整體葉輪的高效精密加工研究

楊偉明

【摘 要】文章介紹了整體葉輪的用途和在各個領域發(fā)揮的重要作用，配備多軸數(shù)控機床的實際加工和NX12.0葉輪模塊的刀具路徑設置，系統(tǒng)地剖析了NX12.0葉輪模塊的各種用法，并結(jié)合具體案例，詳細分析了加工策略和加工工藝，相對于非葉輪模塊的刀具路徑設置，大大提高了程序設置的效率，降低了刀具路徑設置的難度，在加工策略方面做了對比和研究。

【關鍵詞】整體葉輪;多軸加工;高效;精密

【中圖分類號】TG661 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0108-02

當下，制造業(yè)的各類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復雜，其加工難度也隨之增大，但總體分析這些產(chǎn)品特點具有的共性是零部件都有復雜的曲面輪廓特征。例如：渦輪機葉片、螺旋槳葉片、葉輪葉片等，此類零件很難在普通的三軸數(shù)控機床上加工出來，因此四、五軸的多軸數(shù)控機床在加工復雜曲面的零部件時發(fā)揮了重要的作用。本文以NX12.0軟件為平臺、整體式葉輪為載體，針對整體式葉輪的結(jié)構(gòu)特點和加工難點，利用NX12.0軟件的葉輪模塊進行刀具路徑的設計，并利用五軸數(shù)控機床進行實際加工的驗證，相較于傳統(tǒng)的可變輪廓銑策略，在精度和效率上都有了很大程度的提高。

1 整體式葉輪結(jié)構(gòu)分析

葉輪作為壓氣機中一類關鍵性的零件，其結(jié)構(gòu)特點具有葉片薄，外形結(jié)構(gòu)復雜，各相鄰葉片間的間距小并伴有倒勾面，主葉片的面積大于分流葉片且長于分流葉片，所有的葉片依次沿著軸向均勻?qū)ΨQ分布等特點。而壓氣機的作用則是將外界的機械功持續(xù)地使起氣體壓縮，并及時地傳輸出去，所以分析葉輪的此種結(jié)構(gòu)，屬于薄壁類的復雜零件。使用場合的不同，材料往往也不同，加工方法也存在差異，由于葉片具有復雜曲面的外形特征，所以加工難度也比一般的普通零件要大;為了實現(xiàn)加工過程中不變形和精度的保證，對數(shù)控機床和加工刀具的要求也較高。此葉輪為整體式葉輪，其結(jié)構(gòu)特點如圖1所示，加工時的毛坯如圖2所示。

2 加工工藝分析

整體葉輪的加工一直是機械加工中的難題，其主要矛盾在于加工時間與加工精度、加工效率和加工質(zhì)量之間的矛盾。葉輪的加工毛坯通常都是圓柱狀的鍛造零件經(jīng)過車削后形成近似的圓臺或錐臺狀（如圖2所示）。在葉片與葉片之間有大量的材料需要去除，此外為了滿足葉輪氣動性的要求，葉片的設計通常采用的是根部倒圓角的設計和葉片本身大的扭角，這也給圓角清根造成了很大的困難。除此之外，還存在葉片流道間距窄小，葉片弧度過大，葉片相對較長，剛度較低，易變形等問題。這樣就要求在清角加工時需要的加工刀具直徑較小，刀具本身距離太短導致容易折斷和產(chǎn)生干涉的現(xiàn)象，高速切削的同時葉片扭曲比較嚴重，導致精度問題和切削效率降低。根據(jù)以上分析，在五軸機床切削加工時按照在鍛鋁材料上車削加工出回轉(zhuǎn)體的基本外形—粗加工流道部分—精加工流道部分—葉片精加工的思路進行刀具路徑的驗證和葉輪零件的加工。

