基于五軸機床的葉輪實體建模與加工

趙玉俠 狄杰建 高德文

（北方工業大學機電工程學院，北京 100144）

整體葉輪是發動機的重要組成部件，被廣泛應用于航空、航天及其他工業領域，其加工質量對發動機性能有決定性的影響。葉片在工作中要承受復雜應力和微震動，因此對整體葉輪材料、機械加工工藝等都有極高的要求。然而，其葉片型面通常為自由曲面，結構復雜。發動機葉片的加工工作量約占整臺發動機加工工作量的30%～40%。所以，葉輪的加工一直是技術難題，倍受各國工業界的關注。發達國家在五坐標高效加工方面開展了深入的研究，較好地解決了薄壁葉片的數控加工變形問題。但是，國內對葉輪加工領域的研究和應用同發達國家相比還有很大差距。針對這一情況，本文主要是依托北方工業大學數控中心擁有的DMU－60P五軸機床進行加工，選用Pro/Engineer軟件對實體葉輪進行造型，然后將模型導入到PowerMill軟件中進行自動編程，選取刀軸自動避讓功能，定義刀軸限界功能，避免了干涉問題，并生成NC程序，成功地將NC程序從PowerMill軟件中導入DMU－60P五軸機床。并以某離心式壓縮機整體葉輪產品為例進行了加工驗證，加工出了實體產品。

1 整體葉輪的實體造型

如圖1所示是某型號離心式壓縮機的基本組件之一，其幾何形狀可分為輪轂和葉片兩部分，葉片又包含包覆曲面、壓力曲面及吸力曲面。其中主要的參數有:葉片截面上的離散點的數據及包覆曲線、輪轂曲線、包覆端曲面和輪轂端曲面。

整體葉輪的實體造型主要包括創建葉片實體和輪轂實體兩部分。葉片曲面為光順性、連續性要求較高的自由曲面，其截面線是復雜的自由曲線，因此葉片實體造型難度較大。目前的主要造型思路是，先創建截面線，再采用通過截面線（Through curves）的方法進行葉片的曲面造型。輪轂的創建較為簡單，在草圖方式下創建截面線串，通過旋轉（Revolve）命令對截面線串旋轉，創建輪轂回轉體。可見，葉片實體的造型是整體葉輪造型的關鍵。

1．1 葉片的創建

1．1．1 葉片造型方法分析

葉片的實體造型是整體葉輪造型工作的關鍵部分，其設計要求較高，曲面特征也較復雜。葉輪的設計圖紙提供了葉片截面的點數據，輪轂曲面的旋轉曲面點數據，如圖2所示。葉片基于Pro/Engineer的曲面造型，通常采用通過截面線的方法。

1．1．2 建立葉片空間截面列表曲線點坐標

根據獲得的截面列表曲線坐標點，定義葉片的包覆曲線和輪轂曲線（圖3）。

分別完善葉片的頂部曲面、底部曲面、葉片前后方曲面后，初步形成葉片雛形，隱藏坐標系以及空間截面點坐標后，形成葉片實體建模（圖4）。

1．2 輪轂的創建

輪轂的創建較為簡單。本文是在草圖方式下創建截面線串，利用旋轉命令對截面線串旋轉，創建輪轂回轉體（圖5）。

1．3 創建整體葉輪

把生成的葉片實體進行復制、鏡像，生成6個葉片，并分別對每個葉片進行變倒角處理，將各個實體部分進行修正，最后創建整體葉輪實體（圖6）。

2 刀位軌跡生成

參數曲面加工的刀路生成方法包括等參數線法、等距截平面法、等距偏置法、等殘留高度法和自適應等參數法等。根據粗、精加工的要求不同，以及葉輪輪廓各部分曲面的不同，選用不同的走刀方式。本文中采用Pro/Engineer造型的葉輪實體模型，通過PowerMill內置的PS－Exchange軟件，直接轉換并導入到Power-Mill中。本次葉輪的加工就選用策略選取器中的葉盤加工。葉盤加工又分為葉盤區域清除模型、輪轂精加工、葉片精加工。

2．1 切削刀具的選擇

根據整體葉輪的曲面特征，分別為毛坯粗加工、輪轂精加工和葉片精加工選取不同的刀具。對于毛坯粗加工，選用環形刀具，有利于提高切削效率;對于輪轂精加工，由于該葉輪葉片間的流道細長，球形銑刀在銑削輪轂曲面時，易發生干涉現象，因此選用錐形球頭銑刀，有利于提高刀具的剛度;對于直紋葉片，選用圓柱銑刀（立銑刀）可以顯著提高切削的效率和質量。

