整體葉輪五坐標加工與三坐標檢測一體化技術的研究

□李立玉 □王細洋 □朱志坤

南昌航空大學航空制造工程學院 南昌 330063

葉輪是透平機、壓縮機和泵等機械的核心部件，它被廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、石油化工及其它工業領域，其加工質量對本身性能有決定性的影響［1］。傳統的葉輪加工方法是將葉片分別加工成形后再將葉片焊接在輪轂上，這種加工方法不但加工效率低，而且葉輪的各種性能也差。五軸數控加工技術使葉輪的整體加工成為可能，整體葉輪是在同一毛坯上加工輪轂和葉片，但由于零件曲面復雜，葉片較薄、形狀復雜，葉片之間的表面干涉狀況明顯，刀軸矢量約束較多，精度要求較高，所以使數控加工的難度大大增加［2］。常規的檢驗手段很難進行檢驗，制造出的產品質量也不穩定。本文針對整體葉輪三維建模、五坐標加工，利用三坐標檢測技術對整體葉輪各種尺寸進行檢驗，完成整體葉輪設計、加工和檢測一體化。

1 整體葉輪的結構及幾何建模

1.1 整體葉輪結構

本文研究的葉輪是離心式壓縮機中的整體葉輪。整體葉輪是由若干個葉片和一個輪轂構成的，葉片均勻分布在輪轂上，相鄰葉片以及輪轂面構成葉片間的流道，并且每個葉片與輪轂間的連接處有一個倒圓角，以保證葉片與輪轂間的光滑過渡。葉輪出口直徑105 mm，葉輪進口直徑25 mm，葉片為自由曲面，葉片參數為：葉片數10，葉片厚度最薄處為1.65 mm，葉片間最小間距為4.63 mm，允許加工誤差e=0.01 mm。

1.2 整體葉輪的幾何建模

整體葉輪的建模可以分為兩部分：葉片曲面和輪轂曲面，這些曲面都是由離散點列構成的自由曲面。利用三坐標測量機對原型的幾何尺寸進行測量，掃描得到樣品葉輪表面上的數據點,但這些數據點是不能直接用于三維建模的，因為這些測量得到的離散點不能全面反映零件的幾何信息，所以必須要經過數字化處理才能用于建模。用數字化處理后得到的測量點采用三次樣條曲線進行插值,然后根據每一條樣條曲線的曲率梳對曲線的凹凸性進行分析調整，使其光順。光順的標準是只保持葉型有規律的拐點，去除其它多余拐點。然后將所得到的點集轉化成數據文件（.dat）。在UG 7.0上利用上面得到的離散數據點擬合生成光滑、準確的三次B樣條曲線，得到葉片的軸盤曲線和蓋盤曲線，并通過這些曲線生成葉片的直紋曲面,再進行縫合得到葉片的實體，如圖1所示。同理，得到輪轂的實體，如圖2所示，整體葉輪的造型流程如圖3所示。

2 加工方案及其兩類重要參數的選擇

▲圖1 葉片實體

▲圖2 輪轂實體

▲圖3 整體葉輪造型流程圖

整體葉輪的葉片采用了大扭角、大包角、直紋曲面等結構，這些結構特點對于銑削加工非常困難。同時，由于葉片曲面制造質量要求非常高，葉輪葉片比較薄，相鄰的葉片之間空間比較小，所以制造中會出現大量的干涉、過切等工藝問題，且自動生成無干涉刀位軌跡較困難。因此要制造出與設計要求相符的葉輪，不僅要有良好的加工方案，還要選擇合理的加工參數。

2.1 整體葉輪的加工方案

整體葉輪的葉片之間有大量的材料需要去除，并且由于每個表面的加工要求都有所不同。因此，在確定加工方案時要保證葉輪的加工質量、生產效率、經濟性和加工可行性，需要遵循基準先行、先粗后精、先主后次和分面加工的工藝原則。整體葉輪的加工主要包括整體外輪廓的加工、流道加工、葉片加工幾道工序。通常為防止加工時葉片變形，需要改進切削工藝，采取高速切削降低葉片在加工時的彈性變形。提高切削速度可降低切削區域溫度，改變切削成形原理，降低切削力，減少變形；同時改進加工路線，先加工剛性薄弱的葉尖部分，再加工葉根部分。其刀具總路線規劃如圖4所示。

