基于CAM技術(shù)的整體渦輪轉(zhuǎn)子加工方法研究

戴美魁 霍珍珍 倪笑宇 馬立勇 任秀珊 高文秀

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075024；2.張家口機(jī)械工業(yè)學(xué)校，河北 張家口075024；3.北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京102200）

1 目前渦輪轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工方法

分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子是機(jī)械式分子泵的核心部件，屬于葉輪類轉(zhuǎn)子零件如圖1.葉輪類零件是一類特征明顯、結(jié)構(gòu)比較規(guī)范且典型的旋轉(zhuǎn)類復(fù)雜零件.

圖1 整體渦輪轉(zhuǎn)子三維模型

圖2 渦輪轉(zhuǎn)子加工位置

目前對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子的加工是使用四軸機(jī)床以四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的.機(jī)床有x，y，z三個(gè)平動(dòng)軸以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)A軸.人工找正后以螺栓鎖緊.機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)位于分度盤圓心，z軸垂直于工作臺(tái)且刀軸平行于z軸方向，轉(zhuǎn)子裝夾后其軸線與y軸重合，分度盤由旋轉(zhuǎn)軸A軸控制轉(zhuǎn)動(dòng)，可繞y軸旋轉(zhuǎn)，如圖2.選用錐形銑刀如圖3，銑削兩葉片間部分.刀具在x，y軸線方向，以兩軸聯(lián)動(dòng)方式呈平行四邊形運(yùn)動(dòng)軌跡沿兩葉片內(nèi)側(cè)輪廓加工，如圖4.應(yīng)用這種這種加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)子可有效解決轉(zhuǎn)子葉片層數(shù)多、間隙小等問(wèn)題，且選用錐形刀進(jìn)行加工使得刀桿彎曲變形較小有利于保證加工精度.但由于錐形刀加工時(shí)刀軸與葉片表面必須存在一定角度，所以加工方式一定為點(diǎn)切削，葉片表面光順度不高且加工效率難以進(jìn)一步提高.

2 整體渦輪轉(zhuǎn)子的新型加工方法

由于應(yīng)用目前加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)存在加工效率有待提高、葉片表面光順度低等問(wèn)題.為此，在保證轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求的前提下，設(shè)計(jì)并使用一種專用的自定位夾具裝夾轉(zhuǎn)子毛坯，以減小轉(zhuǎn)子裝夾誤差提高同軸度.設(shè)計(jì)編制新型加工軌跡并應(yīng)用T型銑刀以面切削方式加工轉(zhuǎn)子葉片.在針對(duì)轉(zhuǎn)子零件的數(shù)控加工編程方面，選用通用軟件UG進(jìn)行零件的建模和CAM仿真.

圖3 錐形銑刀圖

圖4 加工路徑

2.1 自定位夾具

渦輪轉(zhuǎn)子有多層葉片，且葉片之間的間隙很小，葉片使用小直徑錐銑刀高速銑削成形，不再有其它后續(xù)切削加工工序.生產(chǎn)準(zhǔn)備階段裝夾轉(zhuǎn)子毛坯的重要問(wèn)題，同時(shí)也是難點(diǎn)問(wèn)題就是要保證轉(zhuǎn)子毛坯在夾具中的裝夾同軸度.

現(xiàn)有條件下，使用專用的自定位夾具可有效增加同軸率.如圖5所示，該夾具由夾具底座、螺柱、墊片及夾緊螺母組成.夾具底座通過(guò)4個(gè)螺栓固定在分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，如圖6可見.工件在夾具底座上實(shí)現(xiàn)定位，由螺柱、墊片及夾緊螺母夾緊，這種螺旋夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，增力比大，自鎖性能好.葉片加工的本身尺寸精度如厚度和角度要求主要由加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制精度及走刀路徑?jīng)Q定.

圖5 整體渦輪轉(zhuǎn)子裝夾工位圖

圖6 整體渦輪轉(zhuǎn)子裝夾半剖圖

2.2 新型刀具路徑設(shè)計(jì)

分子整體泵渦輪轉(zhuǎn)子的加工過(guò)程是先由精密車床對(duì)最初的棒材毛坯進(jìn)行車削加工，形成便于應(yīng)用加工中心銑削加工轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子毛坯，如圖7.在應(yīng)用數(shù)控加工中心銑削轉(zhuǎn)子葉片，最終完成加工.為更好的適應(yīng)自尋位數(shù)控加工方法，提高生產(chǎn)效率及渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面光順度，設(shè)計(jì)了一種先用立銑刀快速切除毛坯余量進(jìn)行粗加工，再應(yīng)用T型銑刀沿轉(zhuǎn)子葉片輪廓精加工的新型加工路徑.

