系統(tǒng)等硬件基礎(chǔ)上，由數(shù)控機(jī)床控制刀具執(zhí)行軌跡，由高頻窄脈沖電源和高壓泵提高電化學(xué)陽極溶解速度，由機(jī)械磨削保證加工精度。加工時復(fù)合陰極接脈沖電源的負(fù)極，由特制刀柄夾持在機(jī)床主軸上;被裝夾在新工作臺面上的工件接電源正極，電解液被高壓泵送進(jìn)特制刀柄，由復(fù)合陰極的噴口噴到加工間隙內(nèi)，當(dāng)陰極隨主軸轉(zhuǎn)動并沿數(shù)控軌跡向前移動時，復(fù)合陰極裸露表面與工件在電源和電解液的幫助下形成電場。在電場作用下，加工間隙內(nèi)電解液流經(jīng)的工件表面被逐漸電解并生成鈍化膜，鈍化膜將工件表面保護(hù)起來防止工件繼續(xù)被溶解，陰極進(jìn)給方向上所生成的鈍化膜被復(fù)合陰極表面鍍有的金剛砂磨除，以便露出新的金屬被繼續(xù)電化學(xué)溶解，陰極走過之后金剛砂所不能磨削到的地方逐漸生成鈍化膜將工件保護(hù)起來，防止雜散腐蝕保證加工精度，其加工原理如圖2。如此可見，數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工如普通刀具銑削開槽一樣，只要復(fù)合陰極滿足加工工藝要求，就能加工出任意型腔、輪廓、曲面的工件。圖3為數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工一次走刀加工出的直線和圓弧槽，其深度為55 mm。

2 直紋面整體葉輪的UG4．0加工

UG是一款集CAD/CAE/CAM于一體的集成化計算機(jī)設(shè)計系統(tǒng)，其自動編程功能異常強(qiáng)大，可以生成各種曲面、型腔的多軸加工G代碼，能夠用多種方法非常逼真地模擬加工過程，以便用戶自行檢測，所以在模具等行業(yè)應(yīng)用很廣。

由于葉片的型面為直紋面，在加工時可采用直紋面為驅(qū)動曲面，UG4．0中有一Swarf工具以曲面驅(qū)動刀軌，可用于直紋面加工。設(shè)定加工軌跡時，需先建一虛擬加工對象，以葉輪某一葉片的型面為驅(qū)動，產(chǎn)生相應(yīng)的刀具路徑，其他葉片的加工只需更改機(jī)床工件坐標(biāo)系C軸坐標(biāo)，程序無需變更。葉片的加工包括了銑削、切割等加工方法，需根據(jù)加工過程刀具路徑選擇合適的刀具和工藝參數(shù)，來滿足加工要求。具體設(shè)定和加工過程下面詳細(xì)介紹。

2．1 工藝參數(shù)的預(yù)選

由以往實驗所得，葉輪通道最小為8.26 mm時，可選用直徑為6 mm的金剛砂鍍層類復(fù)合陰極，為了達(dá)到較高的進(jìn)給速度，電壓取24 V，電解液選C號，30℃，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，由于切入工件時外噴不起作用，可取內(nèi)噴壓力為1.1 MPa。加工對象為304不銹鋼的直紋面葉輪，選用具有X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動的數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工機(jī)床。經(jīng)試驗測定，在以上加工條件下，用直徑為6 mm的復(fù)合陰極，加工最大速度為0.8 mm/min，加工所得槽的寬度為7.95 mm，比最小通道寬度小，符合加工要求。

2．2 加工準(zhǔn)備

在UG4．0中打開葉輪模型，隱藏其中的14個葉片，再新建一個直徑為95 mm，厚度為35.5 mm的圓柱體，放置在X－Y平面的原點中心，中心軸矢量為Z軸，如圖4所示。圖中透明度較高的為毛坯模型。

在實際裝夾時，需在毛坯的中心加工直徑為14 mm的孔，在五軸數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)臺中心有一中心定位孔，用階梯軸可將毛坯定位在上面，其實際安裝如圖5所示。在五軸數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工機(jī)床上，找到B軸旋轉(zhuǎn)中心的Z軸坐標(biāo)、C軸水平位置時工作臺面中心孔的X、Y、B軸坐標(biāo)，C軸選0°，將以上各坐標(biāo)值設(shè)為加工坐標(biāo)系G54。

2．3 UG加工設(shè)定

在UG軟件中設(shè)定加工方法為多軸銑削，設(shè)定加工坐標(biāo)系MCS與G54坐標(biāo)一致，定義毛坯為新建的毛坯模型，在定義工件時應(yīng)選擇葉輪的輪轂面，而非葉輪;定義一直徑為8 mm的球頭刀。在此說明一下:在實際加工中是用6 mm的刀具，而程序生成中設(shè)定直徑8 mm的刀具，只要實際加工中6 mm的復(fù)合陰極加工出的槽寬約為8 mm，所以用放大刀具直徑的方法來彌補(bǔ)加工間隙，預(yù)計誤差為0.05 mm。

