軸流式葉輪軸四軸加工刀具軌跡優(yōu)化與驗(yàn)證

0 引言

葉輪是透平機(jī)的關(guān)鍵零件，在風(fēng)機(jī)、渦輪增壓器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高端裝備上廣泛使用。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的不同，既可作壓氣機(jī)，也可作動(dòng)力機(jī)[1]。工作時(shí)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，民用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速在幾千到幾萬之間，車用渦輪增壓器的小直徑葉輪轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘20萬轉(zhuǎn)。高轉(zhuǎn)速條件下的摩擦抑制、溫度控制、壓力損失、做功效率對葉輪的加工制造環(huán)節(jié)提出了較高要求。一直以來，葉輪首選的加工方案采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)輪轂和葉片的粗精加工，這種做法對設(shè)備投入要求較高，葉片的制造成本難以降低。固然五軸聯(lián)動(dòng)加工能夠獲得優(yōu)良的外形、尺寸精度和表面質(zhì)量，但并非所有的葉輪都必須應(yīng)用五軸加工策略，針對部分情況下軸流式葉輪的制造需求，四軸聯(lián)動(dòng)加工方法同樣適用。四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心因其來源于三軸數(shù)控機(jī)床增加第四軸，制造和使用成本相對較低，雖然刀具的自由度存在局限，若能在工藝和編程方面揚(yáng)長避短，不僅能順利完成軸流式葉輪的銑削加工，同時(shí)在生產(chǎn)成本上能夠積累一定的優(yōu)勢。本文提出了一種基于UG NX軟件的針對某軸流式葉輪軸的四軸聯(lián)動(dòng)優(yōu)化加工方法，并實(shí)現(xiàn)了上機(jī)驗(yàn)證。

1 軸流式葉輪

軸流式葉輪工作時(shí)流體從軸向流入并沿軸向流出，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)、渦輪機(jī)等機(jī)構(gòu)。以氣體流體為例，利用高速旋轉(zhuǎn)可以對氣體做功實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮，也可以將高溫燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，吹動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。軸流式葉輪葉片間的流道較寬，工作原理常用機(jī)翼理論分析。氣體由一個(gè)攻角進(jìn)入葉輪時(shí)，在翼背上產(chǎn)生一個(gè)升力，同時(shí)在翼腹上產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的作用力，該力使氣體排出葉輪呈螺旋形沿軸向向前運(yùn)動(dòng)，并對流體做功使流體能量增加。同時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)口處由于壓差的作用，氣體不斷地被吸入，進(jìn)一步將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力，最后引入工作管路。

軸流式葉輪主要由輪轂和多個(gè)葉片構(gòu)成，葉輪的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)是根據(jù)所需壓力與流量，計(jì)算出各部件的流通尺寸，包括葉輪直徑D、輪轂直徑d和葉片參數(shù)等[2]。葉柵是由葉型相同的葉片以相同的間隙和角度在葉輪回轉(zhuǎn)面上排列而成，軸流式葉輪葉柵為直列葉柵，流面上列線成無限長直線，將基元級(jí)的葉柵展布在平面上獲得平面葉柵[3]，用來模擬氣流在葉片中的流動(dòng)。按照平面葉柵理論設(shè)計(jì)的軸流式葉片參數(shù)與銑削加工有關(guān)的有以下幾點(diǎn)：①柵距t；②稠密度τ；③葉型安裝角βγ；④幾何進(jìn)口角β1k和幾何出口角β2k；⑤葉片扭角；⑥葉片長度等。軸流式葉輪流面為圓柱面，葉輪旋轉(zhuǎn)平面與基元級(jí)葉柵垂直，這是該種葉輪能夠較好地在四軸加工中心上銑削的前提條件。當(dāng)葉片數(shù)量不多，柵距適中，葉型安裝角沿徑向變化幅度不大，葉片長度小于銑刀刃長時(shí)軸流式葉輪可以使用四軸機(jī)床加工。

2 葉輪軸四軸加工工藝分析

四軸立式加工中心根據(jù)回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸線不同有XYZ+A和XYZ+B兩種軸組合，能夠?qū)崿F(xiàn)普通的三軸加工、“3+1”定軸加工和四軸聯(lián)動(dòng)加工，當(dāng)機(jī)床使用A軸轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，方便在工作臺(tái)上布置尾座。某軸流式葉輪軸三維模型如圖1所示，葉輪由5個(gè)葉片組成，輪轂包夾于相鄰葉片之間，葉片數(shù)量、柵距、扭角、葉高、圓角半徑等特性滿足四軸銑削工藝要求?？傮w方案是利用數(shù)控車床車削出葉輪軸外形，隨后在配置A軸轉(zhuǎn)臺(tái)的四軸加工中心上銑削V型槽和葉片。根據(jù)圖紙和模型尺寸，采取“一夾一頂”的毛坯裝夾方案有助于確保切削過程穩(wěn)定，使用“3+1”定軸加工方式銑削相距120°的V型槽，四軸聯(lián)動(dòng)加工方式銑削葉片和輪轂面。