由于粗加工的目的在于快速切除毛坯余量，使轉(zhuǎn)子基本成型，所以對(duì)于毛坯的粗加工可不應(yīng)用自尋位數(shù)控加工方法，直接對(duì)其進(jìn)行加工，加工路徑如圖8.對(duì)于轉(zhuǎn)子粗加工的參數(shù)可初步設(shè)定，采用逆銑的切削方向，切削深度為50mm，葉片厚度留有余量1mm，葉片長(zhǎng)度留有余量10mm，每刀切削深度3mm，切削速度600mm／min，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速20 000 rad／min.

圖7 經(jīng)車削加工所得轉(zhuǎn)子毛坯

圖8 粗加工刀具軌跡

圖9 T型銑刀精加工轉(zhuǎn)子葉片軌跡

對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子的精加工，設(shè)計(jì)提出了一種應(yīng)用T型銑刀沿轉(zhuǎn)子葉片輪廓側(cè)銑加工的新型加工路徑，此方法可增大刀具切削面積、提高加工效率、提高葉片表面光順度，同時(shí)由于其加工程序簡(jiǎn)單、規(guī)律性強(qiáng)且不存在多軸聯(lián)動(dòng)情況，比較適合應(yīng)用自尋位數(shù)控加工方法，以進(jìn)一步提高加工效率.

為適應(yīng)轉(zhuǎn)子尺寸及加工要求，以加工第一層轉(zhuǎn)子葉片為例，可選用直徑為5mm、長(zhǎng)度為65mm、刃口長(zhǎng)度為5mm、刀刃數(shù)為2、刀具夾持器直徑為4mm的T型銑刀.加工路徑如圖9.

應(yīng)用T型銑刀加工渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)，與粗加工編程方式一致，按照轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)尺寸要求，應(yīng)用三軸平面輪廓銑模式先加工一片葉片，再控制機(jī)床A軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子毛坯旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，然后重復(fù)前一次加工轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)控程序，如此循環(huán)完成對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的精加工.

2.3 新型刀具加工數(shù)控編程

由于渦輪轉(zhuǎn)子有六層葉片，每一層葉片加工時(shí)的加工方法及數(shù)控編程過(guò)程一致，為方便闡述數(shù)控編程過(guò)程，簡(jiǎn)化討論內(nèi)容，以轉(zhuǎn)子第一層葉片數(shù)控加工程序的編制過(guò)程為例對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹.本文應(yīng)用UG NX5.0軟件對(duì)分子泵渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)控編程.編程時(shí)選用等高曲面輪廓銑加工類型.

根據(jù)上文所述加工設(shè)計(jì)方案，確定轉(zhuǎn)子加工程序如表1所示.

表1 轉(zhuǎn)子加工程序列表

加工使用的刀具如表2所示.

表2 轉(zhuǎn)子加工刀具列表

轉(zhuǎn)子各加工工序相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表3 轉(zhuǎn)子加工參數(shù)列表

以上文所述加工設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)用UG對(duì)其數(shù)控編程.系統(tǒng)根據(jù)以前設(shè)置所有參數(shù)生產(chǎn)相應(yīng)刀具軌跡.UG5.0提供驗(yàn)證刀具軌跡功能，可驗(yàn)證針對(duì)零件幾何體的刀軌是否產(chǎn)生過(guò)切、有無(wú)剩余材料等.

軟件提供后處理功能，在不考慮具體應(yīng)用何種機(jī)床的前提下生成刀位源文件，提高了數(shù)控編程的靈活性.刀具位置的源文件經(jīng)后處理過(guò)程可應(yīng)用到各種指定數(shù)控機(jī)床及加工中心.在后處理設(shè)置界面中可選擇相應(yīng)的機(jī)床類型，導(dǎo)出文件保存的位置以及數(shù)控程序中應(yīng)用的單位.

2.4 可行性驗(yàn)證

但由于分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，葉片較長(zhǎng)間距較小，導(dǎo)致加工所應(yīng)用的刀具直徑小刀桿長(zhǎng).這樣的刀具在加工時(shí)可較為精細(xì)的對(duì)轉(zhuǎn)子毛坯進(jìn)行銑削加工，但刀桿容易產(chǎn)生變形導(dǎo)致震刀，影響加工效率甚至損壞刀具及轉(zhuǎn)子葉片.針對(duì)這一問(wèn)題做以下驗(yàn)證.

