基于PowerMILL和CATIA的葉輪五軸聯(lián)動高速加工技術研究

王佳

摘要： 根據(jù)典型的通道類零件葉輪的結(jié)構特征，首先利用CATIA的混合建模技術對其進行了詳細設計，然后根據(jù)PowerMILL對葉輪五軸聯(lián)動加工方案進行了深入研究，產(chǎn)生了深窄槽道和大扭角的加工軌跡，最后在優(yōu)龍五軸聯(lián)動加工中心上進行加工，驗證該葉輪加工方案的可行性，加工程序的正確性。通過仿真和實際加工結(jié)果表明，該葉輪完全滿足使用要求。

Abstract： According to the structural characteristics of impeller of the aisle parts， firstly， the impeller is designed by CATIA hybrid modeling technology， secondly， the five-axis high-speed machining strategies is deeply researched according to PowerMILL， the tool-path of deep narrow channel and large twist angle is produced， and finally the processing is conducted in HURONK five-axis machining center， and the feasibility of the impeller machining scheme and the correctness of processing program are verified. The detection and actual processing results show that the impeller can fulfill the using requirement.

關鍵詞： 葉輪；五軸聯(lián)動；高速加工

Key words： impeller；five-axis linkage；high speed machining

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0088-04

0 引言

葉輪（Impeller）作為動力機械的關鍵部件，實現(xiàn)了軸動力和氣體介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換，已廣泛應用于電力、航空、船舶、機車等重要領域[1]。葉輪的葉片型面相當復雜，對發(fā)動機性能影響很大。傳統(tǒng)加工工藝不僅費時費力，而且難以保證葉輪的各項性能指標。因此，葉輪的加工技術已成為提高發(fā)動機性能的一個關鍵環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量對動力性能和機械效率有直接的重要影響。

隨著高速加工技術以及CAM技術的不斷發(fā)展，應用于葉輪的加工軟件目前主要有UG、Hypermill、MAX-AB、PowerMILL等專業(yè)軟件[2]。其中，由英國Delcamplc公司研發(fā)的PowerMILL軟件的五軸加工編程有其獨特的優(yōu)勢。本文將根據(jù)PowerMILL軟件對葉輪進行五軸聯(lián)動加工軌跡的制定，既可以保證刀具切削部分對工件的精確加工，又避免刀具系統(tǒng)與工件其他部分發(fā)生干涉或過切，充分滿足了葉輪零件的生產(chǎn)實際要求。

1 葉輪的CAD模型創(chuàng)建

CAD模型的質(zhì)量是影響加工質(zhì)量的主要因素之一，好的加工模型能節(jié)約編程與加工時間，提高加工質(zhì)量和效率。創(chuàng)建的模型必須滿足以下幾點：①造型精度不能低于加工精度；②避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中造成的錯誤；③注意模型中存在隱性特征[3]。根據(jù)以上要求，利用CATIA的混合建模技術，對葉輪CAD模型進行如下設計：

1.1 葉輪輪轂面的創(chuàng)建

單擊[旋轉(zhuǎn)體]命令，以“XZ平面”為草圖平面，“Z軸”為回轉(zhuǎn)軸，按照葉輪的設計參數(shù)要求繪制葉輪輪轂草圖，完成旋轉(zhuǎn)體的創(chuàng)建，如圖1所示。

1.2 葉輪葉片的創(chuàng)建

單擊[凸臺]命令，以“XZ平面”為草圖平面，繪制左翼（或右翼）葉片的草圖，按照參數(shù)要求完成凸臺的添加，以“XZ平面”為參考，“Z軸”為旋轉(zhuǎn)軸，角度為30°，建立輔助平面1。以“平面1” 為草圖平面，繪制分流葉片的草圖，完成凸臺2的添加[4]，如圖2所示。

