基于NREC對分叉半開式整體葉輪五軸加工技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計*

賴新建，阮 毅，黃木生

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

隨著國內(nèi)外航空工業(yè)，汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，壓縮機[1]、內(nèi)燃機，渦輪增壓[2]的配置率逐年增長，到2020年全球新銷售車輛中有48%采用渦輪增壓技術(shù)，比2016年增長9%，到2021年約70%的輕度混合動力汽車將配置單個或多個增壓系統(tǒng)[3]，可見市場對各種渦輪、葉輪的需求越來越多。幾年前葉輪加工可能僅有部分國內(nèi)軍工企業(yè)、上市公司或中大型企業(yè)才有能力生產(chǎn)，當(dāng)前即使是只有一臺五軸機床的來料加工小店，都有大量葉輪類零件的加工訂單，但生產(chǎn)效率和品質(zhì)良莠不齊，究其原因主要有環(huán)境、設(shè)備、軟件、人員、檢測、產(chǎn)品復(fù)雜度等諸多因素。本文以常用典型的分叉半開式徑流整體葉輪的加工為目標(biāo)，對葉輪類零件的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)要求、設(shè)備選型、工藝流程、編程軟件、加工參數(shù)等進行優(yōu)化設(shè)計和總結(jié)。

分叉整體葉輪的形狀復(fù)雜，葉片的厚度較薄并且扭曲程度高，相鄰葉片的空間較小，而且徑向隨著半徑的減小流道越來越窄[4]，只能采用五軸聯(lián)動方式加工才能達到葉片表面光滑流暢的光潔度要求，加工葉輪葉片曲面時刀具與被加工葉片和相鄰葉片之間容易發(fā)生干涉，加工過程中存在比較嚴(yán)重的彈塑性變形，因此對加工刀路軌跡優(yōu)化，工藝優(yōu)化尤其重要。

Concepts NRECMAX-PAC是一款專業(yè)的葉輪加工編程軟件[5]，相較于通用的CAM軟件，其集成了各種葉輪的加工工藝和刀路策略，采用了獲得專利的側(cè)銑或點銑的方法，具有更高的表面光潔度和更嚴(yán)格的公差，可積省大量的編程和加工時間，廣泛應(yīng)用于機械廠家、研究所、高校、政府技術(shù)部門，在葉輪機械行業(yè)享有極高的聲譽。

1 分叉半開式徑流整體葉輪分析

1.1 葉輪結(jié)構(gòu)及參數(shù)

此葉輪是離心式壓氣機的部件，屬于高速旋轉(zhuǎn)的部件，葉片間的通道是擴張形的，空氣在流過時，對空氣做功，增大空氣的流速和壓力，屬擴散增壓葉輪。其結(jié)構(gòu)特征屬于半開式分叉徑向流動整體葉輪，如圖1所示，由包覆面（Shroud）、大葉片（Blade）及分流小葉片（Spiltter）、流道、輪轂面（Hub）、進氣緣（Leading）、出氣緣（Trailing），葉根圓角（Fillet）及中間通孔等特征組成[6]，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 半開式分叉徑流葉輪

表1 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 葉輪加工要求及難點分析

本例需要對整體葉輪的流道、葉片和圓角等主要部位進行加工，在葉片之間有大量的材料需去除[7]，葉片表面、輪轂表面及葉根表面要求紋理一致，不能有振刀紋和換向紋，表面粗糙度值應(yīng)接近Ra1.6，另外防止葉輪在工作中出現(xiàn)振動和減少噪聲還要保證整體葉輪一定的動平衡要求，葉輪工程圖如圖2所示。

圖2 葉輪工程圖

根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，加工難點主要有以下幾方面[8]：（1）葉片很薄、流道較深，剛度較低，加工過程容易振動變形；（2）流道最窄處寬深比大于11，相鄰葉片空間極小，要求小于R1的刀具才能加工到位；（3）由于流道中間有分流小葉片，刀具與葉片容易干涉，對刀軌控制要求嚴(yán)格；（4）側(cè)刃加工葉片時，接觸面大容易振動，需根據(jù)機床剛性、主軸跳動控制好加工參數(shù)；（5）葉根清角需小于R0.5的刀具，注意刀具的剛性和避免刀軌的干涉。

