基于VERICUT 五軸葉輪加工方式的選擇分析

楊 釗 普發(fā)云 肖 寧

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650203）

鋁合金葉輪加工采用五軸機(jī)床數(shù)控技術(shù)，當(dāng)前生產(chǎn)加工主要采用樣品試切削的方法調(diào)整切削參數(shù)。在加工時(shí)，如果產(chǎn)品變動(dòng)不大，則可以采用該方法；如果產(chǎn)品屬于小批量需要隨時(shí)更換，則要進(jìn)行樣品的試切削，并根據(jù)實(shí)際情況增加試切削的時(shí)間及試切削的難度。在產(chǎn)品試切削過程中，試制產(chǎn)品裝夾定位不當(dāng)導(dǎo)致零件變形及裝夾困難，刀具選擇不當(dāng)導(dǎo)致零件尺寸加工精度不達(dá)標(biāo)，切削參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致工藝煩瑣及加工困難等，都容易造成整個(gè)零件試切削過程的失敗。

鋁合金葉輪加工屬于薄壁復(fù)雜曲面零件加工。鋁合金材質(zhì)的剛度和強(qiáng)度都低于鋼材，在加工時(shí)容易發(fā)生應(yīng)力變形。同時(shí)，鋁合金材質(zhì)具有較高的熱膨脹系數(shù)，加工過程中切削參數(shù)選擇不合理容易導(dǎo)致零件加工區(qū)域過熱，進(jìn)而產(chǎn)生形變。因此，采用五軸機(jī)床加工鋁合金葉輪時(shí)，零件的切削參數(shù)、加工工藝都必須經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]及驗(yàn)證[1]。

在以往的三軸零件加工過程中，由于零件裝夾定位方便、加工工藝簡(jiǎn)單明確、刀具與被加工零件干涉情況清晰，加工都是在相關(guān)的編程軟件中仿真模擬數(shù)控程序刀路進(jìn)行的。從加工工藝的復(fù)雜程度、刀具與機(jī)床干涉情況、刀具與被加工零件干涉情況等方面綜合來看，五軸零件的加工比三軸零件的難度更大，因此必須采用專業(yè)的軟件完成此項(xiàng)工作[2]。

VERICUT 軟件是CGTECH 公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由數(shù)字控制（Numerical Control，NC）程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊和多軸模塊等多個(gè)模塊組成，可進(jìn)行五軸機(jī)床的數(shù)控加工過程虛擬仿真，包含機(jī)床虛擬、待加工零件虛擬、夾具虛擬及加工刀具虛擬功能，具有真實(shí)的三維實(shí)體顯示效果，能夠得到更加合理的五軸鋁合金葉輪數(shù)控加工程序，保證加工過程的穩(wěn)定性，提高加工效率，確保零件的加工精度。

1 零件特點(diǎn)

葉輪屬于一種旋轉(zhuǎn)零件，也是典型的薄壁曲面零件，加工精度要求較高，因此采用五軸機(jī)床進(jìn)行加工。五軸機(jī)床只需一次裝夾定位即可完成葉輪的加工，避免了葉輪在不同機(jī)床上重復(fù)裝夾定位、重復(fù)校正等對(duì)刀產(chǎn)生的定位和加工誤差[3]。

由于鋁合金材質(zhì)強(qiáng)度略低于鋼材，在五軸機(jī)床中進(jìn)行裝夾定位時(shí)，如果對(duì)被加工零件施加較大的夾緊力會(huì)產(chǎn)生形變或在零件表面留下裝夾痕跡。在葉輪裝夾定位時(shí)如果夾緊力過小，則可能使零件無法夾緊，使得加工中存在一定的安全隱患。因此，在裝夾定位時(shí)，應(yīng)使用特定的夾具，在葉輪中心打一個(gè)孔，將壓緊拉釘穿過中心孔，從而夾緊底部的夾具。

