基于整體閉式葉輪智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究

邱 昕

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 四川廣元628017）

“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的提出將帶來新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革?！爸袊圃?025”時代，是以設(shè)計過程“數(shù)字化”、制造過程“智能化”及生產(chǎn)管理過程“信息化”為宗旨構(gòu)筑的現(xiàn)代化制造業(yè)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工已經(jīng)不能滿足智能化生產(chǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中更多的采用數(shù)控多軸機(jī)床加工生產(chǎn)。整體閉式葉輪大部分都由曲面構(gòu)成，對于這些曲面加工方法、加工精度以及加工表面質(zhì)量都會對葉輪的性能參數(shù)產(chǎn)生很大的影響，況且相鄰葉片之間的空間又比較小，加工時刀軸變化又比較頻繁，由于刀軸變化頻繁，極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動生成無碰撞和無干涉的加工軌跡比較困難，所以加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個難點(diǎn)和研究課題。針對以上問題，如何正確規(guī)劃整體閉式葉輪加工工藝方案，就顯得十分重要，這里以NX UG12.0 軟件為平臺，主要從加工工藝方案、刀具路徑的規(guī)劃、VERICUT1:1仿真加工等幾個方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 整體閉式葉輪加工工藝方案

由圖1可知，整體閉式葉輪是典型的薄壁、難加工結(jié)構(gòu)件，其制造技術(shù)綜合難度大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）通道深窄、開敞性較差，排屑困難。

（2）葉片薄，且葉片與葉片之間距離小，刀具容易與葉片發(fā)生干涉。

（3）加工時由于殘余應(yīng)力原因引起的變形較大。

（4）葉片薄、刀具細(xì)長、加工時易產(chǎn)生彈性變形，精度難以保證。

圖1 整體閉式葉輪三維圖

從以上4個方面分析可知：整體閉式葉輪和開式葉輪在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別，加工時為了防止工裝、夾具及刀具與工件和主軸發(fā)生干涉、碰撞，只能從葉輪通道口進(jìn)行加工，這將大大限制銑刀活動范圍，因此一定要合理規(guī)劃刀具路徑，同時也要避免加工干涉，整體的工藝方案如下：

（1）整體閉式葉輪通道的粗加工；

（2）整體閉式葉輪通道的半精加工；

（3）整體閉式葉輪通道的精加工。

2 工裝的制定

在加工整體閉式葉輪時，由于工作臺和工件要旋轉(zhuǎn)一定角度，刀具長度固定，這時工作臺與主軸有可能發(fā)生碰撞或干涉，造成工件或主軸甚至機(jī)床的損壞。為了避免此事件發(fā)生，在加工前必須考慮專用工裝夾具，使工作臺與主軸有足夠的安全距離，如圖2所示。

圖2 零件夾具

3 刀具的選擇

合理選擇刀具是實(shí)現(xiàn)高速度、高精度和高效化的一個關(guān)鍵因素，選擇刀具時應(yīng)考慮工件材料、機(jī)床、切削用量、剛度和耐用度、精度等求，根據(jù)整體閉式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合工藝方案，選擇如下刀具：

（1）開粗采用平底立銑刀

盡可能使平銑刀底部全部接觸工表面進(jìn)行加工，吃刀量大，減少走刀次數(shù)，提高加工效率；

（2）半精加工、精加工采用定制棒棒糖球頭銑刀

加工時，為了保證刀具切削刃與待加工曲面在切削點(diǎn)相切，而避免刀刃與工件發(fā)生干涉，一般采用球頭刀，在選擇球頭銑刀時一般又多選用錐形球頭銑刀，它有利于提高刀具的剛性；利用 UG12.0軟件對葉輪模型進(jìn)行分析，測得葉片厚度僅為2mm，而圓角僅為R3 mm，故精加工時選擇棒棒糖球頭銑刀進(jìn)行齒的側(cè)面及底面加工，根據(jù)這些數(shù)據(jù)采用定制刀具，可提高加工效率與精度。定制刀具如圖3所示。

圖3 棒棒糖球頭銑刀

4 刀具軌跡的規(guī)劃

在整體閉式葉輪的加工中，由于零件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，扭曲角度相對較大且通道深窄，用手工編程根本無法完成；必須借助軟件來進(jìn)行自動編程。這里采用UG NX12.0編程軟件，該軟件在多軸粗精加工方面提供了多種編程的解決方法，同樣在仿真方面也提供了非常強(qiáng)大的功能。

（1）由于閉式葉輪型腔屬于管道類型，故采用管道粗加工（TUBE ROUGH）方法進(jìn)行開粗，因管道較深，刀具長度一定，從一個方向無法加工完成，所以采用兩端進(jìn)刀方式，而驅(qū)動方法采用管粗加工，路徑如圖4所示。

圖4 粗加工刀具軌跡

（2）精加工閉式葉輪，驅(qū)動方法采用可變引導(dǎo)曲線（VARIABLEAXISGUIDING ），刀軸采用垂直于驅(qū)動體，刀具路徑如圖5所示。

圖5 精加工刀具軌跡

5 VERICUT虛擬仿真

雖然利用NXUG12.0軟件生成閉式葉輪刀具軌跡，但為了避免刀具移動或工件旋轉(zhuǎn)發(fā)生干涉和碰撞，造成工件、刀具甚至機(jī)床的損壞現(xiàn)象，我們必須進(jìn)行虛擬1:1仿真虛擬加工。本文使用VERICUT軟件進(jìn)行1:1虛擬仿真，與DMG50機(jī)床在虛擬仿真時實(shí)現(xiàn)無縫對接。經(jīng)過1:1虛擬仿真加工，有效地保證了虛擬仿真與真實(shí)加工環(huán)境的一致性、真實(shí)性，大大提高加工效率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，同時避免了干涉和碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。

6 實(shí)體驗(yàn)證

經(jīng)過 VERICUT8軟件對該閉式葉輪的程序進(jìn)行虛擬仿真后，確認(rèn)干涉、碰撞等虛擬仿真無誤后，在DMU50五軸聯(lián)動加工中心上完成了閉式葉輪的實(shí)際加工。經(jīng)試制，采用上述技術(shù)方案能有效地優(yōu)化加工程序，避免刀具干涉，提高加工效率，同時零件的加工質(zhì)量也得到了提升，經(jīng)檢測達(dá)到了閉式葉輪尺寸精度和表面粗糙度的要求。

7 結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了整體閉式葉輪加工分析，五軸加工工藝規(guī)劃，以及對工裝夾具的選擇、刀具的選擇、加工工藝的規(guī)劃等，并對這些進(jìn)入了深入的研究和分析，提出了解決整體閉式葉輪加工難點(diǎn)的解決辦法，并利用VERICUT8數(shù)控仿真功能，對該類葉輪進(jìn)行了可靠性的虛擬仿真與驗(yàn)證。最后，在DMU50五軸加工中心上完成了實(shí)際加工，與預(yù)期一樣，沒有出現(xiàn)刀具干涉與碰撞現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了要求,該加工方法對相似的整體閉式葉輪加工提供了借鑒作用。