2 設(shè)備選型及工裝設(shè)計

2.1 五軸機床選型

由于葉輪尺寸較小，材質(zhì)為硬鋁，可選擇五軸轉(zhuǎn)臺直徑小于200 mm雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的小型五軸加工中心，配置高轉(zhuǎn)速電主軸、自動換刀裝置及刀長測量器，支持RTCP五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)。筆者使用GMI-W6520型號的五軸加工此葉輪，其XYZ軸行程為660 mm×520 mm×320 mm，五軸臺面直徑為φ200 mm，擺動軸范圍±100°，旋轉(zhuǎn)軸范圍n×360°，電主軸轉(zhuǎn)速30 000 r∕min，定位精度0.008 mm，重復(fù)定位精度0.004 mm，新代200MA-5數(shù)控系統(tǒng)，支持RTCP聯(lián)動和G68.2傾斜面3+2定位功能。

2.2 刀柄及刀具準(zhǔn)備

根據(jù)主軸接口類型選擇BT30刀柄ER25筒夾，刀柄長度在100 mm左右，刀具采用鋁合金加工專用錐度球刀[9]，如圖3所示，刀具規(guī)格為：R1×8°×6D×50L和R0.4×8°×4D×50L兩種型號，單邊錐角為4°，刀柄刀具總長控制在125 mm以內(nèi)。

圖3 錐度球刀

2.3 夾具設(shè)計

如圖4所示，利用葉輪中心通孔用螺栓固定坯料在自制夾具上，然后通過連接板固定在機床的工作臺上，自制夾具考慮加工時擺動軸需擺動80°左右，所以需墊高50 mm即可避免刀柄與轉(zhuǎn)臺的干涉。這種簡便的夾具非常適合打樣或小量的產(chǎn)品試制，既經(jīng)濟又快捷。

圖4 夾具設(shè)計

2.4 測量工具準(zhǔn)備

除常規(guī)的數(shù)顯游標(biāo)卡尺、高度儀、粗糙度儀以外，對于葉輪這樣的復(fù)雜型面，手工方法無法確定型面精度，主要采用三坐標(biāo)測量機進行型面數(shù)據(jù)檢測。把采集到的數(shù)據(jù)與幾何建模實體進行比較來檢測加工精度。

3 葉輪專用軟件NREC編程及工藝方案

3.1 NREC MAX-PAC軟件版本及模塊

本文編程使用的軟件版本為V8，7，8，0英文版，其提供數(shù)個側(cè)重于不同銑削需要的模塊：（1）MAX-5?模塊，用于側(cè)刃銑削，側(cè)銑加工技術(shù)使葉片加工通過刀具側(cè)刃一次加工成型，MAX-5相比于其他軟件生成的刀軌可以減少80%~90%的錯誤；（2）MAX-AB?模塊，用于點銑，應(yīng)用于自由曲面加工的零件，也可以應(yīng)用于直紋面葉輪的高速點銑加工；（3）MAX-SI模塊，用于整體閉式葉輪的加工；（4）MAX-SB?模塊，用于單葉片的加工，專為平底或圓鼻形刀具而設(shè)計，比球頭刀具更高效；（5）3+2定軸開粗模塊，該模塊具有毛坯識別能力，允許在前次刀路的余料基礎(chǔ)上進行加工。本文只需應(yīng)用MAX-5?和MAX-AB?兩模塊即可完成葉輪零件的編程。

3.2 葉輪模型導(dǎo)入及數(shù)據(jù)構(gòu)建

MAX-PAC支持通用CAD軟件的三維數(shù)據(jù)模型的導(dǎo)入，如IGES或STEP格式等，但導(dǎo)入的三維模型還不能直接用來編程，必須通過構(gòu)建相應(yīng)的線條重新構(gòu)建PART模型才能滿足MAX-PAC的算法和精度要求。分別抽取大小葉片AB面的UV曲線，定義進氣緣和出氣緣的類型及數(shù)據(jù)獲取方式，設(shè)定根部圓角的類型和大小，定義包覆面和輪轂面的骨線，如圖5所示。當(dāng)正確定義好了以上條件后即可生成MAX-PAC所需的幾何數(shù)據(jù)，并可自動識別葉輪相關(guān)特征。

