基于HyperMILL的整體葉輪五軸數(shù)控加工*

張文祥 韓 江

（①合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)培訓(xùn)中心國(guó)家級(jí)示范中心，安徽合肥230601;②合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

五軸加工技術(shù)充分利用刀具的最佳切削點(diǎn)或通過進(jìn)一步優(yōu)化刀具和工件的位姿角來進(jìn)行切削，從而獲得更高的切削效率和更好的加工表面質(zhì)量。CAM技術(shù)是五軸數(shù)控加工中關(guān)鍵技術(shù)之一，以CAM技術(shù)加工高復(fù)雜性零件，解決普通三軸數(shù)控機(jī)床所不能解決或解決不好的加工問題。

1 葉輪五軸加工工藝規(guī)劃

整體葉輪經(jīng)常運(yùn)用于離心壓縮機(jī)上，作為離心壓縮機(jī)上轉(zhuǎn)子的主要部件之一，驅(qū)動(dòng)氣體的流動(dòng)。整體葉輪主要由葉片、輪轂兩大部分組成，其中葉片和輪轂交界處即葉根，由于葉輪氣動(dòng)性的需要常加工為變圓角過渡。本文所研究的葉輪是半開式交錯(cuò)葉片葉輪，如圖1所示。

1.1 葉輪加工工藝難點(diǎn)分析

本次所加工的葉輪除了大葉片、小葉片、流道、輪頂以外，錐軸和螺紋連接部分也要進(jìn)行加工，它們是一個(gè)整體，所以在工藝上除了運(yùn)用五軸削銑以外還要用到車削和攻絲。此葉輪的最大外徑為35 mm，且有9個(gè)大葉片和9個(gè)小葉片，葉片的厚度約為1 mm，葉片的出口角約為76°，大小葉片的間距約為3 mm，材料為L(zhǎng)D5。可以分析出此葉輪的加工難點(diǎn)為:

（1）葉輪整體尺寸較小，流道較窄，且相鄰大葉片之間有小葉片存在，對(duì)刀具的尺寸形狀要求和剛度要求較高，刀具的成本也隨之變高。

（2）不能一次加工成形，要通過兩種機(jī)床兩次裝夾才能完成，加工位置精度很難控制。

（3）整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴(yán)重，并且有明顯的后仰趨勢(shì)且有副葉片，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度較大。

（4）其運(yùn)行效率不能小于75%，對(duì)葉片和流道加工表面質(zhì)量要求較高。

1.2 葉輪加工階段的劃分

毛坯的形狀、尺寸越接近整體葉輪的設(shè)計(jì)造型，所消耗的材料和加工工時(shí)越少，但過度追求形狀逼近會(huì)增加制造毛坯的費(fèi)用。因此考慮這些原因，將整體葉輪的毛坯形狀選為φ40 mm棒料，長(zhǎng)度60 mm。本次葉輪不能一次加工成形，根據(jù)圖紙的要求，遵循保證加工效率和加工精度的原則，把此葉輪按照加工的設(shè)備劃分為:數(shù)控車削和攻絲、五軸加工兩個(gè)加工階段。

（1）數(shù)控車削和攻絲階段 為了使葉輪能夠在五軸機(jī)床上一次加工成形，減小多次裝夾造成的誤差，選擇數(shù)控車床一次把毛坯加工成形，加工過程的參數(shù)，如表1所示。

程序

（2）五軸加工階段 此階段主要分如下幾道工序:

①葉輪粗加工:對(duì)葉輪進(jìn)行開粗，主要是去除葉輪葉片和葉片之間的余料也起到對(duì)葉片粗加工的作用，為下一步的葉片精加工做準(zhǔn)備。

②葉片精加工:對(duì)葉片進(jìn)行精加工。葉輪的葉片分為長(zhǎng)葉片和交錯(cuò)葉片兩種形式，如果是交錯(cuò)葉片形式還要分別進(jìn)行大葉片精加工和小葉片精加工。

③流道精加工:對(duì)葉輪進(jìn)行粗加工時(shí)就相當(dāng)于進(jìn)行了葉輪的葉片和流道的粗加工，所以最后可以直接進(jìn)行流道的精加工即可。

（3）葉輪加工設(shè)備 本葉輪加工運(yùn)用MIKRON UCP 800機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC 530，機(jī)床各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，此機(jī)床系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度極快，程序的預(yù)讀功能強(qiáng)且可輕松地實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化，提前計(jì)算輪廓控制加加速（Jerk）算法且完全支持高速加工。