▲圖4 刀具總路線規劃

根據上述工藝原則，將葉輪的加工劃分為3個階段：1）毛坯的整體粗精加工；2）葉輪流道的粗加工和精加工；3）葉片的粗加工和精加工。毛坯的整體粗加工可以盡快地切除葉輪各個表面多余的材料，加工出葉輪外輪廓基本形狀，接著粗銑流道以去除大部分多余的材料。由于流道的進口處和中間部分很窄，而流道的出口處較寬，所以，在粗加工中為了提高加工效率，較寬處用直徑較大的刀，用型腔銑銑出大致的流道形狀，較窄處用直徑較小的刀；由于流道很深，故需分若干層來銑削，每層走一定的切削深度。葉片采用側銑方法，粗加工后得出整體葉輪的基本形狀。另外，可根據實際需要設置半精加工工序，以去除拐角處多余的材料，生成加工余量比較均勻的表面，為精加工作準備。因為五軸數控機床性能較為全面，為了節省加工時間，提高效率，減少裝夾次數，葉輪的精加工在同一臺五軸數控機床上加工。先對葉片進行精銑，再對流道精銑，這個階段是葉輪加工的關鍵階段，它要保證葉片的加工精度和表面質量，葉輪在精加工后基本成形。

2.2 兩類重要加工參數的選擇

1）刀具的選擇。加工葉輪的刀具有很多種，但使用較多的有球頭銑刀、平底立銑刀以及圓錐球頭銑刀這幾種刀具。另外，針對被加工葉輪材料的不同，加工所采用的刀具或刀片材料亦有所不同，一般為高速鋼、硬質合金以及其它特殊材料制造。為了提高刀具的剛度和加工效率，可根據葉片之間流道的大小，盡量選用直徑較大的球頭刀，而且刀具的直徑要小于兩葉片間最小距離；為了提高加工精度，在精加工葉片和流道時，使用直徑較小的球頭錐柄棒銑刀。

2）刀軸控制。為了使流道加工時刀具不會與葉片曲面發生干涉，刀軸量應為流道兩側葉片曲面的矢量和，n1為刀軸矢量，n2、n3為流道兩側葉片曲面的矢量，n1=n2+n3，如圖5所示。

▲圖5 刀軸矢量分析

3 刀具軌跡的規劃

刀具軌跡規劃是根據零件的幾何模型、所用的加工刀具、刀具走刀方式以及加工余量等工藝參數進行刀位計算并生成加工運動軌跡，刀具路徑的生成方法主要有等參數線法、等截面線法、投影法以及等殘留高度法［3］。刀具軌跡的生成用得最多的方法是等殘留高度法，等殘留高度法基本思路是：采用曲面上一條曲線作為初始刀具軌跡，計算下一條軌跡，后條軌跡總是在前條軌跡的基礎上計算出來。同時，保持相鄰軌跡之間的殘留高度為小于給定設計誤差的常數，這樣重復計算直到曲面的邊界為止。本文采用等殘留高度法，根據等殘留高度來確定兩條軌跡之間的行距，這樣刀具路徑的各段直線段的最大逼近誤差相等，且為給定的逼近誤差；而且也避免走刀過程的重復進行，從而提高切削加工效率。

3.1 等殘留高度法行矩的計算

▲圖6 表面行距的計算

圖6中：L為行距，h為殘留高度，R為刀具的有效半徑，R′為曲面在刀觸點處垂直于刀觸點軌跡切線方向的法曲率半徑,Q點為刀軌之間殘留高度最高點。

對于平面：R′→∞

式中：θ為兩條刀觸點與圓心連線的夾角。

對于凸曲面：

以曲面的圓心為原點建立坐標系，當，y=0，Q的坐標可表示為：

式中：P=R′+R。

實際加工應滿足R′、R<

對于凹曲面，同理可推導得：

3.2 走刀方向

走刀方向是指刀觸點軌跡切線與最小主曲率方向所成的角度［4］。允許實際加工面在理想曲面以內（即不能有任何殘余量）稱為內允差；要求實際加工面必須在理想曲面以外（即不允許任何過切量）稱為外允差。對于特定的曲面主曲率k1和k2，給定的內外允差不同，邊界曲線的形狀也會有所不同。當λ=0時全為內允差，而當λ=1時則全為外允差，通常取0<λ<1，即內外允差同時存在。