在五軸機(jī)床的加工過程中，被加工零件的受力情況較為復(fù)雜，而大部分的加工人員會(huì)采用以往的定軸加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定刀具轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給和刀具切削深度等一系列的加工參數(shù)，很可能導(dǎo)致試切削過程產(chǎn)生廢品[4]。在利用五軸機(jī)床加工零件時(shí)，切削刀具與被加工零件之間產(chǎn)生的切削力直接取決于編程過程中輸入的切削層厚、切削寬度、被加工零件的材質(zhì)和進(jìn)給量等，因此通過VERICUT 軟件模擬被加工零件的綜合影響因素，檢測(cè)機(jī)床瞬態(tài)受力情況。

2 加工方案

鋁合金葉輪的外形輪廓如圖1 所示，可知該零件的待加工位置較多，并且大部分的待加工位置具有薄壁曲面特征，定位精度和加工精度的要求相對(duì)較高。由于鋁合金的強(qiáng)度和剛度差，熱膨脹系數(shù)較大，容易在加工過程中變形，需要深入考慮鋁合金葉輪的加工工藝方案，以保證零件的加工精度[5]。

圖1 鋁合金葉輪

在進(jìn)行五軸數(shù)控加工時(shí)，需要根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及裝夾定位位置等綜合制訂數(shù)控加工方案。在五軸葉輪的加工方案中，可以選用五軸聯(lián)動(dòng)加工方式，也可以采用“3+2”定軸銑削的加工方式。在試切削前，需要通過VERICUT 軟件模擬這兩種方式來選擇最終的加工方案，如圖2 所示。

圖2 加工方案選擇及確定

2.1 五軸聯(lián)動(dòng)加工

五軸聯(lián)動(dòng)加工與傳統(tǒng)的三軸、四軸定軸加工相比，需要旋轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)軸的參與，有可能產(chǎn)生非線性的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差。在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，為了避免出現(xiàn)此類誤差，可以通過數(shù)控系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)刀具中心（Rotation Tool Center Point，RTCP）功能來解決[6]。在使用五軸加工編程軟件時(shí)，若加工工序改變需要采用不同長度的刀具進(jìn)行加工，則直接輸入刀具補(bǔ)償值即可。使用RTCP 功能有效解決了刀具更換及刀具磨損需要重新編程的問題，在相同的加工環(huán)境中，提高了機(jī)床的加工效率，降低了機(jī)床的操作難度。

采用立銑刀進(jìn)行葉輪的型腔加工時(shí)，加工參數(shù)如下。刀具選擇直徑為6 mm 的立銑刀，進(jìn)給為F3000，切削厚度為0.6 mm，采用五軸聯(lián)動(dòng)方式加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工屑厚如圖3 所示，可見加工時(shí)被切削的屑厚比較穩(wěn)定，屑厚最大值不超過0.33 mm，而且編程值與VERICUT 軟件優(yōu)化值匹配度較高，這說明五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中的切削力相對(duì)穩(wěn)定[7]。

圖3 五軸聯(lián)動(dòng)加工屑厚

五軸聯(lián)動(dòng)軸向深度如圖4 所示?？梢钥闯觯遢S聯(lián)動(dòng)加工時(shí)軸向深度的進(jìn)給相對(duì)平穩(wěn)，長期保持在4 mm 左右。在一定時(shí)間點(diǎn)，軸向深度出現(xiàn)了快速增加，這是由于隨著五軸機(jī)床搖擺頭的擺動(dòng)，刀具需要向被加工的葉輪型腔移動(dòng)，進(jìn)而使刀具進(jìn)給方向的軸向深度增加，但不會(huì)導(dǎo)致切削力的急劇增加。

圖4 五軸聯(lián)動(dòng)軸向深度

五軸聯(lián)動(dòng)體積去除率如圖5 所示?？梢钥闯?，五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)體積去除率在加工過程中基本穩(wěn)定在8 000 mm3·min-1。隨著五軸機(jī)床搖擺頭的擺動(dòng)，體積去除率會(huì)逐漸增加，但持續(xù)時(shí)間較短，因此葉輪所受切削力也會(huì)隨之變化，影響時(shí)間較短。