按照加工之前既定的工序，設計加工工藝路線見表1，依照NX12.0葉輪模塊的順序依次對葉輪毛坯進行順序切削。首先對車削好的毛坯進行葉片粗加工，在加工的過程中需要依次指定輪轂、包覆、葉片和分流葉片，進行對此封閉區(qū)域多余材料的去料切削。在多葉片粗銑的策略中，刀軸選取自動模式，余量為使用葉片余量的方式;深度模式為從輪轂偏置恒定1mm的方式進行切削。運動輸出類型為圓弧-垂直于刀軸。加工策略及切削部位的刀具路徑軌跡如圖3所示。隨后對輪轂進行粗加工（如圖4所示），需要指定的部位依然與粗加工時指定的部位相同。需要注意的是，在設置刀具路徑的時候需要將切削的區(qū)域適當?shù)匮由欤朔N操作在葉片開粗和后面的加工中都需要用到，因此需要格外注意，避免加工不充分的現(xiàn)象出現(xiàn)。最后采用葉片精銑的策略對葉片和流道進行精加工（如圖5所示）。

3 NX12.0葉輪模塊與傳統(tǒng)加工方式的對比

追尋NX軟件就會發(fā)現(xiàn)，NX軟件有眾多的版本，而且隨著版本的升級，軟件的內(nèi)存占比越來越高、功能越來越強大，且更新速度和命名方式也發(fā)生了很大的改變。自從NX7.5增加了葉輪模塊之后，在NX里面加工葉輪和葉輪類工件變得更容易，也讓NX軟件的用戶有所增加。新增的葉輪模塊在加工策略上在12.0版本中的模塊命名為millmultiblade，工序子類型的加工主要分為4個部分，分別是多葉片粗銑、輪轂精加工、葉片精銑和圓角精銑（如圖6所示）。

葉輪模塊的最大優(yōu)點在于集中解決了葉輪曲面的加工，以及類葉輪曲面加工的所有工件刀具路徑設置的問題，對此類零件的加工做了一個集成化的處理。利用此模塊可以按照既定的策略設置相對應的參數(shù)和選擇相對應的面或者區(qū)域進行刀具路徑的設計，省去了大量的刀具路徑規(guī)劃設計時間，同樣對編程人員來說減輕了不少的負擔。但是相對于傳統(tǒng)的方式來加工葉輪，就顯得煩瑣許多。傳統(tǒng)加工葉輪采用的方式是可變輪廓銑的加工策略（如圖7所示）。雖然在加工工藝上差異不是很大，但是在刀具路徑的設置上卻需要花費很多的時間和精力，而且加工過程中的角度干涉和過切等問題不好解決。從可變輪廓銑的策略分析來看，可變輪廓銑包含復雜曲面加工的大多數(shù)難點，主要是可變輪廓銑當中的驅(qū)動方法、投影矢量和刀軸的設置。相對于固定軸而言，可變軸輪廓銑可以滿足不同零件和機床的要求。具有面區(qū)域驅(qū)動、邊界驅(qū)動、曲線/點驅(qū)動、螺旋線驅(qū)動、刀具軌跡驅(qū)動和徑向切削驅(qū)動等驅(qū)動方式，刀軸、遠離點、朝向點、遠離直線和朝向直線等投影矢量;還有眾多刀軸設置，既是強大的加工編程手段，也是學習的難點。傳統(tǒng)加工方式的難點是驅(qū)動方式為曲面，驅(qū)動面為葉片單側(cè)面，投影矢量為朝向直線，刀軸是側(cè)刃;除此之外，還需要設置側(cè)傾角的數(shù)值，避免可能會出現(xiàn)的干涉。零件實物圖如圖8所示。

4 結(jié)語

本文以整體式葉輪為零件、NX12.0為平臺、葉輪模塊為策略，介紹了葉輪在不同領域發(fā)揮的作用和零件結(jié)構(gòu)的特點及加工的重難點;并在此模塊下對整體式葉輪的加工步驟做了重點說明，相對于用途最為廣泛的可變輪廓銑的傳統(tǒng)加工方式，葉輪模塊在刀具路徑設置上更加簡單快捷，安全性有了更大的保障，精度和質(zhì)量也有了很大的提升，為葉輪的加工和類葉輪類零件的刀具路徑設計提供了有效的參考，也為使用者提供了極大的便利。

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