2.4.1 切削力計(jì)算

在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算切削力.切削力經(jīng)驗(yàn)公式是基于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)數(shù)學(xué)算法處理，得到的經(jīng)驗(yàn)性的切削力計(jì)算公式.

實(shí)際生產(chǎn)中計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用廣發(fā)的是指數(shù)計(jì)算公式.由于加工轉(zhuǎn)子時(shí)采用側(cè)銑的加工方法，且應(yīng)用T型銑刀兩軸聯(lián)動(dòng)在一個(gè)平面按加工軌跡運(yùn)動(dòng)，可知在加工時(shí)只有主切削力導(dǎo)致的刀桿變形垂直于葉片表面，影響加工精度.計(jì)算主切削力：

KFz為修正系數(shù)，CFzxFzyFznFz為經(jīng)驗(yàn)公式相應(yīng)系數(shù)，其余為加工參數(shù).

查得經(jīng)驗(yàn)相關(guān)修正系數(shù)并將將已知條件帶入切削力經(jīng)驗(yàn)公式，可求出主切削力為：

2.4.2 刀具變形計(jì)算

T型銑刀高速旋轉(zhuǎn)以側(cè)刃加工轉(zhuǎn)子葉片是一個(gè)非常復(fù)雜的加工過(guò)程，為方便分析重點(diǎn)問(wèn)題得到想要的最終結(jié)果，可將其加工過(guò)程簡(jiǎn)化.如圖11所示，刀刃在B點(diǎn)與毛坯材料接觸產(chǎn)生切削力，旋轉(zhuǎn)到A點(diǎn)時(shí)切削力在垂直葉片表面方向分力達(dá)到最大.刀桿在垂直葉片表面方向的變形是影響加工精度的主要因素，所以應(yīng)計(jì)算刀刃在A點(diǎn)處的切削力垂直葉片方向分力使刀桿的彎曲度.

圖10 刀具切削受力簡(jiǎn)圖

圖11 刀具受力簡(jiǎn)圖

由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，切削深度為0.5mm，刀具直徑為5mm，切削力為2.36N.據(jù)此計(jì)算可知A點(diǎn)處切削力垂直葉面方向分力為：

根據(jù)刀具加工情況及材料力學(xué)知識(shí)，可將刀具及切削力簡(jiǎn)化成懸臂梁受力模型，如圖12.由上文可知FAZ＝1.4N，L＝60mm，刀具直徑d＝5mm，刀桿材料的彈性模量E＝270GPa，由材料力學(xué)彎曲變形積分公式可得刀具變形撓度f(wàn)為：

其中：

計(jì)算得到：

刀具加工時(shí)撓度變形為0.0113mm，小于設(shè)計(jì)誤差要求的0.020mm，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)刀具在0.13N切削力的作用下產(chǎn)生0.0113的撓曲變形不會(huì)產(chǎn)生震刀現(xiàn)象，綜上所述，上文新型加工方案具有一定可行性.

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子加工方法中，應(yīng)用錐形球頭銑刀使用點(diǎn)加工方式銑削轉(zhuǎn)子葉片所存在的種種問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了新型的應(yīng)用立銑刀粗加工以及應(yīng)用T型刀精加工的新型加工方法.此方法采用側(cè)銑的加工方式，提高了加工效率、增加了葉片表面光順度并使之更適合自尋位數(shù)控加工新方法加工渦輪轉(zhuǎn)子.基于UG軟件的CAD／CAM模塊，對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行三維建模，并針對(duì)此模型應(yīng)用新型加工方法進(jìn)行數(shù)控編程，最終經(jīng)后處理得到可用于機(jī)床實(shí)際加工的數(shù)控程序代碼.

［1］曾強(qiáng).葉輪類零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與仿真［D］.西北工業(yè)大學(xué)，2009

［2］Yuan－shin Lee.Non－isoparametric tool path planning by machining strip evaluation for 5－axis sculptured surface machining［J］.Computer－Aided Design.1998，30（7）：559～570

［3］張?jiān)旗o，李紅運(yùn)，姚凌云.UG NX5.0數(shù)控加工［M］.清華大學(xué)出版社，2009

［4］季源源.基于UG的汽輪機(jī)葉片CAD／CAM系統(tǒng)開發(fā)研究［D］.揚(yáng)州大學(xué)，2008