基于復(fù)雜曲面的整體鉆機(jī)葉輪加工工藝研究與實(shí)踐

郭 強(qiáng)，韓鳳霞，張守明

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.北京信息科技大學(xué)，北京 100192；3.湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，湖北孝感 432000)

0 引言

整體葉輪是各類發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天及其他工業(yè)領(lǐng)域。整體葉輪一般具有葉片薄、曲率變化大、葉片間隔小等特點(diǎn)，因此加工難度大，從一定意義上說(shuō)，能否精確地加工出形狀復(fù)雜的葉輪已成為衡量加工水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)的葉輪制造工藝包括電解加工、電火花加工以及精密鑄造等。電火花加工雖然在很大程度上能夠保證精度，但是這種加工方法效率低、成本高；電解加工雖然能保證加工效率，但是設(shè)備、陰極及夾具的成本較高，精度及成品的穩(wěn)定性不好；鑄造加工雖然能在最大程度上保證效率，但是鑄造缺陷難以避免，尤其是氣孔、裂紋、夾渣等，需要對(duì)鑄件進(jìn)行進(jìn)一步的探傷檢測(cè)，并且鑄造精度較低，不適合精度要求較高的場(chǎng)合。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，葉輪的加工逐漸由普通機(jī)床轉(zhuǎn)向數(shù)控機(jī)床，由普通三軸加工中心分工序加工轉(zhuǎn)向五軸加工中心一次加工成型，加工效率和精度得到了很大提升。

本文以某型號(hào)鉆探設(shè)備葉輪為加工對(duì)象，結(jié)合葉輪的幾何特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，采用五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)，應(yīng)用UG軟件進(jìn)行工藝參數(shù)及加工路徑的優(yōu)化，后處理軟件生成高效的加工程序，經(jīng)vericut進(jìn)行仿真后，討論并驗(yàn)證整體葉輪類的五軸數(shù)控加工中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 加工工藝

1.1 整體葉輪的特點(diǎn)

本次加工的葉輪共12個(gè)葉片，其中包括6個(gè)分流葉片和6個(gè)主葉片，葉片最薄處僅有1 mm，頂部直徑124 mm，底部直徑為176 mm，葉片高度74 mm，最小葉片間隙為9.3 mm，材料為6061鋁合金，葉片與流道之間的倒圓角半徑R=5 mm(圖1)。

圖1 葉輪三維圖

首先，對(duì)葉輪曲面造型特點(diǎn)進(jìn)行分析。葉輪的曲面可分為直紋面和自由曲面，自由曲面一般采用點(diǎn)銑方法，而直紋面則采用側(cè)銑方法，因?yàn)閭?cè)銑方法效率高，表面質(zhì)量相對(duì)點(diǎn)銑方法較好。根據(jù)本葉輪加工精度要求，采用直紋面造型，側(cè)銑法加工。

1.2 加工工藝特點(diǎn)

由于葉片扭角較大，為加工帶來(lái)了困難，葉片間隙較小，且流道較深，刀具的長(zhǎng)徑比較大，加工過(guò)程中容易產(chǎn)生顫振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響零件的表面質(zhì)量；由于整個(gè)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)交變載荷的持續(xù)作用中，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，在加工葉片邊部時(shí)的振動(dòng)尤其嚴(yán)重，在這種情況下，不得不降低切削用量，大幅影響加工效率和加工質(zhì)量，是造成廢品率居高不下的主要原因。

形成顫振的主要原因是整個(gè)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)彈性，包括材料、刀具、切削參數(shù)、零件外形等。本文主要從顫振的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，通過(guò)調(diào)整設(shè)備、工裝、工藝參數(shù)等加工方案，增加整個(gè)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛性，從而降低加工過(guò)程中的顫振，進(jìn)而降低廢品率，提高效率。

1.3 加工設(shè)備選型

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心(RTCP)主要有三種結(jié)構(gòu)，搖籃式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖2)、單支撐工作臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖3)和龍門式結(jié)構(gòu)即擺頭結(jié)構(gòu)。由于單支撐工作臺(tái)的支撐點(diǎn)少于搖籃式工作臺(tái)，因此，搖籃式工作臺(tái)的剛性要好于單支撐工作臺(tái)；龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)備主要為工作臺(tái)固定，主軸擺動(dòng)，通常用于加工尺寸較大的零件，因此，設(shè)備較大，加工成本很高。本次試驗(yàn)主要是從驗(yàn)證加工經(jīng)濟(jì)性、降低顫振的角度出發(fā)，因此選擇搖籃式工作臺(tái)，加工中心型號(hào)確定為MAZK的VARIAX i-600。

圖2 搖籃式工作臺(tái)

圖3 單支撐工作臺(tái)