圖1 軸流式葉輪軸三維模型

本零件葉片和輪轂面所夾空間可以視為一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，按如下順序劃分工序：①輪轂左側(cè)葉面粗加工；②輪轂右側(cè)葉面粗加工；③輪轂上方區(qū)域粗加工；④葉面精加工；⑤輪轂及相鄰圓角面精加工。一個(gè)區(qū)域完成后再逐次加工下一區(qū)域，直至5個(gè)獨(dú)立區(qū)域全部加工完成。工序安排及刀具選用如表1所示。

表1 葉輪軸銑削工序

3 刀具軌跡生成與優(yōu)化

UG NX軟件是西門子公司推出的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件，具有強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能，其CAD、CAM、CAE模塊廣泛應(yīng)用于多種實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，本文使用UG NX軟件創(chuàng)建刀軌。在加工模塊中分別創(chuàng)建MCS、WORKPIECE、刀具等節(jié)點(diǎn)組，首先選用傳統(tǒng)的三軸工序（深度輪廓銑、平面輪廓銑等）生成V型槽的刀路，令刀軸與切削層底面垂直，使用四軸后處理器將刀軌轉(zhuǎn)化為G代碼指令，此時(shí)在程序行中出現(xiàn)A軸坐標(biāo)[4]，在程序中承擔(dān)角度定位的作用，當(dāng)回轉(zhuǎn)軸鎖止后，系統(tǒng)再執(zhí)行三軸聯(lián)動(dòng)加工的程序內(nèi)容，利用“3+1”定軸加工方式，四軸機(jī)床自動(dòng)完成3個(gè)V型槽的銑削加工任務(wù)。

葉片是和輪轂的銑削使用multi-axis工序類型中的可變輪廓銑工序，可變即刀軸可變，刀軸沿刀軌移動(dòng)時(shí)不斷變換方位，伴隨產(chǎn)生的前傾角、側(cè)傾角由回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸角度分度提供，生成的刀路配合多軸數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工。下面以葉面部位的銑削為例，從刀路驅(qū)動(dòng)體、投影矢量方向、刀軸控制方式三個(gè)方面優(yōu)化可變輪廓銑刀路。

3.1 刀路驅(qū)動(dòng)體

驅(qū)動(dòng)體是可變輪廓銑刀軌的起源，以曲線、邊界、曲面等為驅(qū)動(dòng)體，在線或面上根據(jù)設(shè)置的步距、步長，UV方向百分比等參數(shù)生成驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列。驅(qū)動(dòng)點(diǎn)一旦定義，就可投影到部件表面以創(chuàng)建刀軌。曲面輪廓銑削理想的刀路是刀軌與曲面的走向一致，葉輪表面的銑削刀路還應(yīng)與流體的運(yùn)動(dòng)方向一致，以減小流動(dòng)阻力。軸流式葉輪的葉片切削層應(yīng)當(dāng)與基元級(jí)葉柵處于同一圓柱面，葉面粗精加工驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位于葉輪流面與葉面交線上，采取分層銑削策略時(shí)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)形成沿葉片流面方向和徑向均勻分布的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列，此時(shí)驅(qū)動(dòng)體為葉面本身。在“驅(qū)動(dòng)方法”中選擇“曲面區(qū)域”，以要銑削的葉面為驅(qū)動(dòng)曲面，原理是通過提取葉面兩個(gè)方向的柵格構(gòu)建驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)曲面參數(shù)設(shè)置如圖3所示，刀具與驅(qū)動(dòng)面相切，切削方向選擇由上而下、由外向內(nèi)的箭頭方向，往復(fù)式切削模式，沿葉面UV方向，以20為步距，100為步長形成覆蓋整個(gè)葉面的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列。

圖2 葉面驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列

圖3 驅(qū)動(dòng)曲面參數(shù)設(shè)置

3.2 投影矢量方向

投影矢量是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)投影到部件表面的投射方向，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿投影矢量投射到部件后形成刀具與加工表面的接觸點(diǎn)，再結(jié)合刀具形狀、尺寸以及刀軸方向生成刀位點(diǎn)的一系列定位點(diǎn)，經(jīng)插值后構(gòu)成刀具軌跡。驅(qū)動(dòng)點(diǎn)也可以投影矢量的相反方向從驅(qū)動(dòng)曲面投影到部件表面。投影矢量的方向決定刀具要接觸的部件表面?zhèn)?，刀具總是從投影矢量逼近的一?cè)定位到部件表面上。