1.3 創(chuàng)建圓形陣列特征

選取左翼和分流葉片，單擊[圓形陣列]，選擇實例和角度間距參數(shù)，實例為6，角度間距為60°，完成圓形陣列的添加，如圖3所示。

1.4 利用旋轉(zhuǎn)槽切割葉片

單擊[旋轉(zhuǎn)槽]，以“XZ平面”為草圖平面，繪制葉片切割的草圖，按照參數(shù)要求，完成旋轉(zhuǎn)槽的添加，如圖4所示。

1.5 創(chuàng)建中心孔和鍵槽

單擊[凹槽]，以輪轂頂面為草圖平面，繪制中心孔和鍵槽的草圖，完成凹槽的添加，如圖5所示。

1.6 創(chuàng)建葉冠曲面

點擊[外形]，進入創(chuàng)成式外形設計工作臺，單擊[旋轉(zhuǎn)]，旋轉(zhuǎn)輪廓為葉片的邊線，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，角度為360°，完成葉冠曲面的創(chuàng)建[5]，如圖6所示。

由圖6可以看出，該葉輪是由6個主葉片和6個分流葉片組成，直徑為80mm，葉片厚度為1.4mm，材料為鋁合金6061，允許最大的葉片根部圓角半徑為R3，葉片形狀誤差為±0.05mm，輪轂面上最大流道間距為1.5mm。

2 在PowerMILL中定義葉輪

2.1 導入模型 激活COM Register Exchange 2013 R3程序，輸入葉輪的CAD模型，通過轉(zhuǎn)換器將“*.CATPart”文件轉(zhuǎn)換成“*.dgk”格式文件，如圖7所示。

2.2 通過圖層定義葉輪 建立Hub（輪轂）、Shroud（葉冠）、Left Blade（左葉片）、Right Blade （右葉片）、Splitter Blade（分流葉片）五個圖層，分別獲取葉輪的五個不同幾何形體，如圖8所示。endprint

由于中心孔和鍵槽在后續(xù)加工中完成，故采用建立“邊界”的方式，通過“模型”產(chǎn)生平面，以最佳擬合的方式將其隱藏。將葉冠曲面、葉片與葉冠相交曲面通過“余量參數(shù)選擇”的方式設置為“忽略”，防止產(chǎn)生多余的刀具路徑，影響葉輪的加工[6]。

3 葉輪的加工

3.1 建立加工坐標系

在編程時，根據(jù)現(xiàn)有機床的特點及有利于工件原點確定的原則，將加工坐標系設定在葉輪底面的回轉(zhuǎn)中心上。同時，也將其作為后處理時的輸出用戶坐標系。

3.2 刀具的定義

刀具的選用，必須切合生產(chǎn)實際，實測其刀尖、刀柄、夾頭等部件的數(shù)據(jù)來完整定義刀具，這樣在編程時能夠進行干涉及過切檢查，提高程序的質(zhì)量和工作效率。根據(jù)五軸加工中心現(xiàn)有刀具，選用1：10的HSK刀柄，其型號為HSK A 63 SRKIN6X120，刀具直徑為6mm的球頭銑刀，如圖9所示。

3.3 確定加工策略

加工策略是指切削零件表面時，刀具路徑的形成方式。對于葉輪的加工，由于其曲率變化大，且葉片數(shù)量較多，導致各葉片間的容刀空間小，刀具與葉片極易發(fā)生干涉的狀況[7]。同時，要求刀路嚴格順著氣流的方向。因此，根據(jù)葉輪的結(jié)構特征和使用要求，確定其加工工藝過程為粗、精加工葉冠→粗加工葉輪→精加工左翼葉片→精加工分流葉片→精加工輪轂→左翼葉片清角→分流葉片清角[8]。葉冠面的粗、精加工采用車削的方式已經(jīng)完成，在這里不再論述。下面重點分析其余各部分的加工策略。