1.4 確定裝夾方案

主要根據(jù)零件的材料及外形特點(diǎn)選擇裝夾方案。該零件材料為6061鋁合金，材料硬度較低且零件成型厚度較薄，如果裝夾方案及加工參數(shù)選擇不當(dāng)，極易產(chǎn)生變形或零件超差。根據(jù)五軸加工中心工作臺(tái)特點(diǎn)及零件的外形尺寸，初步考慮有兩種裝夾方案可供選擇。

第一種方案是利用中間的通孔采用壓板及螺紋壓緊的方式固定(圖4)。該方案的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化了工裝，只需要一根螺桿及一塊壓板即可完成裝夾過(guò)程。但是考慮到該零件材料為6061鋁合金，硬度較低，且上部壓緊面受力面積較小，下部無(wú)徑向限位，在加工過(guò)程中零件易發(fā)生移動(dòng)，增大顫振，引起零件超差；且該裝夾方案需要提前在葉輪中心加工一通孔，增加了加工難度。

圖4 葉輪裝夾方案1

第二種方案是利用三爪卡盤直接壓緊(圖5)，該裝夾方案的優(yōu)勢(shì)在于直接用三爪卡盤固定零件，穩(wěn)定性優(yōu)于采用壓板的固定方式，而且只需要一次找正卡盤中心坐標(biāo)，即可批量加工，省去了每次加工都需要調(diào)整坐標(biāo)系的過(guò)程。

圖5 葉輪裝夾方案2

綜合以上因素，采用第二種裝夾方案，為避免主軸與工作臺(tái)干涉，采用了加高毛坯的方式。

1.5 確定加工工藝

葉輪毛坯料選用的是棒料整體加工成型，首先車削出基本形狀后作為銑削毛坯，同時(shí)為三爪卡盤車削下部裝夾圓柱體，圓柱體的高度根據(jù)機(jī)床主軸與工作臺(tái)A軸旋轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生干涉的極限位置計(jì)算得出。考慮到本次粗加工采用的刀具與粗加工余量相差很小，為了提高加工效率，工藝省去半精加工工序。葉輪的整體加工工藝為：車削毛坯→流道粗加工→葉片粗加工→葉片精加工→流道精加工。

1.5.1 流道、葉片粗加工

流道粗加工采用型腔銑的方法，采用型腔銑有兩種優(yōu)勢(shì)，一是如果固定A軸和C軸之后能簡(jiǎn)化刀路；二是采用大直徑刀具，銑削效率能大大提高。同時(shí)，型腔銑也有不足之處，因?yàn)楣潭薃軸和C軸，某些位置(如葉片根部)會(huì)切削不到，導(dǎo)致下一工序的精銑產(chǎn)生加工余量不均勻的情況，加劇了工件顫動(dòng)，加快了刀具磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生刀具損壞。為了避免這種情況的產(chǎn)生，在安排工序時(shí)采用雙刀路加工，即定軸加工時(shí)采用兩種不同的刀軸方向，這樣不僅保證了加工速度，而且清除了部分區(qū)域余量過(guò)多的問(wèn)題。

本次加工時(shí)選擇普通平底銑刀，這樣在等效切寬的前提下，與球頭刀相比，可以有效地減少刀具軌跡數(shù)目，由此可以提高加工效率(圖6、圖7)。

圖6 粗加工刀路1

圖7 粗加工刀路2

隨后，根據(jù)以下公式確定銑削參數(shù)：

n=1000×vc×D×π-1

(1)

f=fz×z×n

(2)

式中：n為刀具轉(zhuǎn)速，r/min；vc為刀具的線速度，m/min；f為進(jìn)給速度，mm/min；fz為單齒的切削速度，mm/r；z為齒數(shù)。

綜合考慮加工質(zhì)量和效率以及刀具的伸出長(zhǎng)度，粗加工采用直徑8 mm的平頭銑刀，轉(zhuǎn)速設(shè)定為4000 r/min，單刃切削速度為0.1 mm/r，齒數(shù)為3。經(jīng)計(jì)算，切削速度為800 mm/min，切削深度設(shè)置為1 mm。

1.5.2 葉片精加工

葉片的精加工采用UG自帶的編程模塊，刀具選用D6的球頭刀。葉片精加工參數(shù)設(shè)置如圖8所示。葉片精加工采用軟件自帶的加工模塊，在驅(qū)動(dòng)方法參數(shù)設(shè)置時(shí)，要切削的面應(yīng)選擇“左面，右面、前緣”選項(xiàng)，如果單獨(dú)選擇“左側(cè)”或者“右側(cè)”，會(huì)出現(xiàn)切削不全或者亂刀的現(xiàn)象，如果選擇“所有面”，則在干涉面選擇不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)出現(xiàn)走刀干涉(圖9)。

