上冠流道面開槽的數控加工研究

司亮， 李樹偉， 陳梓萱

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

水輪機模型轉輪是重要的部件，加工精度要求高。采用分體的結果，由上冠、葉片和下環3種部件組裝而成，為了保證葉片的裝配精度，在上冠流道面開出配合槽，葉片上加工出配合的上冠部分，進行嵌入上冠完成精確葉片的定位。針對這種空間槽要求進行數控編程加工。

1 加工工藝分析

上冠的理論形狀（如圖1）。在流道面上均勻地加工出配合用的深槽。槽的立面于軸線平行，外端的立面矮，內端的立面高，底面是空間的曲面。要求進行配合，立面必須進行精修與葉片配合。

對于這種空間槽型，必須采用數控加工完成。槽是沿著圓周分布，槽深并且數量多。工藝上是先進行車削完成上冠的輪廓，然后，通過數控加工完成整體摳出深槽，最后進行精修實際配合葉片。

圖1 上冠的理論形狀

2 數控加工方法的研究

2.1 粗加工的數控加工方法

通過拔模角陰影分析，槽是沿軸線方向的深度（見圖2）紅色部分說明該面是垂直方向，沒有倒扣角的存在，可以用三軸聯動數控設備進行加工，整體摳出的數控加工工藝方案。粗加工的目的是快速去除多余材料，我們通過三維區域清除策略來實現高速加工。

有關高速加工技術的研究可以追溯到20世紀30年代，由德國物理學家索羅門博士所提出并獲得德國專利的高速切削技術，有的資料也稱為索羅門原理，即每一種被加工材料都有一個臨界切削速度，在切削速度達到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，而當切削速度達到普通切削速度的5~6倍時，切削刃口的溫度開始隨著切削速度的增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小［1］。

到目前為止，理論上對高速切削加工沒有形成一致的概念。一般可以用兩個指標來衡量：1）高轉速，主軸轉速在1200 r/min；2）快進給量，每分鐘幾十米甚至幾百米。早期我們采用的是常規的數控編程方法，使用區域加工策略，由于空間槽存在上高下矮的立面，使用區域加工會產生大量的空走刀路（見圖3），浪費加工時間嚴重，上冠上有圓周分布的15~30個槽，數量多，批量大，對于提高加工效率是很有意義的工作。

在這里采用了專業的數控編程軟件進行數控加工編程，使用了三維模型區域清除的策略，依據毛坯的大小，通過小切削深度和大進給量來實現高速加工，輪廓和賽車線光順，刀路連接也處理光順，沒有切削力突變和尖角轉向的現象，給定主軸轉速1500 r/min，切削進給率2000 mm/min，下切進給率300 mm/min，掠過進給率5000 mm/min，粗加工完成所用時間是24 min46 s。而早期的區域加工的時間是1 h6 min3 s，主要是常規方法存在大量的尖角轉向和空走刀路，切削速度無法提高。為了進一步提高效率，使用了賽車線加工技術，隨著刀具路徑切離主形體，粗加工刀具路徑將變得越來越平滑，這樣可以避免刀具路徑突然轉向，從而降低機床負載，減少刀具磨損，實現高速切削，可以計算出符合高速加工工藝要求的高效的刀具路徑，大大減少了刀具路徑的空行程，因而也減少了不安全的切入和切出刀具路徑段，在提高效率的同時保證了刀具安全。

2.2 半精加工、精加工的數控編程方法研究

在半精加工、精加工中，采用了SWARF精加工的策略，使用驅動曲線來進行控制刀位軌跡，可以求出非常優化的軌跡，使得刀路軌跡光順，而且，切削點分布均勻，有效提高了表面質量。由于SWARF精加工策略的條件是合并和偏置向上兩種。使用偏置向上，依據上限條件是頂部，這樣計算出的刀具路徑在流道面自動中斷，用連接方式將每段刀具路徑直接連接起來（見圖4），這樣的刀具路徑安全可靠，優化處理效果好，可以大幅度提高加工效率。

圖3 平行刀路存在大量空走的刀路

圖4 偏置向上的刀具路徑

由于是配合的槽，要求進行精修加工，進行實際配合葉片，這時要求高精度的數控加工，就要采用SWARF精加工中的合并條件，去掉了每段的連接，形成連續不斷的路徑，確保刀具路徑連續沒有斷點，行程完全封閉的路徑，這樣加工處理的槽表面質量高，非常適合配合面的加工。

3 數控加工的仿真模擬

數控編程都要求進行模擬仿真操作，刀具路徑、刀具、夾具進行過切和碰撞性檢查。在計算生成刀具路徑時已經進行了自動檢查，并提示刀具路徑當前的狀態。在數控編程軟件內部也可以進行ViewMill，檢查激活刀具路徑的碰撞或過切，可以計算出碰撞的深度，調節刀具。計算過切區域，進行分割刀具路徑。在碰撞和過切檢查完畢，可以確定刀路安全（見圖 5）。

圖5 仿真模擬檢查

4 結論

通過對上冠流道面配合槽的數控加工，提高了產品的質量。使用了高速加工的理論指導數控加工，保護了數控機床，減少了刀具的模式，提高了加工的效率，實現了大批量生產，有效保證了轉輪模型的質量。

［1］ 朱克億.PowerMill高速數控加工編程導航［M］.北京：機械工業出版社，2012.