復雜曲面葉片的數控加工技術探討

劉國群，劉祖其，盧麗琴

（1.浙江萬向系統有限公司，杭州 311202；2.四川托普信息技術職業學院，成都 611743）

0 引言

2010年4月23至25日，由四川省教育廳主辦，四川航天職業技術學院承辦的2010年四川省職業院校學生《復雜部件造型、多軸聯動編程與加工》全國數控大賽預選賽。這次大賽由4個零件裝配而成，4個零件精度要求都高，零件1（如圖1所示）為車、銑復合件零件，件2、件3為車削零件，件4為銑削零件。4個零件加工部位包括環槽、封閉凹槽、凸起、圓角、錐度、光孔、切槽、內外螺紋及螺旋葉片等，尺寸精度和葉片加工已成為本次大賽的關鍵技術。考慮到篇幅內容太多，本文只對包含有葉片的零件圖件1進行了分析和研究。如圖1所示。筆者是這次省級選拔賽指導教師，成功解決了葉片數控大賽中的有關技術問題。現將這次大賽葉片數控加工介紹如下。

1 葉片的數控加工及關鍵技術

1.1 零件圖的分析

認真分析零件圖。了解零件的幾何尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等技術要求，了解零件的材料、毛坯種類、加工性能等。

1.2 葉片的數控加工方法

葉片加工的復雜性在于其葉身部分由復雜曲面組成。多年來，工業發達國家曾經先后研究出葉片的多種加工方法，如鑄造成形后修光法、石蠟精密鑄造法、電火花加工法、三坐標仿形加工等，這些制造方法不僅效率低，而且質量也差。如果采用四軸數控加工中心銑削葉片，具有加工工裝少、效率高、精度高、質量好等優點。

圖1 零件圖件1

1）葉片的數控加工工藝分析

零件圖件1完成車削加工后，應進行葉片加工。選四軸聯動加工中心（華中數控系統）銑葉片，四軸聯動的數控加工中心，可以加工出高質量的復雜曲面。裝有一個分度精密的旋轉工作臺，進行自由分度。將零件裝在旋轉工作臺上，用夾具將葉片樟頭固定在機床的旋轉工作臺上，另一端使用頂尖頂住葉尖尾部的工藝卡頭，這樣葉片就能隨機床的工作臺作旋轉運動，其旋轉軸通常為機床的a軸。只需一次裝夾,就可以完成葉根的全部加工任務，足以保證葉片的各個部分的精度達到設計要求。

在加工中，刀具沿機床的3個平移坐標方向作進給運動，形成刀具相對葉身的連續環繞運動軌跡。每換一把刀具都要對刀，每把刀具的長度必須很精確。加工路線分粗銑、半精銑、精銑三次切削。根據葉片的加工要求選用3把銑刀。01號刀:粗加工，選環形銑刀(ф12高速鋼 )；02號刀：半精加工，選球形銑刀 (ф8高速鋼 ): 03號刀：精加工，選球形銑刀(ф6高速鋼)。全部采用冷卻液降低銑削溫度，粗加工余量留0.5 mm ，精車余量留0.2mm。

2）葉片數控加工的關鍵技術

葉片加工一直是數控加工領域具有挑戰性的課題，其需要解決的問題復雜繁多，如葉片建模、葉片的加工方式選擇、葉片的過切、清根處理等。

1.2.1 葉片建模

葉片建模是數控加工的前提條件，根據葉片的設計數據或實物測量數據，應用CAD/CAM軟件功能方便直觀，可以直接在點、線、曲面、實體上產生刀軌，生成葉片的三維幾何模型。

1）構建截面線

按設計給定數據繪制出各個平面上的截面線，葉片是由五個截面相同的曲線組成，在建模時，先作出一個截面，葉盆和葉背上的型線均為自由曲線，進排氣邊緣為一段圓弧。

圖2 葉片截面線

圖3 葉片平滑效果圖

將各曲線光滑過渡，并保證各段曲線的連續。然后根據給定的扭轉角將各個平面上的曲線通過命令進行旋轉，得到一組空間曲線，如圖2所示。在建模時要考慮到后面的加工，因此在建模的時候將葉片的第一個截面沿順時針方向旋轉了20°。在后面加工的時候可以大大節約時間，省去了不少不必要的刀路。

2）構建曲面

在葉片截面完成后，將所得到的截面線通過創建、曲面等操作，可以得到葉片的葉身型面，用UG里面的曲面組的方式將截面連接起來，就可得到平滑后的效果圖，如圖3所示。從這個圖可以看出。葉片的背部形狀較規則，呈現出類似于圓柱面，較容易加工。