圖5 五軸聯(lián)動(dòng)體積去除率

2.2 五軸定軸“3+2”加工

對(duì)于一個(gè)薄壁曲面的鋁合金葉輪零件來說，如果要加工零件表面的一個(gè)平面，不僅需要考慮機(jī)床本身的幾何精度和零件的裝夾精度，還需要考慮五軸機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)功能和加工方式。五軸機(jī)床的定軸加工適用于特定的平面加工，考慮編程數(shù)據(jù)時(shí)，由于加工刀具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況和編程數(shù)據(jù)一致，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)無須單獨(dú)針對(duì)數(shù)控程序再次計(jì)算數(shù)據(jù)，其編程數(shù)據(jù)與普通的三軸機(jī)床數(shù)據(jù)較為相似。但是，五軸機(jī)床的定軸“3+2”加工方式和普通加工中心仍存在差異。五軸機(jī)床采用“3+2”定軸加工方式時(shí)，編程過程中相關(guān)的補(bǔ)償信息和機(jī)床幾何尺寸信息均由機(jī)床自身的數(shù)控系統(tǒng)完成判斷。而普通加工中心的“3+2”加工方式在編程時(shí)，必須考慮機(jī)床的幾何尺寸以及裝夾零件的夾具尺寸，綜合考慮這些因素會(huì)提升編程的難度[8]。

采用立銑刀進(jìn)行葉輪的型腔加工時(shí)，其加工參數(shù)與五軸聯(lián)動(dòng)加工方式相同。五軸定軸屑厚如圖6 所示。在五軸定軸“3+2”加工時(shí)，由于采用定軸方式，平面層切時(shí)為了保證加工精度，屑厚相對(duì)較薄，加工效率相對(duì)較低。

圖6 五軸定軸屑厚

五軸定軸的軸向深度如圖7 所示?？梢钥闯?，五軸定軸“3+2”加工時(shí)，軸向深度的進(jìn)給呈階梯狀，沒有保持長時(shí)間的相對(duì)穩(wěn)定，最小軸向深度在0.2 mm左右，最大軸向深度在11 mm 左右。在一定的區(qū)間內(nèi)，軸向深度不斷重復(fù)變化，葉輪會(huì)受到變化較大的切削力，可能會(huì)降低葉輪的精度。

圖7 五軸定軸軸向深度

五軸定軸體積去除率如圖8 所示?？梢钥闯?，五軸定軸“3+2”方式加工時(shí)，體積去除率基本穩(wěn)定在12 000 mm3·min-1，但是體積去除率在加工的起始段會(huì)有一個(gè)激增，使葉輪受到較大的切削力。在體積去除率曲線中，每隔特定的加工時(shí)間，體積去除率會(huì)有一段較低的情況，因此體積去除率時(shí)大時(shí)小，被加工的葉輪也會(huì)受到切削力變化的影響，可能使葉輪在加工過程中受到切削力的沖擊，從而變形或熱膨脹。

圖8 五軸定軸體積去除率

2.3 方案對(duì)比分析

通過VERICUT 模擬，從屑厚、軸向深度和體積去除率3 個(gè)方面綜合對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工方式的加工效率高于五軸定軸加工，而且五軸聯(lián)動(dòng)加工能夠在一定程度上減緩被加工零件的切削應(yīng)力變化，降低被加工零件的熱膨脹變化，保證鋁合金零件的加工精度，提高加工效率。

3 結(jié)語

五軸數(shù)控機(jī)床在整個(gè)零件加工過程中，受力情況相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于葉輪類的薄壁曲面零件，切削力的變化會(huì)使鋁合金零件發(fā)生應(yīng)力變形或過熱膨脹等一系列問題，最終影響整個(gè)葉輪的加工精度。在進(jìn)行五軸鋁合金葉輪加工時(shí)，采用VERICUT 軟件對(duì)兩種不同的加工方式進(jìn)行模擬再加工，可以有效避免編程失誤引起的加工干涉、撞刀等安全問題，降低試切削成本，提高試切削成功率。