圖5 模型數(shù)據(jù)構(gòu)建

3.3 工藝制定及切削參數(shù)

工藝制定及切削參數(shù)如表2所示。

表2 切削參數(shù)表

以上工藝及切削參數(shù)是根據(jù)工件復(fù)雜程度、工件材質(zhì)、設(shè)備性能和刀具強度等特定因素的優(yōu)化設(shè)定，實際上為追求更高的加工效率、更好的表面質(zhì)量，可選用剛性、扭矩、功率更好的設(shè)備和更好的刀具，根據(jù)工件材質(zhì)配備合理的冷卻介質(zhì)。

3.4 程序編制

（1）工序一——流道粗加工程序編制要點

流道加工區(qū)間由2個大葉片、1個小葉片、輪轂面、包覆面及進氣緣出氣緣組成。MAX-PAC在計算時可自動定義合適的刀具供編程人員參考，根據(jù)實際情況選擇的刀具為錐度球刀，型號為R1×8°×6D×50L，球刀半徑為1 mm，側(cè)刃夾角為8°，柄徑6 mm，總長50 mm；加工策略為center slot，in at trail，雙向走刀；切削深度依包覆面和輪轂面的夾層均分方式，數(shù)量為2層，每層間第一刀開槽又額外增加2層，切削寬度為刀具直徑的50%；刀軸控制為點銑方式，由于此軟件產(chǎn)生的刀路軌跡具有極高的安全性、平滑性，因此可采用大切深、大切寬的切削參數(shù)，有利于提高粗加工效率，刀路軌跡如圖6所示。

圖6 粗加工刀軌

（2）工序二——葉片半精加工程序編制要點

由于粗加工后葉片側(cè)面的余量相當(dāng)不勻稱，因此在精加工前需做半精加工以使側(cè)面余量一致，對后續(xù)精加工的平緩和減少振動有重要意義，加工策略為A-side and B-side，單向順銑；切削深度為2層；刀軸控制為側(cè)刃銑方式，由于此時葉片強度較弱特別是在進氣緣部位很容易發(fā)生變形，因此需控制好走刀進給，特別是在進氣緣部位降低速度到正常的30%，生成的刀軌如圖7所示。

圖7 葉片半精加工刀軌

（3）工序三——葉片精加工程序編制要點

刀具、策略同工序（2）相同，葉片側(cè)面余量設(shè)為零，由于此工序決定了葉片的精度和光潔度，因此，加工參數(shù)的合理設(shè)置相當(dāng)重要，需根據(jù)實際機床的精度和特性設(shè)置合理的轉(zhuǎn)速和進給速度，經(jīng)過多次測試與對比本案刀具轉(zhuǎn)速設(shè)為10 000 r∕min，進給設(shè)為600 mm∕min可獲得好的表面加工品質(zhì)。

（4）工序四——輪轂精加工程序編制要點

輪轂部分的表面粗糙度根據(jù)不同的應(yīng)用場合要求不一樣，有的要求像葉片一樣表面光滑，也有的允許有明顯刀痕殘留，只需保證流道呈流線紋路即可，不同的要求會影響加工時間。本案采用的加工策略為Wall to wall，in at trail，雙向走刀；切削寬度指定18刀均分，刀軸控制為點銑方式，刀軌如圖8所示。

圖8 輪轂精加工刀軌

（5）工序五——葉根清角程序編制要點

由于模型葉根圓角為R0.5，而前面工序用刀的最小規(guī)格是R1，還存在余料未加工到位，需單獨對葉根部位進行局部加工，MAX-PC軟件會自動偵測到根角部位，編程員只需選定方法和設(shè)定參數(shù)就可輕松生成清角刀軌。本案采用的加工策略為A-side and B-side，shroud to hub，單向走刀；切削寬度指定4刀均分，刀軸控制為點銑方式，刀軌如圖9所示。

