基于PowerMILL的葉輪工藝優(yōu)化與虛擬仿真

鄒左明

摘 要：本文首先簡(jiǎn)單介紹葉輪加工變形分析有關(guān)內(nèi)容，然后通過對(duì)整體葉輪模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分析某關(guān)鍵采樣點(diǎn)變形，提出了控制約束變形的條件，也多目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)提供條件，通過構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)，為高速銑削提供一套優(yōu)化的整體葉輪高速加工技術(shù)方案，最后針對(duì)高速銑削加工，對(duì)高速銑削時(shí)的刀軌優(yōu)化進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：葉輪；實(shí)體造型；PowerMILL軟件；刀具路徑

中圖分類號(hào)： TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-153-20 引言

葉輪被廣泛地應(yīng)用于航天航空、汽車、船舶、電力、核工業(yè)等方面，葉輪是發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等產(chǎn)品上的重要零件，目前需求量相當(dāng)?shù)卮螅湫螤詈途鹊恼`差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力性能和機(jī)械效率有較大影響。所以說在設(shè)備和加工任務(wù)都滿足的情況下，如何確定最佳的加工工藝、提高生產(chǎn)效率、減少經(jīng)濟(jì)成本、關(guān)鍵是怎樣提高經(jīng)濟(jì)效益的問題所在。目前，人們已經(jīng)開始考慮改變切削的量，但有時(shí)效果達(dá)不到預(yù)期的要求。文章待加工葉輪是典型薄壁部件，剛度相對(duì)比較低，工藝性能差，受影響因素較多，因此，通過變形的控制，對(duì)于研究預(yù)防和控制葉輪變形在高速加工過程中具有十分重要的意義。

1 葉輪的結(jié)構(gòu)

本文研究的葉輪是使用Delcam的PowerSHAPE軟件對(duì)葉輪軸進(jìn)行實(shí)體建模，采用PowerMILL軟件對(duì)葉輪軸進(jìn)行CAM加工，產(chǎn)生出葉輪流道、葉片、葉輪軸上槽等刀具路徑。根據(jù)實(shí)際情況，加工需采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工，葉輪加工分粗、半精及精加工。粗加工主要用于快速有效去除每?jī)蓚€(gè)葉片區(qū)間的材料。精加工主要用于葉片和葉輪流道的成型。（圖1）

由于切削機(jī)理的復(fù)雜性，目前大部分航空企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。利用測(cè)力儀測(cè)出切削力，再將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以適當(dāng)處理，就可以有效地減少一些變形。常用控制葉輪加工變形的方法有：

1.1 改進(jìn)切削工藝

可以通過高速切削刀片的措施來進(jìn)行，以防止減少塑性變形，增加切削速度VC，降低它的溫度，改變結(jié)構(gòu)，減小切削力，從而減小變形。

1.2 改進(jìn)工藝方案

采用輔助機(jī)械。填充石膏、松香、蠟，或增加受力桿，能在一定范圍內(nèi)的控制塑性變形。

1.3 改進(jìn)工藝路線

先對(duì)剛性比較薄弱的葉尖進(jìn)行加工，然后再對(duì)葉根部位加工。

1.4 改進(jìn)一些工藝參數(shù)

精加工余量減少，采用鋒利的刀具，增加后角，因此，在后文中，我們將整體葉輪加工葉輪加工變形控制優(yōu)化。獲得切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 確定切削刀具及參數(shù)

為了保證加工葉片的工藝要求，所選用的刀具刀刃長(zhǎng)度應(yīng)至少大于30mm，總長(zhǎng)度應(yīng)不小于80mm。葉片整體粗加工時(shí)，根據(jù)葉片之間的距離大小，選用Φ6mm硬質(zhì)合金圓角端銑刀，預(yù)留0.5mm的精加工余量。精加工時(shí)采用φ6mm的球頭銑刀。選擇合適的切削用量。實(shí)際加工中可以根據(jù)機(jī)床性能修改主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

3 PowerMILL編程流程

葉輪加工先采用車床加工，然后再在加工中心粗加工、半精加工、精加工。

3.1 葉輪粗加工、半精加工

將葉輪軸模型導(dǎo)入PowerMILL模塊中，進(jìn)行毛坯設(shè)置。設(shè)置毛坯，定義毛坯類型為三角形，選取巳生成的加工三角（*dmt文件），將其作為葉輪加工毛坯，毛坯設(shè)置。在編程時(shí)，為利于葉輪在機(jī)床上定位夾緊后其加工原點(diǎn)的確定，將加工坐標(biāo)系原點(diǎn)定在葉輪軸右端面的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)上，坐標(biāo)軸的方向與機(jī)床坐標(biāo)系方向保持一致。

在PowerMILL軟件中可通過產(chǎn)生邊界，控制葉片的加工范圍。選取兩葉片之間的曲面如2所示，利用工具欄中“邊界”功能，在所示的“用戶定義邊界”，選擇“模型”，完成葉片加工邊界定義。

3.2 葉片精加工

加工葉片時(shí)采用SWARF精加工策略，選擇Φ6mm的圓角端銑刀，利用銑刀的側(cè)刃加工葉片。采用SWARF加工策略時(shí)，刀軸默認(rèn)為自動(dòng)。設(shè)置加工參數(shù)，在“多重切削”對(duì)話框，完成參數(shù)選擇與設(shè)置。刀具路徑如圖3所示。

3.3 葉輪流道精加工

曲面精加工是一種沿已選曲面上的曲面曲線進(jìn)給的精加工策略。該策略不能平行于任何裁剪過的曲面邊緣運(yùn)行。選取葉片與軸相交的圓角曲面，選擇 “曲面精加工”，設(shè)置加工參數(shù)，將“刀軸”設(shè)置為前傾/側(cè)傾，刀具路徑圖略。

采用同樣方法完成葉輪流道其他兩個(gè)面的精加工刀具路徑，將其添加到“曲面精加工-BM6”刀具路徑中，形成一個(gè)完整的葉輪流道精加工刀具路徑。

可以采用Vortex旋風(fēng)銑，可使它產(chǎn)生的刀具路徑效率更高。加工效果如圖4所示。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用PowerSHAPE軟件實(shí)現(xiàn)葉輪軸的實(shí)體建模，PowerMILL軟件完成葉輪的五軸數(shù)控編程加工，改善了三軸數(shù)控加工多次定位問題，簡(jiǎn)化了加工方法，提高了葉輪加工精度，為葉輪的五軸數(shù)控加工提供了切實(shí)可行的方法。