圖8 葉片精加工參數(shù)圖

圖9 葉片精加工模擬刀路圖

1.5.3 流道精加工

流道精加工同樣采用軟件自帶的加工模塊，如圖10、圖11。依據(jù)零件材料特點(diǎn)及要求，設(shè)計(jì)了裝配方法，制定了加工工藝。不論是刀軸方向、刀具的選擇上還是切削參數(shù)的設(shè)定上，盡可能降低顫振對(duì)加工精度的影響，尤其是在考慮整體變形的基礎(chǔ)上確定粗加工的加工余量，既要保證粗加工盡可能多的去除多余材料，又要保證對(duì)精加工不產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終把加工余量確定在單邊0.3 mm，見(jiàn)表1。

圖10 流道精加工參數(shù)圖

圖11 流道精加工模擬刀路圖

表1 加工余量表

2 程序后置處理

UG NX雖然自帶部分后置處理器，但因?yàn)樵O(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等不同，軟件自帶的后置處理器不具備通用性，需進(jìn)行專門開(kāi)發(fā)。此次葉輪加工在UG 后處理構(gòu)造器基礎(chǔ)上設(shè)置了適合本機(jī)床的后置處理器參數(shù)(圖12、圖13)。

圖12 行程設(shè)置圖

圖13 路徑設(shè)置圖

3 軌跡仿真

為避免加工過(guò)程中出現(xiàn)干涉及過(guò)切等問(wèn)題，本次試驗(yàn)采用vericut軟件進(jìn)行軌跡仿真檢測(cè)。首先在vericut中設(shè)定了機(jī)床參數(shù)，保證了實(shí)際加工機(jī)床與軟件中機(jī)床模型的一致性(圖14、圖15)。

圖14 控制設(shè)定1

圖15 控制設(shè)定2

隨后，輸入文件模型和刀具信息，設(shè)定坐標(biāo)系(圖16、圖17)。

圖16 刀具設(shè)置

圖17 仿真模擬

仿真顯示，零件加工過(guò)程不存在干涉及過(guò)切現(xiàn)象，將程序輸入機(jī)床，進(jìn)行了實(shí)際加工并對(duì)零件進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求(圖18)。

圖18 零件三坐標(biāo)檢測(cè)

4 存在問(wèn)題

本次試驗(yàn)雖然一定程度上解決了顫振的情況，但是也暴露了一些問(wèn)題。在對(duì)葉片進(jìn)行精加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉片頂部出現(xiàn)約R=1 mm的倒角，并且在根部出現(xiàn)了輕微的過(guò)切現(xiàn)象，而這種情況在模擬加工中并沒(méi)有出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行分析，如果毛坯料余量過(guò)大，與實(shí)際不符會(huì)導(dǎo)致這種情況。隨即對(duì)毛坯進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果顯示，車削毛坯比實(shí)際圖紙要大，對(duì)應(yīng)于模型里邊的包覆面是正公差，分析同時(shí)顯示，包覆公差導(dǎo)致的過(guò)切要低于實(shí)際的過(guò)切尺寸。隨后對(duì)精加工刀路進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)葉片頂部有些刀路存在不規(guī)整的現(xiàn)象(圖19)，該走刀路線在葉片頂部呈現(xiàn)了圓弧收尾狀，與實(shí)際加工的倒角位置相符，而根部的刀軸曲率變化較大，導(dǎo)致刀具在該位置逗留時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)高的轉(zhuǎn)速又促使刀具在此處振動(dòng)較劇烈。綜上分析可以確定，過(guò)切是由該加工路線及毛坯共同的問(wèn)題所導(dǎo)致，所以仿真時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象，但實(shí)際加工時(shí)卻發(fā)生過(guò)切。

圖19 模擬走刀路線

暴露的問(wèn)題也給了我們一些啟示，即對(duì)葉輪前后緣處刀軸矢量的處理。從工藝方面來(lái)講，葉片前后緣處壁薄且刀軸曲率變化劇烈，平滑的刀軸矢量在此類加工中尤為重要，加工過(guò)程中，刀具高速轉(zhuǎn)動(dòng)，若刀軸矢量變化不夠均勻，容易引起刀軸的晃動(dòng)，形成忽快忽慢的情形，從而最終發(fā)生啃切。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，本次加工的工藝方案可以大幅減少葉輪加工中的顫振，而且提高了加工效率，保證了葉輪的加工質(zhì)量，使葉片表面粗糙度達(dá)到Ra 1.6，并且把變形降到了最低，滿足圖紙的要求。本文的研究為葉輪及同類零件的高速、高精度和高效率多軸加工提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。