整體式葉輪數(shù)控加工仿真與應(yīng)用研究

孔祥茹 黃鹿 趙康 雷新生 華峰

摘 要：通過分析整體式葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定其復(fù)雜曲面特征，從而進(jìn)行工藝可行性分析，確定加工工藝方案。基于CAM軟件NX8.5環(huán)境建立三維模型和刀路軌跡，通過UG/Post Builder后置處理器生成NC代碼，通過合理規(guī)劃整體式葉輪數(shù)控加工方案，達(dá)到提高加工效率、縮短生產(chǎn)周期的目的。

關(guān)鍵詞：整體葉輪;工藝方案;刀路軌跡;后置處理

0? ? 引言

整體式葉輪屬于復(fù)雜曲面體零件，作為系統(tǒng)中的主要?jiǎng)恿鬟f零件，在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于整體式葉輪一般多為高速旋轉(zhuǎn)件，因此葉片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且為提高產(chǎn)品性能，必須采用薄葉片、增大曲面彎曲弧度、減小葉片間隔等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在加工過程中易發(fā)生撞刀、干涉等問題，給生產(chǎn)加工帶來很大難度。因此，在正式加工前必須進(jìn)行數(shù)控加工程序仿真，以防止在實(shí)際加工過程中產(chǎn)生過切、干涉及碰撞等問題，另外通過優(yōu)化加工工藝參數(shù)，可有效降低生產(chǎn)成本，提高加工效率。

本文選用目前應(yīng)用較為廣泛的NX8.5軟件對整體式葉輪的復(fù)雜曲面加工進(jìn)行仿真研究，可以為合理規(guī)劃整體式葉輪數(shù)控加工方案、提高加工效率和加工精度提供一定的參考。

1? ? 整體式葉輪結(jié)構(gòu)特征與加工方案

1.1? ? 結(jié)構(gòu)特征分析

整體式葉輪是航空產(chǎn)品特別是環(huán)境控制系統(tǒng)產(chǎn)品中的核心功能性零件之一，整體式葉輪主要由輪轂、葉片、包覆面和葉根圓角等幾部分組成，根據(jù)性能需求有若干組葉片均勻分布在輪轂曲面上，如圖1所示。

一方面為使葉輪類零件滿足產(chǎn)品整體氣動(dòng)性要求，葉片多采用大扭角的復(fù)雜曲面與根部變圓角相結(jié)合的結(jié)構(gòu);另一方面為提升零件使用壽命，葉片根部過渡圓角表面質(zhì)量要求較高，這就加大了整體式葉輪的加工難度。根據(jù)本文具體示例，其加工難點(diǎn)如下：

（1）加工流道窄小、葉片長、剛度低，加工過程極易產(chǎn)生變形;

（2）相鄰葉片空間小，導(dǎo)致所用刀具直徑較小，刀具容易折斷;

（3）葉片面彎曲較大，呈明顯后仰趨勢，加工過程中極易發(fā)生干涉及碰撞。

1.2? ? 加工工藝方案

1.2.1? ? 材料與夾具選用

在保證強(qiáng)度的前提下，建議采用鋁合金棒材，切削性能較好;同時(shí)為保證葉輪加工質(zhì)量和加工效率，需在銑葉形前通過車加工使葉片徑向輪廓達(dá)到最終尺寸，以免在葉形銑削過程中因去除余量浪費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)也能更好地減少葉片變形。

從葉輪整體加工方案、裝夾找正效率及節(jié)省換裝時(shí)間考慮，夾具主要采用三爪卡盤和定位芯軸。

1.2.2? ? 刀具選擇

本文選用的葉輪具有六個(gè)長葉片和六個(gè)短葉片，且葉根圓角R為1.5 mm，結(jié)合高速銑削小切削、大進(jìn)給的加工特點(diǎn)，選擇4°R2和4°R1.5錐度球頭銑刀，刃長均為20 mm，材料為硬質(zhì)合金。

1.2.3? ? 整體葉輪加工工藝方案

根據(jù)整體葉輪實(shí)際加工需求，通常將葉形銑削分為：流道粗加工→葉片粗加工→葉片半精加工→葉片精加工→流道精加工→葉片圓角清根。

2? ? UG NX8.5環(huán)境下加工路徑規(guī)劃及后處理

2.1? ? 幾何體和刀具設(shè)置

UG NX8.5中已有葉輪編制模塊，只需依次選擇輪轂、包覆、葉片、葉根圓角等即可，軟件會自行計(jì)算。但需注意以下幾點(diǎn)：

（1）保證模型Z軸方向和安裝零件后刀軸方向一致;

（2）X、Y軸原點(diǎn)處于回轉(zhuǎn)中心，Z軸原點(diǎn)應(yīng)設(shè)定在加工時(shí)方便對刀的平面。

在試加工過程中發(fā)現(xiàn)精加工后的葉片尖邊有明顯的凹形圓角，這是葉輪模塊中出于清理毛刺的刀路考慮而由球頭刀自動(dòng)形成的，且無法消除，因此需要打開“高級”角色，找到“偏置面”選項(xiàng)，將包覆增厚一定尺寸（和精加工分層尺寸有關(guān)），并形成新的回轉(zhuǎn)體作為毛坯，消除其影響。