1.2.2 葉片刀具軌跡的計算

刀具軌跡生成是自由曲面數控加工的核心部分，在自由曲面的多坐標數控加工中，刀具軌跡的優劣直接影響其加工精度和加工效率。

1）刀具切觸點的確定

刀具切觸點，是指刀具在加工過程中與被加工零件的理論接觸點。從幾何關系上考慮，刀具與加工面的接觸關系為點接觸。如圖4所示。

圖4 不同刀具的切觸點

2）球形刀加工原理

采用球形刀端銑加工自由曲面，球形刀球面具有法矢自適應性，如圖5所示，球形刀刀心約束在加工曲面的等距面上，刀軸矢量則可以根據曲面形狀和約束面(包括導動面和檢查面)的形狀和位置而改變，不論刀具路徑如何規劃，只要刀具半徑小于被加工曲面的凹主曲率半徑，則不會發生局部曲率干涉，均能銑削出所要求的曲面形狀。

圖5 球形刀與加工表面的關系圖

圖6 走刀步長與殘留高度的關系

3）球形刀刀位計算如下

rco=rp+Rn

式中：rco：刀心的矢徑；

Rp：乍加工表面上切觸點p的矢徑；

R：刀具半徑；

n：加工表面在p點處的單位法矢量；

可將上式寫成分量的形式；

4）走刀行距的計算

走刀行距是指相鄰兩行刀具軌跡之間的最短線間距，用以確定刀具軌跡的疏密程度，其大小是影響曲面加工精度和效率的重要因素。因此，為了既滿足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有較高的生產效率，必須合理確定走刀行距。通常，用球形刀加工曲面時，刀痕在切削行間構成了殘留高度h，由圖6 (a)所示的幾何關系可以看出，殘留高度h與切削行寬度d之間的關系為:

若允許的最大殘留高度為εh，經推導可得切削行寬度:

式中R為刀具半徑；kb為加工表面沿切削行進給方向的法曲率，p=1/kb。

1.2.3 葉片的刀軸矢量計算與干涉分析

1）四坐標數控加工刀軸矢量的計算

四坐標加工的特點是刀具可以同時具有X，Y，Z三個方向和繞工件的轉動進給。轉動圍繞a加工軸，在采用球形刀加工時，球形刀端點與加工表面切觸時切削速度為零，切削性能較差，為了保持切削速度的相對穩定和加工質量，通常將刀軸置于葉片表面法矢和進給方向切向矢量所在的平面之內，此表面即球形刀端銑加工的擺刀平面。

2）干涉分析

數控機床加工葉片時由于刀具軌跡路線，刀具選擇等原因可能產生與工件的干涉，嚴重影響加工質量。在四坐標數控加工葉片曲面的加工過程，刀軸矢量常用的干涉修正方法有三種碰撞干涉類型：

（1）刀具與相鄰葉片之間的干涉：解決干涉方法最具代表性的將曲面離散化，采用截面法進行干涉檢驗，以刀觸點和刀具軸線構成截平面，根據截線與截線的位置關系進行干涉檢驗。當干涉發生時需對干涉刀位進行修正。修正的原則是保持切觸點不變，在可行域內搜索新的刀具矢量使用迭代法試刀具曲線與葉輪曲面的法矢重合。

（2）刀具與自身葉片之間的干涉：根據曲面法矢調整刀軸以減小待加工面過切的方法。根據曲面特征調整刀具加工軌跡并旋轉刀矢。對加工路線進行整體考慮以調整刀具。使用過小的刀具會使加工循環次數增多，降低效率。可在初期加工時使用較大半徑的刀具，在最終加工過程中使用較小半徑的球頭銑刀。本文采用最小距離追蹤的方法和自由曲面投影的方法對刀軸矢量進行干涉檢驗與修正。

（3）刀具與被加工區域相鄰區域之間的干涉：采用四坐標銑床加工葉輪時，刀具與被加工區域相鄰區域之間的干涉。多出現于葉輪表面曲率半徑小于刀具半徑，故在干涉分析時需要對曲面進行整體分析，確定最小曲率半徑，設定最大刀具半徑。按照等距面設計出的刀具軌跡不易產生該情況的干涉。

處理好以上三種碰撞干涉類型，就只需解決刀桿的碰撞干涉問題了。

1.2.4 葉片的加工方式設定

葉片的加工分三大步：把葉片擺放在旋轉工作臺上,并與機床主軸成90°的位置裝夾固定好。首先，加工兩個葉片的中間部分型線；然后將旋轉工作臺旋轉為正向設置的角度，加工葉片右邊的側面；最后再轉動工作臺為反向設置的角度，加工葉片的左面側面部分。加工時，每換一把刀具都要進行如此的步驟。

葉片通常是自由曲面，需要進行粗加工、半精加工和精加工。為了提高加工效率，葉片粗加工后，要注意兩個問題，一面是軸部，一面有頂針，銑刀都不能接觸，因此要設定兩個干涉面，如圖7所示，側面余量為0.3mm，底部面余量為0.5mm。