在“曲面區(qū)域”驅(qū)動(dòng)方法下，可以指定的投影方向有動(dòng)態(tài)矢量、刀軸、遠(yuǎn)離/朝向點(diǎn)、遠(yuǎn)離/朝向直線、垂直于驅(qū)動(dòng)體、朝向驅(qū)動(dòng)體等9種。在“投影矢量”中選擇“朝向驅(qū)動(dòng)體”，矢量方向指向葉面，在接觸點(diǎn)處與葉面垂直，投影從距驅(qū)動(dòng)曲面較近處開始，后退距離設(shè)定為50%刀具直徑，令刀具在任意點(diǎn)處總是逼近要銑削的葉面而非部件上其他表面，如圖4所示。

圖4 投影矢量方向及刀具側(cè)

3.3 刀軸控制方式

通常將銑刀的刀軸定義為從刀具底刃中心指向刀具柄部中心的方向矢量。三軸加工時(shí)刀軸始終指向Z+方向，“3+1”定軸加工時(shí)刀軸沿一固定方向，多軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)刀軸按一定規(guī)律沿刀軌連續(xù)變化，刀軸控制是否合理是軸流式葉輪四軸優(yōu)化加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。四軸立式加工中心刀軸的變換通過A軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)A軸處于不同角度，銑刀能夠獲得不同的刀軸方向，因此在創(chuàng)建刀軌時(shí)，必須將刀軸始終控制在刀具定位點(diǎn)所處的YZ平面內(nèi)。為確保刀軌后處理后僅有唯一的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，在UG NX軟件中常用的適合四軸聯(lián)動(dòng)加工的刀軸控制方式有遠(yuǎn)離/朝向直線、4軸相對/垂直于部件、雙4軸在部件上、插補(bǔ)矢量、4軸相對/垂直于驅(qū)動(dòng)體、雙4軸在驅(qū)動(dòng)體上等9種。

在“刀軸”中選擇“4軸相對于驅(qū)動(dòng)體”，如圖5所示，該模式下設(shè)定前傾角、側(cè)傾角和旋轉(zhuǎn)角度可以使刀軸相對于驅(qū)動(dòng)曲面的垂直“刀軸”向前/向后或向左/向右傾斜，適合在復(fù)雜部件表面上控制刀軸運(yùn)動(dòng)。本文將刀軸旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為-90°，側(cè)傾角1°，令銑刀側(cè)刃與葉面均勻貼合，保證粗精加工后的表面連續(xù)性和角度正確性。

圖5 4軸相對于驅(qū)動(dòng)體刀軸控制方式設(shè)定

將上述優(yōu)化路徑應(yīng)用于輪轂區(qū)域銑削，最終獲得四軸優(yōu)化加工刀具軌跡。

4 上機(jī)驗(yàn)證

加工測試平臺(tái)使用漢川機(jī)床XH715D四軸立式加工中心，搭配FANUC 0i Mate-MD數(shù)控系統(tǒng)，配置8000rpm串行主軸，A軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)最小分割精度0.001°，重復(fù)定位精度4″，最大轉(zhuǎn)速22.2rpm，氣壓剎車扭矩47kg·m，平臺(tái)滿足本文軸流式葉輪零件加工工藝要求。刀路經(jīng)UG NX四軸后處理生成銑削程序并導(dǎo)入機(jī)床，順利完成葉輪軸試加工，結(jié)果如圖6所示，達(dá)到預(yù)期效果。

圖6 葉輪軸上機(jī)加工結(jié)果

5 結(jié)束語

軸流式葉輪銑削在多軸數(shù)控加工中具有代表性，葉柵理論應(yīng)用在葉輪加工環(huán)節(jié)，將基元級(jí)葉柵與切削層、驅(qū)動(dòng)體等編程要素聯(lián)系起來，作為刀路優(yōu)化方案的制定依據(jù)。在葉輪滿足四軸聯(lián)動(dòng)加工工藝特性的基礎(chǔ)上，利用UG NX軟件中的可變輪廓銑工序，通過驅(qū)動(dòng)方法、投影矢量、刀軸三個(gè)方面的優(yōu)化，刀路與葉面輪廓、流體流向一致，獲得了較為理想的葉片和輪轂四軸加工刀具軌跡。經(jīng)上機(jī)驗(yàn)證，本文提出的方法不僅實(shí)現(xiàn)了軸流式葉輪四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，同時(shí)也為葉柵理論在葉輪多軸數(shù)控加工中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了思路。