2.2? ? 輪轂（流道）和葉片粗加工

為提高加工效率，粗加工采用大切深、慢進(jìn)給的切削方式，本文中葉輪葉片最深處12.9 mm，加工中分兩層，轉(zhuǎn)速25 000 r/min，進(jìn)給速度2 000 mm/min，葉片側(cè)面和輪轂余量0.5 mm。需注意以下幾點(diǎn)：

（1）由于零件采用芯軸裝夾，粗加工時(shí)力量相對較大，容易造成芯軸拉斷和芯軸螺紋磨損加快，可以通過設(shè)置起始位置（小端面處向內(nèi)）和切削模式（單向），使切削力一直處于擠壓芯軸狀態(tài)。

（2）由于高速加工中心在運(yùn)行過程中要避免急停急轉(zhuǎn)，因此在設(shè)置非切削移動(dòng)時(shí)需打開“光順”移刀類型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)的平緩。

（3）在進(jìn)刀和退刀的過程中，應(yīng)沿設(shè)定的方向進(jìn)入、退出工件型面，避免刀具和工件及芯軸的碰撞，進(jìn)退刀盡量采用“沿刀軸”方向，以避免刀具與夾具、機(jī)床發(fā)生碰撞。

2.3? ? 輪轂（流道）和葉片半精加工

（1）葉片扭轉(zhuǎn)角大且呈波浪形，粗加工后余量不均勻，影響精加工質(zhì)量的情況下，需設(shè)置半精加工工序，以保證精加工時(shí)加工余量均勻。輪轂（流道）半精加工采用葉輪模塊中的精加工模塊，本文實(shí)例中切削參數(shù)設(shè)置如下：葉片余量設(shè)為0.2 mm，葉轂余量設(shè)為0.2 mm，其余默認(rèn)。驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置中，設(shè)置前緣、葉片邊緣點(diǎn)沿葉片方向，相切延伸設(shè)為2 mm，后緣與前緣相同。驅(qū)動(dòng)設(shè)置中，切削模式設(shè)為往復(fù)上升，步距設(shè)為恒定，最大距離設(shè)為0.5 mm。刀具選擇錐角為4°的D4R2錐度球頭銑刀，刀軸設(shè)為自動(dòng)。

（2）葉片半精加工時(shí)，精加工幾何體選擇葉片，切削層設(shè)置中，深度模式設(shè)為從包覆插補(bǔ)至葉轂，每刀深度設(shè)為0.4 mm。切削參數(shù)設(shè)置中，包覆余量設(shè)為0，葉片余量設(shè)為0.4 mm，葉轂余量設(shè)為0.5 mm。切削面選擇左面、右面、前緣，切削模式設(shè)為單向，其余默認(rèn)。刀具選擇錐角為4°的D4R2錐度球頭銑刀，刀軸設(shè)為自動(dòng)。

2.4? ? 輪轂（流道）和葉片精加工

（1）流道精加工驅(qū)動(dòng)方法中步距最大距離設(shè)為0.2 mm。切削參數(shù)中將葉片余量設(shè)為0.2 mm，葉轂余量設(shè)為0，其余默認(rèn)。其他設(shè)置與半精加工相同。

（2）葉片精加工切削層中將每刀的深度距離設(shè)為0.2 mm，切削參數(shù)中將葉片余量設(shè)為0，其余默認(rèn)。其他設(shè)置與半精加工相同。

（3）圓角精加工選用圓角精加工模塊，刀具選擇錐角為4°的D3R1.5錐度球頭銑刀。為保證葉根圓角、葉片及輪轂三者之間光滑連接，具備較高的表面質(zhì)量，在刀路設(shè)置上將輪轂和葉片各偏置0.2 mm，步距設(shè)為0.1 mm，其余默認(rèn)。

2.5? ? 基于UG/Post Builder的后處理

待切削參數(shù)及刀具軌跡設(shè)定完成后，即可生成刀軌文件（CFL），可以較好地模擬出刀尖點(diǎn)相對于加工坐標(biāo)系加工零件的整個(gè)過程，再根據(jù)數(shù)控設(shè)備的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制指令格式，將刀軌文件后續(xù)處理為NC代碼，從而控制機(jī)床進(jìn)行工件加工。

3? ? 結(jié)語

本文通過對整體式葉輪葉片部分加工方案進(jìn)行研究，分析了整體式葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工特性，選定了整體式葉輪數(shù)控加工刀具及加工程序。針對整體式葉輪的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了加工程序的創(chuàng)建，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了相應(yīng)加工參數(shù)，生成了刀路軌跡和機(jī)床數(shù)控加工NC代碼，極大地提升了葉輪加工效率和表面質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 秦錄方，孫濤，時(shí)四強(qiáng)，等.基于UG的整體葉輪數(shù)控加工仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（11）：98-102.

[2] 曾強(qiáng).葉輪類零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

收稿日期：2020-03-20

作者簡介：孔祥茹（1989—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)械制造及CAD/CAM數(shù)字化加工技術(shù)。