2．2 刀具避讓及干涉檢查

五軸數控機床除了僅需一次裝夾定位即能完成復雜形體工件的全部加工，節省大量的加工時間外，還新增了自動避免碰撞功能，使自動五軸編程成為了現實。使用此功能，可以按照編程人員設定的碰撞間隙自動調整刀軸，在五軸加工不到的部位自動避讓刀軸，在五軸不會產生碰撞的部位又自動恢復五軸加工狀態。全部刀具路徑都經過過切檢查和機床仿真，從而保證了人員及設備的安全。

3 加工仿真和產生NC程序文件

3．1 葉輪的模擬加工

進行了刀具避讓和干涉檢查功能后，再進行另一項檢查就是模擬加工檢查。按照既定的加工策略和選擇好的刀具，以及生成好的走刀路徑，可以進行毛坯的粗加工、輪轂的精加工和葉片的精加工。

3．1．1 葉輪的模擬粗加工

葉輪的毛坯粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，在粗加工時應選用較大的進給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內切除盡可能多的余量，因此粗加工對毛坯的加工精度要求不高。為了提高毛坯的加工效率，選擇了三軸數控機床進行毛坯粗加工。葉輪的模擬粗加工如圖7所示。

與葉輪毛坯的粗加工相比較，輪轂精加工主要考察的加工指標是輪轂表面的加工精度。我們選用球頭刀按照輪轂曲面方向逐行走刀，加工出葉輪輪轂。在PowerMill軟件中，加工葉輪輪轂的模擬部分如圖8所示。

3．1．2 葉輪葉片的模擬精加工

葉片的精加工是加工葉輪的最后一步，葉片的加工工作量約占整個機器加工工作量的30%～40%。葉片在工作中要承受復雜應力和微震動，因此，對葉片的加工有極高的要求。葉片加工的質量是葉輪質量的關鍵。在PowerMill軟件中，葉片精加工的模擬部分如圖9所示。

3．3 NC程序文件代碼

經過刀具避讓、干涉檢查和模擬加工，確定無錯誤和失誤后，就可以將加工策略生成為走刀路徑，其后就可以將走刀路徑生成NC程序文件。

PowerMill的后處理文件采用的是文本結構，雖然目前Delcam公司并沒有公開其后處理文件的編制方法，但從目前發布的機床后處理文件分析，PowerMill后處理文件采用的是自然語言結構。用戶可以根據自己的需要，對后處理程序進行修改和優化。

4 實際加工離心葉輪

4．1 導入NC程序

要想將NC程序導入到五軸加工中心，首先就必須建立計算機、軟件和五軸加工中心之間的聯系。聯系方式就是建立TCP/IP協議，在IP address中填寫相應的地址。其次就是點擊鼠標把《Standard》中的上欄產生的NC程序名稱拖拽到下欄（圖10）。

4．2 實際加工葉輪

本文葉輪加工是利用Delcam－PowerMill軟件進行NC程序編程，并完成傳接，最終在北方工業大學數控中心DMU 60P hidyn五軸加工中心上完成加工。粗加工采用頂端噴射切削冷卻液，S=1 500，F=200，切削量=1.5 mm。粗加工完成的葉輪如圖11b所示。輪轂粗加工和葉片精加工的參數是 S=1 500，F=300，切削量=1 mm。精加工完成后的葉輪如圖11c所示。

5 結語

本文針對具有復雜型面的葉輪，通過Pro/Engineer進行三維實體造型，運用了PowerMill對整體葉輪加工軌跡進行了規劃、加工仿真，有效地避免了相鄰葉片之間由于空間小而產生的碰撞干涉，并生成NC程序，在DMU 60P hidyn五軸加工中心完成了某離心式壓縮機整體葉輪。該整體葉輪精度較高，可見選取的走刀路徑還是比較成功的，加工后的葉輪能滿足使用要求，誤差在允許范圍內。但由于受刀具材料和刀具長度的限制，導致刀具震顫和刀具硬度不夠，致使加工時間較長一些。實驗結果表明該方法是可行的，對復雜結構的造型、加工具有指導意義。

文中沒有考慮葉片加工中的受力變形問題。葉片在加工過程中是一個復雜的動態過程，刀具的切削力會使葉片產生變形，這使葉片加工的精度降低。葉片變形將成為后續研究工作的重點之一。

整體葉輪的五坐標數據加工要求比較嚴格，仍有許多問題需要完善，比如如何進一步提高加工質量和加工效率等。

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