（4）葉輪加工CAM軟件 本葉輪的五軸加工部分采用專業(yè)的多軸加工軟件HyperMILL進(jìn)行加工。HyperMILL具有葉輪加工的專用模塊，具有很高的智能性，減少了大量繁鎖的設(shè)置過程，使用者只要按照提示進(jìn)行少量的設(shè)置即可得到葉輪從五軸粗加工到精加工的安全、高效率的刀具路徑。可以大幅度提高葉輪的編程和加工效率［2］。

（5）葉輪加工刀具選擇 在進(jìn)行粗加工和流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑的刀具，在滿足葉片長(zhǎng)度的情況下刀具伸出部分應(yīng)盡可能的短。精加工時(shí)選擇帶錐度的球頭刀，錐度有利于提高刀具的剛性，但錐度不宜太大。在加工葉片時(shí)為獲得較好的表面粗糙度，一般采用讓刀具與曲面成一定角度的側(cè)銑法進(jìn)行加工，所以刀具的刃長(zhǎng)一定要大于葉片的長(zhǎng)度。根據(jù)以上原則，本次葉輪的外形輪加工時(shí)選擇了φ6 mmR0.5 mm 8°硬質(zhì)合金錐銑刀。

表1 數(shù)控車削工藝參數(shù)表

表2 MIKRON UCP 800主要參數(shù)

表3 葉輪五軸加工工藝參數(shù)表

2 葉輪五軸加工

2.1 葉輪五軸加工的工藝參數(shù)

由于葉輪的葉片太薄，吃刀量過大容易造成葉片的變形與斷裂，太慢又嚴(yán)重影響加工效率;而切削速度太慢容易造成表面擠壓變形，過快又容易造成表面的顫紋;進(jìn)給速度太快容易造成表面應(yīng)力過大，太慢則達(dá)不到加工的目的。本文的切削參數(shù)是根據(jù)刀具的材料、機(jī)床性能、加工材料及操作者的多年工作經(jīng)驗(yàn)和多次切削試驗(yàn)得來。加工過程的工藝參數(shù)，如表3所示。

2.2 葉輪五軸加工軌跡生成

本葉輪的五軸部分由HyperMILL軟件進(jìn)行加工，通過對(duì)葉輪模型的處理，對(duì)加工方法的選擇，對(duì)刀具的選擇，對(duì)軟件參數(shù)的設(shè)定和對(duì)高速加工路徑的規(guī)劃，葉輪五軸加工軌跡生成過程和加工方法，如表4所示［3］。

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2.3 葉輪加工代碼生成

在HyperMILL后置處理構(gòu)造器中根據(jù)機(jī)床的特性設(shè)定好機(jī)床的坐標(biāo)參數(shù)與旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的各命令功能設(shè)置編輯后置處理器。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和對(duì)Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)命令的翻譯，可把加工得到的刀軌文件轉(zhuǎn)換成符合MIKRON UCP 800 NC機(jī)床的NC代碼，如圖2所示。

2.4 葉輪加工結(jié)果與精度檢驗(yàn)

通過MIKRON UCP 800 NC機(jī)床完成零件加工，如圖3、圖4所示。最后通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)附合加工精度要球且實(shí)際運(yùn)行效率高于所要求的75%。

3 結(jié)語(yǔ)

葉輪是在高旋轉(zhuǎn)速度下工作的零件，對(duì)制造要求的水平非常高，制造質(zhì)量對(duì)葉輪的性能有著重要的影響，因此要制造出與設(shè)計(jì)要求相符的葉輪，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證。

［1］任濤.整體葉輪的五軸數(shù)控編程與加工［J］.現(xiàn)代制造，2009（2）:122－125.

［2］JAE－WOONG YOUN.Interference－free tool path generation in fiveaxis machining of a marine propeller［J］.INT.J.PROD.RES.，2003，41（18）:4383－4402.

［3］黃正浩.用HyperMILL進(jìn)行葉輪加工［J］.航空精密制造技術(shù)，2009（2）:40－41.

［4］Roth，David，Bedi，et al.Generation of swept volumes of toroidal end mills in five－ axis motion using space curves［A］.Proceedings of the Symposium on Solid Modeling and Applications［C］，1999:306 －311.