圖9 葉根清角刀軌

（6）刀軌模擬與檢驗

NC程序在投入實際的加工之前通常需要進行試切，以檢驗NC程序的正確性和被加工零件是否達到設(shè)計要求，利用MAX-PAC的模擬仿真可以比較真實地反映出實際的切削加工過程，不僅可檢查刀路軌跡的正確性，還可以檢查加工過程中刀具與工件、刀具與機床以及刀具與夾具之間是否有碰撞、干涉和過切現(xiàn)象，如果仿真過程中發(fā)現(xiàn)刀具軌跡錯誤或有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生，可以馬上停止并對加工程序?qū)嵤┬拚?，這樣才能保證加工質(zhì)量，提高機床的使用壽命，如圖10所示MAX-PC的仿真器具有逼真、流暢、高效、高速及對電腦顯卡性能要求不高的特點。

圖10 刀軌模擬

（7）加工代碼輸出

刀軌計算完成后MAX-PC自動生成APT刀位文件，通過軟件本身的特定后處理器即可輸出特定五軸機床所需的NC代碼，除此之外，利用NX12或hyperMILL2018等通用CAM軟件的后處理器也可直接把APT刀位文件轉(zhuǎn)化成正確NC代碼，這樣就極大地增強了應(yīng)用的靈活性，圖11所示為APT文件與NC代碼的格式對比。

圖11 APT與NC格式對比

4 加工實踐及結(jié)果分析

優(yōu)化的設(shè)計方案需要有良好執(zhí)行規(guī)范來實施，首先五軸設(shè)備精度符合GB∕T 14660—1993標(biāo)準(zhǔn)，高速大扭距動平衡主軸，配備高精度自動對刀儀，刀柄、刀具跳動在0.005 mm以內(nèi)，工裝夾具及工件重量不超轉(zhuǎn)臺承重標(biāo)準(zhǔn)。其次冷卻介質(zhì)選擇鋁加工水溶性專用切削液，采用多噴嘴冷卻確保轉(zhuǎn)臺擺動時無死角，因鋁合金大切削量加工時必需冷卻充分，否則很容易粘刀從而導(dǎo)致刀具被擠斷，最后確保無干涉的情況下刀具裝夾伸出長度盡可能的短，加工前機床需預(yù)熱，使機床的主軸、絲杠、導(dǎo)軌等運動部件熱態(tài)精度趨于平穩(wěn)，如果停機狀態(tài)僅為數(shù)小時建議進行5~10 min的預(yù)熱，如果機床停機狀態(tài)達到多天以上建議進行30 min以上的預(yù)熱?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)在GMI-W6520五軸設(shè)備上進行了小批量的加工試驗，加工過程安全、高效，刀軸變化平穩(wěn)，刀路軌跡優(yōu)化，加工時長較一般通用軟件可節(jié)省30%~50%的時間，經(jīng)過常規(guī)方法檢測及三座標(biāo)表面點位測量，精度達到技術(shù)要求，圖12所示為加工好的成品件。

圖12 葉輪成品件

5 結(jié)束語

整體葉輪作為動力機械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車廢汽渦輪增壓等領(lǐng)域，渦輪增壓葉輪轉(zhuǎn)速高[10]，旋轉(zhuǎn)運動時需保持一定的動平衡[11]，為了保證葉輪的整體精度，在加工時應(yīng)盡量減少裝夾次數(shù)，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)的一個重要課題，如何規(guī)劃葉輪加工工藝和選擇專業(yè)化的CAM編程工具對整體葉輪的制造至關(guān)重要，本案采用了美國Concepts NRECMAX-PAC專用葉輪編程軟件，獲得了理想的加工效果，相比傳統(tǒng)通用編程軟件可獲得更高的表面光潔度，更嚴(yán)格的公差，更少的編程和加工時間，并且學(xué)習(xí)更快，更易于使用，實際生產(chǎn)中可明顯提高企業(yè)的市場競爭力。