葉輪軸數控加工技術及葉片加工誤差分析

閃雙鳳 張丙臣

（鶴壁市機電信息工程學校，河南 鶴壁453000）

數控技術的成熟應用，使得機械零件的精細化加工成為了可能。它以PLC 作為控制中心，使用MNC 系統完成對刀具的控制，更加快速、更加精準的完成特定工件的加工。葉輪軸上的葉片，既有弧面也有平面，因此加工難度較大。使用數控技術進行加工有助于改善成品葉片的精度，對降低制造成本、保證使用效果有積極幫助。

1 葉輪軸加工工藝問題及方法改進

1.1 葉輪軸原加工工藝問題分析

某葉輪軸生產車間在技術改良前的加工刀具和加工參數見表1。

表1 葉輪軸加工刀具和參數

從加工效果來看，原工藝流程存在以下問題：第一，使用普通車床雖然降低了成本，但是因為加工效率低，且精度差，導致殘次品率高；第二，內螺紋的底孔未經過精鏜處理，孔徑誤差較大。孔徑偏小會導致外接軸無法正常連接，孔徑偏大又會導致外接軸松動，轉動時會產生明顯的晃動。第三，在銑削處理中，粗銑與精銑采用相同類型的銑刀。精銑時可能會出現精度達不到要求的情況，而粗銑又會導致刀具過快磨損，增加刀具更換頻率。

1.2 方法改進

鑒于原工藝存在諸多缺陷，需要對該葉輪軸生產工藝進行改良。一種思路是采用數控技術，將車床與銑床聯用，相互配合完成對葉輪軸工件的加工。這樣既提高了加工效率，同時也能夠保證精度，有利于實現高質量、批量化的工件制造。經過改良后的加工工藝，可以根據零件制造要求的不同，分別提供粗加工、半精加工和精加工三種模式，提高了機床的利用效率。

2 葉輪軸數控加工技術

2.1 三維模型的建立

利用UG10.0 軟件進行建模。啟動軟件之后，選擇工具欄中的“插入”選項，在子選項中點擊“創建草圖”，可以得到一個新的繪制界面。利用軟件提供的線段、模組等完成葉輪軸葉片平面圖的初步繪制。在草圖上添加參數進行標記，包括葉輪軸的直徑、葉片的弧度等。保存草圖之后，利用軟件提供的“拉伸”功能，在一側的選項框中，輸入相關的參數，包括高度、距離等，所有參數填寫完畢后，點擊“確定”將平面圖拉伸成立體模型。點擊保存三維模型后，選擇疊加繪圖可以得到最終的葉輪軸三維模型，如圖1 所示。

圖1 葉輪軸的三維模型

2.2 建立坐標系和刀具軌跡生成

走刀軌跡除了對加工精度有直接影響外，也會決定刀具磨損程度和刀具更換頻率，進而對加工成本產生影響。因此，在數控加工工藝中應當通過建立正確的坐標系和生成相應的刀具軌跡，使下一步的加工能夠高效率的開展。需要建立的坐標系分為兩種：其一是機床坐標系，根據坐標原點確定Z 軸，在Z 軸方向上確定刀具位置；在Z 軸的正方向上即為X 軸，最后確定Y 軸。其二是工作坐標系，根據待加工零件的形狀、尺寸等進行具體設計。在本次試驗中，要結合齒輪軸的設計參數確定工作坐標系。

在設計刀具軌跡時，排除初始階段刀具加速部分和結束階段刀具減速部分，只設計中間階段刀具勻速運行時的運行軌跡。確定軌跡時，要注意準確計算刀具的切入量、切出量，在切入和切出方法上選擇圓弧切線切入，這種方法能夠最大程度上避免走刀過程中出現刀刃嚴重磨損的情況，對減少換刀頻次以及間接的提升加工效率也有一定的幫助。軸柄處的刀具軌跡見圖2、葉片處的刀具軌跡見圖3。

圖2 軸柄處刀具軌跡

圖3 葉片處刀具軌跡

2.3 數控編程

編寫數控加工程序前，技術人員應當明確葉輪軸不同部位的加工要求。例如十字葉片部位應當采取粗加工；而R5 圓角部位需要使用鋁用銑刀加工，葉片邊緣部位采用精加工，葉片根部應注意做好圓角清根處理等等。明確上述要求以后，調節數控機床的基本參數，并檢查各個端口的接線是否良好，保證指令的傳遞。使用RS232 接口線，一端連接數控機床的接入口，另一端連接計算機的輸入口。技術人員在計算機上利用CIMCOE軟件，完成數控加工的指令編輯。然后由計算機自動對程序進行轉化后，將結果通過接線導入數控機床的PLC 模塊中。在PLC 的控制下完成走刀加工。自動編程的流程如圖4 所示。

圖4 采用自動編程的數控機床編程流程

3 工藝改進前后葉片加工誤差的統計分析

3.1 采集樣本及分組

葉片加工精度將會對葉輪軸運行時的穩定性、阻力等產生直接影響，是判斷工件加工高質量的決定性因素。其中，R5 圓弧是葉片平面和弧面的過渡區域，根據以往的加工經驗，該部分也是最容易出現誤差的區域。因此，在進行誤差對比時將R5 圓弧作為采樣區域。根據葉輪軸的設計要求，R5 圓弧的允許誤差范圍是±0.1mm。在采集樣本時，隨機選擇使用原工藝和改良工藝完成加工的成片葉輪軸葉片各20 組，使用精密測量儀器對各個組件的R5 圓弧尺寸進行測量。根據測量結果求出公差，并使用Excel 繪制表格，兩組公差分布如圖5（a）和（b）所示。

圖5 原工藝（a）和改良工藝（b）的公差分布

3.2 繪制正態分布曲線

結合圖5 可知，無論采取何種工藝，尺寸誤差總是呈正態分布。根據測量獲得的兩組數據，利用公式分別求出算數平均值（x）和標準差（σ）。其中：

按照上述兩式可以分別得到兩種加工工藝的尺寸平均值和標準差，見表2。

表2 兩種工藝下的誤差對比（mm）

以零件尺寸作為x 軸，以概率密度作為y 軸，結合上述數據可以分別得到兩種加工工藝下的正態分布曲線，如圖6（a）和（b）所示。對比上圖（a）和（b）可以發現，經過改良后的加工工藝，正態分布曲線更為集中，即加工精度更高。

圖6 改良前（a）和改良后（b）的正態分布圖

4 結論

數控加工技術的成熟在提高工業零件加工精度和生產效率方面有明顯的幫助。本文以葉輪軸為例，通過設計對比試驗，證明了數控加工模式下葉輪軸葉片的尺寸精度明顯提升。在工業制造向中高端邁進的過程中，數控加工技術將會有更為廣闊的應用前景。