葉輪流道五軸粗加工刀路的自適應層切法研究*

楊偉民，樓天良，朱堂葵，甘文峰

(1.義烏工商職業技術學院機電信息分院，浙江 義烏 322000;2.浙江大學機械工程學系，杭州 310027)

0 引言

整體葉輪是流體機械中一個不可或缺的重要部件，在壓縮機、鼓風機和水泵中有廣泛的應用［1］。其流道是根據透平式流體機械內部的真實流動狀況而設計的，能大幅度的降低能耗。整體葉輪的成形并非葉片單獨加工然后焊接在輪轂上而成，而是在單一毛坯體上經過流道開槽粗加工、半精加工、葉片表面精拋光等一系列工序成形。其中粗加工工序作為對毛坯的第一道操作，其目標是快速去除大量材料，初步形成工件形態，留下比較均勻的加工余量，為后續半精加工和精加工做準備。因此，刀具路徑的規劃對加工效率和加工質量有著重大影響。

為此，許多學者對針對整體葉輪的粗加工提出過多種刀具路徑規劃方法。葉輪的幾何模型復雜，一般研究中都把葉片曲面近似成直紋面［2］，李亢［3］提出了一段分段近似的方法。曹利新［4］針對大小葉片的配置，提出了一種三角形刀路，避免誤切小葉片。吳廣寬［5］提出先規劃后剪裁的算法，保證刀路既不重復，也不過切。于源［6］則采用不同半徑的刀具，分多級進行粗加工切削。張學超［7］研究了閉式葉輪的特殊形狀，詳細描述了邊界參數點的確定、切削行參數劃分、走刀步長確定和型值點網格化等四個步驟。但是上述的研究都沒有考慮到分層曲面的曲率特性。

本文將從葉輪的幾何形狀出發，分析加工條件，確定工藝參數，提出自適應層切法策略，生成優質高效的加工刀路。

1 整體葉輪流道幾何模型

如圖1所示為待加工葉輪的三維幾何形狀，圖2為葉輪待加工的流道區域，它是由吸力面Ssuction、推力面Spressure和輪轂Shub圍成的一塊材料Vchannel。吸力面和推力面分別是由雙準線掃掠而成的直紋面。其中吸力面的兩條準線參數方程為P(u)和Q(u)，面上的點S(u，v)可以表示為式(1):

圖1 整體葉輪

圖2 流道毛坯

相應地，推力面的兩條準線方程為P*(u)和Q*(u)。兩面的相應準線之間只相差一個繞葉輪軸線的旋轉運動，如式(2)所示。

2 自適應層切法刀路生成

層切法刀路生成是通過從毛坯最外表面一層層向輪轂曲面偏置，在每層曲面上安排刀具路徑。首先將加工區域分為若干層，如圖3所示為第i層曲面。然后每一層加工曲面又分解成若干條刀具路徑，如圖4所示為第 i層中第 j條曲線 Ci，j和第 j+1條曲線

圖3 其中一層待加工曲面

圖4 待加工曲面層內的刀路

在已有的文獻和傳統的UG、HYPER Mill等商用軟件中［8-9］，層切刀路按均勻參數取值，各層刀路條數是相同的。然而從整體葉輪的幾何模型可以知道，待加工的流道材料呈現外寬內窄的不均勻分布特性。在靠近輪轂部分，由于流道變窄，如果使用同樣數量的刀路的話，路徑會變得擁擠冗余。冗余無效的走刀不僅無益于粗加工，而且增加了工時，降低了效率。因此，本文提出一種自適應的層切路徑，刀具路徑的條數根據該層的寬度和殘留高度來確定。

首先將其中的參數v∈［0，1］平均分成n等份取定值，即令(式中 i=0，1，2，…，n)，結合式(1)即可得到吸力面上的等參數曲線:

則對于流道Vchannel，每一層的待加工曲面都可以由曲線族 {Ci，θ(u}) 表達，其中每一條曲線 Ci，θ(u)皆為在吸力面上的等參數曲線Si(u)旋轉不同的角度θ所得。即:

自適應層切法的關鍵在于，其中每一條曲線Ci，θ(u)在本層曲面內并非均勻分布。由于每層的寬度并不相同，不能使用相同的曲線間隔。為了使得每次走刀的切削量均勻，減少刀具磨損，提高刀具壽命，保證加工質量，根據本層曲面的曲率情況，并結合殘留高度的定義［10］來計算相鄰曲線的間隔L，如圖5所示。圖5a、5b、5c分別表示凹曲面、平面和凸曲面三種情況下，曲面曲率半徑R、球頭刀半徑r、殘高ε和球頭刀在兩個不同位置時與曲面的切點的間隔L(即兩條曲線的間隔)之間的幾何關系。

圖5 曲面層內曲率情況與曲線間隔計算

由圖可以得到，本層內第j條曲線與第j+1條曲線的間隔可由下式(5)計算:

式中R為層切曲面在當前點的曲率半徑，r為球頭刀半徑，而ε是預先設定的殘留高度，在粗加工可以設為r/2。而曲線之間的旋轉角度間隔為θj，可按式(6)計算獲得。

式中RP為外準線在當前點到葉輪中軸線的半徑。將θj代入式(4)即可得到本層中的各條刀具路徑{Ci，θj|j=1，2，3，…，i=const}，最后將每一層刀具路徑首尾相接，即為整個刀路{Ci，j}。

因此，自適應層切法的關鍵在于曲線間隔(也即刀具路徑的間隔)并不是一個常數，而是一個隨曲面曲率半徑變化而自適應變化的量，同時還能根據選用球頭刀的大小以及殘高調整間隔大小。

3 葉輪流道粗加工實例

利用上述自適應層切算法，生成葉輪的其中一條流道粗加工刀路，并在五軸機床上進行試切。毛坯材料為鋁合金，機床為Mikron UCP 800，相應的數控系統是Heidenhain iTNC 530，使用R3的球頭刀。原始毛坯是直徑為φ 100的棒料，經過車削端面、外圓和圓弧。直接裝夾在五軸數控機床上開始粗加工，加工結果如圖6所示。刀具對流道材料分層銑削，每層內的刀路疏密根據殘高條件安排，經過粗加工工序后得到的葉輪表面余量分布均勻，可以免去半精加工工序，直接進行精加工。從而，可以提高加工效率，降低制造成本。

圖6 整體葉輪的流道粗加工結果

4 小結

整體葉輪被稱為工業上的皇冠，其加工技術水平標志了一個國家工業發展程度。其中流道的加工質量直接影響了整個葉輪的成品質量。本文以整體葉輪為研究對象，深入研究其流道粗加工。針對現有層切法的不足，提出了一種基于分層曲面曲率狀況的自適應刀路規劃方法。經過試切驗證，該法不僅能高效切出流道，更保證了余量均勻，為下一步的精加工打下良好基礎。

［1］陳文濤，夏芳臣，涂海寧.基于UG＆VERICUT整體式葉輪五軸數控加工與仿真［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(2):102－104.

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