為了取得最大的切削加工效率，最佳走刀方向應該是：給定曲面上的一點和該點的主曲率以及主方向，刀具沿所選的走刀方向運動時，刀具的有效切削刃盡可能地接近被加工曲面，以獲得最大的切削區域寬度。最小刀具傾角與給定的內允差值有關，當λ=1時，內允差為零，此時的刀具傾角為不發生過切的臨界值，該值只與曲面的最大主曲率有關，即β=arcsin（k2R），隨著內允差值的增大，刀具傾角逐漸減小；當λ=0時，內允差達到最大，此時的刀具傾角為滿足內允差要求的最小傾角限制刀軸傾角，就可以實現刀軸方向的控制，從而避免碰撞。

▲圖7 流道的細分

▲圖8 流道仿真加工

▲圖9 葉片側銑刀路

▲圖10 葉片仿真加工

4 數控加工的仿真

數控加工仿真通過軟件模擬加工環境、刀具路徑與材料切除過程來檢驗并優化加工程序，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等特點，是提高編程效率與質量的重要措施［5］［6］。根據前面的加工方案，粗加工出整體葉輪的外輪廓。然后對流道進行加工，本文采用了細分技術［6］對流道進行細分，如圖7所示，把流道的一個大直紋面做成若干的小直面，使加工時刀具與葉盆葉背面越來越逼近，有效地避免了干涉，如圖8所示。

由于葉片較薄，常規加工易變形，采用側銑方法進行加工可有效減少加工變形，葉片的側銑刀路如圖9所示，葉片的仿真加工如圖10所示。

5 三坐標測量檢測

利用傳統的檢測手段來檢測復雜零件不但復雜，而且很難準確地檢驗出細微的誤差。而利用三坐標測量儀卻能很好地檢測出零件的尺寸［7］，尤其是對于葉輪這種復雜曲面零件的測量。

將加工出來的整體葉輪在GLOBAL 091208三坐標數控測量儀上檢測產品幾何尺寸性能是否符合設計和使用要求，同時利用三坐標測量技術，可以對比產品的加工誤差和理論誤差之間的關系，這對分析誤差、優化設計加工過程、減少產品不合格率有著重大的意義。

6 結論

針對目前整體葉輪制造出的產品質量不穩定，且常規的檢驗手段很難進行檢驗的弊病，本文提出了整體葉輪設計、加工和檢測一體化的數控加工方法，該方法與傳統葉輪的數控加工方法相比，具有如下特點。

（1）通過逆向工程重構整體葉輪的數字模型比傳統測量得到的整體葉輪數據更加準確，加工出來的產品質量也更加符合要求。

（2）傳統的檢驗用一般的測量儀器對產品進行測量檢驗時有誤差，而且由于操作人員的經驗不同造成產品的質量不穩定，用三坐標測量儀對產品進行檢驗大大減少了外在因素的影響。

［1］張振明，許建新，賈曉亮，等.現代CAPP技術與應用［M］.西安:西北工業大學出版社，2003.

［2］蔣玲玲.葉輪零件五軸加工刀具軌跡規劃研究［D］.南昌，南昌航空大學，2009.

［3］嚴思杰，周云飛，賴喜善，等.多軸加工刀軌最優行距計算方法研究［J］.航空精密制造，2006(10)：35-41.

［4］張軍，劉笑羽，孫樹廷.數控銑床的自動編程和程序分析［J］.機床與液壓，2008，36（9）：182-183.

［5］Rajiv B Karadkar,S S Pande.Feature Based Automatic CNC Code Generation for Prismatic Parts［J］.Computer in Industry,1996,28:137-150.

［6］Gossard D C,Tsuchiya F S.Application of Set Theory to the Verification of NC Tapes［C］.the Metalworking Conf，North American，1978:103-142.

［7］李明.三坐標測量技術的應用與發展［J］.機械工人，2002（11）：11-12.