①葉輪粗加工。選擇“葉盤區(qū)域清除”加工策略。設置以下加工參數(shù)：公差0.05mm，余量0.4mm，行距2mm，下切步距1mm，刀軸仰角方式為徑向矢量，角度為26°，偏置方式以輪轂面為參考，偏置向上，加工方式為順銑，刀軸限界方位角為0～360°，仰角為0～90°，生成單葉片刀具路徑，通過變換和疊加方式，完成葉輪粗加工，如圖10所示。

②左翼葉片精加工。選擇“葉片精加工”策略。參數(shù)為：公差0.03mm，余量0mm，下切步距0.3mm，操作方式為加工左翼葉片，生成刀具路徑并刪除最后一層刀路，完成左翼葉片精加工，如圖11所示。

③分流葉片精加工。選擇“葉片精加工”策略。參數(shù)為：公差0.03mm，余量0mm，下切步距0.3mm，操作方式為加工分流葉片，生成刀具路徑并刪除最后一層刀路，完成分流葉片精加工，如圖12所示。

④輪轂精加工。選擇“輪轂精加工”策略。參數(shù)為：公差0.03mm，余量0mm，行距1.5mm，以一個型腔的方式，生成刀具路徑，通過變換和疊加方式，完成輪轂精加工，如圖13所示。

⑤葉片清角。分別復制左翼和分流葉片精加工的刀具路徑，刪除其余路徑并保留最后一層刀路，完成葉片的筆式清角，如圖14所示。

3.4 確定切削參數(shù)

切削參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)數(shù)、切削進給率、下切進給率、掠過進給率等。這些參數(shù)的選擇與葉輪的加工精度、表面質(zhì)量、加工效率有直接的關系[9]。經(jīng)過反復試驗，得出以下參數(shù)：粗加工主軸轉(zhuǎn)數(shù)5000r/min，切削進給率3000mm/min，下切進給率1500mm/min，掠過進給率10000mm/min，精加工主軸轉(zhuǎn)數(shù)12000r/min，切削進給率4000mm/min，下切進給率2000mm/min，清角加工主軸轉(zhuǎn)數(shù)2000r/min，切削進給率800mm/min，下切進給率500mm/min。

3.5 程序后處理并驗證

后置處理文件必須與實際機床相適應，以轉(zhuǎn)換成HURONK2X8（優(yōu)龍）五軸加工中心識別的代碼，選擇機床系統(tǒng)為西門子840D，逐一對所有刀具路徑進行后置處理[10]，部分程序如下：

G71 G90 G94

G40 G54 G17

upath

TOOL NO. ： 1

TOOL TYPE ： BALLNOSED

TOOL ID ： B6L36

TOOL DIA. 5.98 LENGTH 155.790

TB6 D1

M6

S5000 M3

TRAFOOF

G75 Z0

G54

Toolpath ： N01_rough-offset

Allowance ： +0.400

Workplane ： POST

FFWON

SOFT

COMPCAD G642

TOL（0.075）

JERK_ON（75）

CYCLE800（2，"KX8F"，0，57，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1）

CYCLE800（，"0"，，，，，，，，，，，，）

TRAORI

G54

M25 M27

M8

……

為避免在多軸聯(lián)動加工中，發(fā)生干涉及碰撞，先用VERICUT仿真軟件進行模擬加工，確認無誤后，最后在HURONK2X8機床上加工，得到葉輪實物如圖15所示。

4 結(jié)語

葉輪的加工技術一直是一個重要的研究課題。其加工難點主要是葉片型面和輪轂的加工。本文結(jié)合生產(chǎn)實際，首先利用CATIA的混合建模技術對葉輪進行了詳細設計，然后根據(jù)PowerMILL軟件對葉輪加工方案進行了深入研究，產(chǎn)生了深窄槽道和大扭角的五軸聯(lián)動加工軌跡，并生成NC程序。通過對實際葉輪產(chǎn)品的測量，葉片各部分尺寸正確，厚度均勻，輪轂面上流道間距滿足使用要求，保證了空氣流路的通暢。

參考文獻：

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