2．4 創(chuàng)建加工操作

在UG軟件中點擊創(chuàng)建操作按鈕，出現(xiàn)創(chuàng)建操作對話框，其中加工類型為多軸銑加工，刀具為上面所定義的直徑為8 mm的球頭刀，點擊OK進(jìn)入多軸銑定義對話框，選擇驅(qū)動為面驅(qū)動（Surface Area），再在跳出的對話框中點SELECT，選擇葉輪曲面為驅(qū)動面。此處需要注意的是，在選擇驅(qū)動面時，選擇的第一片曲面決定了下刀點的位置，所以盡量選擇葉輪安裝后處于上面的曲面，便于下刀，且不會發(fā)生撞刀現(xiàn)象。在圖6中選擇刀軸定位類型為Swarf Drive，再選擇Z軸正向即可。最后在切削進(jìn)給速度中定義加工時進(jìn)給速度為1 mm/min（機(jī)床最小進(jìn)給為1 mm/min，實際加工時可通過調(diào)倍率獲得更低的進(jìn)給速度）。

2．5 加工仿真

以上所有參數(shù)定義完畢，點擊刀軌生產(chǎn)按鈕，結(jié)果如圖7所示，點擊仿真按鈕，選擇2D仿真，點擊開始，就可看到刀具加工實際仿真如圖8所示。

2．6 后置處理

點擊UG面板的后處理按鈕，在彈出的后置處理對話框中選擇已經(jīng)做好的五軸機(jī)床后處理文件SKY－5axis70100－TT，如圖9，再點擊OK即可生成 G代碼加工程序，如圖10。

3 葉輪的加工實驗

將以上加工程序拷入機(jī)床，電壓取24 V，電解液選C號，30℃，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，電解液內(nèi)噴壓力為1.1 MPa，脈沖頻率為32 kHz。

復(fù)合陰極由圖7所示位置切入，走完一圈后再抬刀結(jié)束。剛開始切入時由于流場不好，進(jìn)給速度不能太高，調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率，將實際進(jìn)給速度調(diào)為0.5 mm/min，如果速度過快則會出現(xiàn)火花，電源會自動保護(hù)斷電，此時需從新開始。當(dāng)整個陰極切入2/3時，流場基本趨于穩(wěn)定，最高可將速度調(diào)為0.8 mm/min，在一個通道內(nèi)加工基本很穩(wěn)定，出現(xiàn)火花次數(shù)很少，當(dāng)陰極切出第一通道時，由于穩(wěn)定的流場破壞，加工速度需降低為0.5 mm/min，在陰極整體切出時，只有復(fù)合陰極的球頭部分加工葉輪根部圓角，由于去除量少，流場容易保證，可將加工速度調(diào)為2 mm/min，當(dāng)陰極切入第二通道時，進(jìn)給速度需再次降低為0.5 mm/min，切入流場穩(wěn)定后可將速度調(diào)為0.8 mm/min，在陰極再次切出時方法如上。

由于是五軸聯(lián)動加工，加工深度隨著B、C兩軸的擺動而不斷地變化，加工中當(dāng)切深較大時電流隨之變大，超過電流最大額定值時電解加工相對較慢，需降低速度，否則容易發(fā)生短路，陰極燒壞。此葉片的連續(xù)加工過程約為3.5 h。葉片加工結(jié)果如圖11所示。

4 結(jié)語

分析了直紋面整體葉輪特點的基礎(chǔ)上，采用電解機(jī)械復(fù)合加工的方法，結(jié)合以往經(jīng)驗所得參數(shù)，借助UG加工軟件中Swarf工具能加工直紋面葉片的功能生產(chǎn)數(shù)控程序，并實際加工了一整體葉輪的葉片，在選用溫度30℃、壓力1.1 MPa的C號電解液，電壓24 V、頻率32 kHz的脈沖電流時，一次切深為55 mm，最快加工速度為0.8 mm/min，充分說明了此方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)的可行性。

［1］徐家文，云乃彰，嚴(yán)德榮．?dāng)?shù)控電解加工整體葉盤的研究、應(yīng)用和發(fā)展［J］．航空制造技術(shù)，2003（6）:31－34．

［2］蔡永林，席光，查建中．任意扭曲直紋面葉輪數(shù)控側(cè)銑刀位計算與誤差分析［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2004（5）:517－520．

［3］徐家文，唐亞新．?dāng)?shù)控展成電解加工成形規(guī)律研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報，1994，30（6）:28－34．

［4］徐家文，朱永偉，胡亞旺，等．?dāng)?shù)控電解加工整體葉輪的關(guān)鍵技術(shù)［J］．宇航材料工藝，2003（2）:48－52．

［5］康敏，趙建社，徐家文．?dāng)?shù)控展成電解加工技術(shù)的進(jìn)展［J］．電加工與模具，2004（3）:17－19．