葉片粗加工后，葉片的余量較小，半精加工是球頭刀，因此只需要在軸部設定干涉面，球刀不會碰到頂尖。

葉片半精加工銑削過程：葉片中間輪廓→葉片右邊輪廓→葉片左邊輪廓→葉片中間端面半圓弧→葉片端面右邊半圓弧→葉片端面左邊半圓弧→葉片端面角度平面→葉片端面定位槽。葉片半精加工后的效果圖如圖8所示。

圖7 干涉面余量設置圖

圖8 葉片半精加工效果圖

1.2.5 葉片的清根處理

在四軸加工中，解決葉片的過切和清根方法如下：

1）采用螺旋式走刀方式，如果在軌跡拐角處增加圓弧走刀軌跡，就可以使刀具軌跡光滑平穩，螺旋式走刀方式的特點是切削軌跡是一段整體光順的軌跡，不分切削行，只有一次進刀和退刀軌跡，無橫向進刀。螺旋銑的優點是在加工葉身的過程中，刀具運動軌跡可保持連續，回繞葉片的加工方法。通道螺旋加工方法很好的利用了邊界交線，可避免刀具與邊界的過切，能很好的完成了葉片葉身部分的加工，在葉根處還可以完成清根加工。

2）刀具的主偏角越大銑削出來的曲面越光滑，流暢。但由于在大圓弧與小圓弧交替的地方銑刀擺動弧度較大，主偏角過大就會導致在圓弧連接處產生過切或劃傷曲面的表面，影響外觀，如圖3所示 葉片效果圖所選刀具的主偏角為30°。

3）在兩個圓角處，由于距離相對較短，刀具擺弧較大，容易過切。尤其是太薄的葉片，必須考慮過切、變形和刀具等因素。

1.2.6 葉片的精加工

圖9 精加工的刀軌圖

圖10 葉片清根刀軌圖

圖11 葉片精工結束圖

精加工選擇ф6的球形刀。葉片半精加工留余量為0.2mm，余量較小，因此在這個階段的精加工主要是保證葉片的外觀質量，通過干涉控制，表面粗糙度，步距，還有就是在精加工過程中，銑削葉根的過渡面時，確保葉片兩端的凸臺不受損傷應選球頭刀，只需要在軸部設定干涉面，球刀不會碰到頂尖。下刀時要考慮刀具的受力情況，下刀速度要嚴格控制。這樣才能保證葉片不會被下刀速度過快，由于慣性將葉片頂彎或過切。

精加工銑削過程：葉片中間輪廓→葉片右邊輪廓→葉片左邊輪廓→→葉片中間端面半圓弧→葉片端面右邊半圓弧→葉片端面左邊半圓弧→葉片端面角度平面→葉片端面定位槽。精加工的刀軌圖如圖9所示，葉片清根刀軌圖如圖10所示，圖11 為葉片精工結束圖。

葉片的數控加工：經過對鋁棒毛坯，球形刀等加工要素的準備后，在四川航天職業技術學院機械實訓廠,四坐標數控加工中心大賽現場上完成的。

1.3 編制銑削加工程序（葉片精加工程序部分）

葉片銑削加工有4段程序：A面粗程序（589條）、B面粗程序（661條）、半精加工程序（1201條）、精加工程序（1093條）。由于程序有3000多條，這里只提供極少部分精加工程序。

葉片精加工程序（少部分）

%9999

N0010 G54

N0020 G40 G49 G80

N0030 G17 G21 G90

N0040 T03 M06

N0050 G94 G0 G90 X.618 Y-2.068 A344.925 S2500 M03

.

N9990 X32.365 Y-12.473 Z-8.137 A209.616

N0010 X32.37 Y-12.366 Z-8.142 A209.77

.

N0900 G0 X35.683 Z11.15

N0910 Y7.516

N0920 Z16.663

N0930 Y-3.142

N0940 M30

2 結束語

在2010年四川省職業院校學生技能數控大賽《復雜部件造型、多軸聯動編程與加工》項目大賽中，通過校企人才資源合作，成功解決了葉片加工中刀具的干涉、過切和清根等關鍵性的技術問題。得到省評委會專家組的好評，榮獲四川省省級二等獎勵。針對葉片的數控加工技術首次引入高職教學中，所以本文較詳細地介紹了葉片的數控加工工藝、加工方法和數控加工中刀具的干涉、過切和清根等關鍵性的技術問題。可供葉片數控加工人員、高職學生、初學者及教師教學參考。

[1] 四川省教育廳《復雜部件造型、多軸聯動編程與加工》競賽說明書[Z],2010.4.

[2] 蔡永林,等.葉輪數控加工中的干涉檢查[J].中國機械工程,2007,10.

[3] 周正浩.軸流葉片四坐標數控加工研究[D].北京交通大學,2008.