風力驅動器葉輪軸數控加工及葉片誤差分析

魏慶媛

(哈爾濱石油學院，哈爾濱 150000)

葉輪軸的常規加工工藝存在較多弊端，由此提出了一種數控車床與數控銑床聯用的方法加工葉輪軸，不僅顯著提高了加工效率，還能有效降低加工誤差，提升零件加工精度。

1 傳統的葉輪軸加工工藝

風力驅動器葉輪軸的加工工藝如下：使用普通臥式車床和90°外圓車刀，快速切削毛坯材料余量，初步得到外輪廓和端面。使用槽寬3 mm的切槽刀，在材料上加工得到(5±0.05)mm的槽。使用M24×1.5內螺紋車刀，加工得到直徑1.5 cm、深度2.5 cm的內螺紋孔。使用鋁用銑刀加工葉片外輪廓和R5圓弧，但實際加工中常會因操作不當而產生較大的誤差，尤其是對葉片外輪廓的加工精度影響較大。銑削葉片選用的刀具直徑偏小，會增加銑削次數，令刀具磨損加劇，需要頻繁更換刀具，增加成本，降低加工效率，因此必須對傳統的加工工藝進行改良。

2 數控加工工藝

2.1 確定加工順序

葉輪軸的數控加工可分為3個階段：一是粗加工。使用數控車床快速切削毛坯材料上的大塊余量，初步得到葉輪軸的輪廓、斷面。二是半精加工。對葉輪軸上次要的加工面進行處理，修正粗加工環節的一些誤差，為精加工創造良好的條件。三是精加工。按照零件設計圖紙，在半精加工的基礎上對各個位置的尺寸、形狀、表面粗糙度等進行處理，得到精度符合要求的產品[1]。結合葉輪軸的結構特點和加工要求確定加工工藝如下：將一塊φ121×54的毛坯材料放到數控機床上，使用夾具固定。使用外圓車刀對毛坯材料進行粗加工，得到符合要求的葉輪軸外輪廓和端面。替換為槽刀，切出一條寬度為(5±0.05)mm的槽，長度與設計圖紙上保持一致。使用中心鉆在葉輪軸的中心處鉆中心孔，替換為φ20麻花鉆后在指定位置鉆螺紋孔，用精鏜刀加工螺紋孔的孔底。替換成內螺紋車刀，繼續加工鉆孔螺紋，得到一個M24×1.5的螺紋孔。使用φ12鋁用銑刀，進行葉片和十字葉片圓弧角的粗加工，加工完畢后替換成φ8鋁用銑刀，按照同樣的方法和順序完成精加工。

2.2 建立三維模型

為提高加工精度，利用UGNX10軟件構建葉輪軸三維模型。啟動軟件后，在菜單欄中選擇“新建”項，選擇“繪制草圖”，按照設計圖紙繪制葉輪軸的二維平面圖。使用軟件的拉伸功能，設定好截面、方向、距離等參數，將平面圖拉伸成三維模型。通過疊加繪圖的方式，得到三維等效模型，如圖1所示。

圖1 葉輪軸的三維模型Fig.1 3D model of impeller shaft

2.3 建立坐標系

走刀軌跡是決定零件加工精度的重要指標，軌跡規劃是否合理將直接影響加工效率。建立機床坐標系和工件坐標系，對合理規劃走刀軌跡有積極作用，可實時掌握刀具在機床上或工件上的三維坐標，便于隨時調整刀具位置，提高加工精度。

機床坐標系。在數控銑床上，將固定的原點作為坐標系原點，建立由X、Y、Z 3個軸組成的空間機床坐標系。其中，Z軸負責裝夾刀具，在數控銑床主軸的帶動下使刀具沿著Z軸產生切削力。確定了Z軸后，再確定X軸，要求X軸與工件裝夾時和機床的接觸面保持平行。確定了X軸和Z軸后，即可得到Y軸的方向[2]。

工件坐標系。機床坐標系通常是固定的，而工件坐標系則是為更準確地確定工件位置而設定的。設定方法可選用“試切法”或“刀儀對刀法”。本研究加工的葉輪軸體積較小，結構較為簡單，屬于比較規則的中心對稱類零件，基于效益最大化考慮，選用試切法設定工件坐標系。

2.4 刀具工作參數的設定

為了使零件切削面的粗糙度符合加工要求，盡量減少毛刺的出現，需要勻速加工。但在實際切削時刀具會經歷從初始速度到目標速度的加速過程，再從目標速度到靜止時的減速過程。設定刀具工作參數后，先讓刀具空轉，達到設定速度后，以當前轉速、進給量均勻加工零件。零件加工完畢后，要等刀具完全脫離工件后再減速。葉輪軸加工盡量一次性完成，避免刀具出現停頓的情況。以使用鋁用銑刀加工葉片R5圓弧為例，沿著圓弧切線切入，可保證刀具的切入和切出，避免出現明顯的轉向而發生停頓，有效預防零件變形[3]。需合理規劃走刀路線，減少空走行程，提高加工效率。

2.5 數控編程

數控機床的優勢是提前設定好數控加工程序，由計算機控制機床自動完成加工，效率高，加工精度、零件表面粗糙度等較好。為了發揮數控機床的應用優勢，需結合葉輪軸的結構特點、加工要求，編寫數控程序。基本步驟如圖2所示。

圖2 數控編程的基本流程Fig.2 Basic procedure of numerical control programming

應提前熟悉零件圖樣，掌握設計圖紙中標明的尺寸、形狀及其他技術指標等，在此基礎上確定零件加工方案，選擇能夠滿足葉輪軸零件加工要求的機床、刀具、夾具，確定加工工序。在制圖軟件上繪制二維圖形和三維模型，使用編程軟件計算走刀路線，選出行程最短、加工效果最好的路線，并在該走刀路線下確定刀位參數。編寫加工程序，選擇手動編寫或自動編寫，將編寫好的程序進行程序檢驗。如果在程序試運行中發現問題，或是發現工件不符合加工要求，及時修改程序。利用串行接口將計算機上編寫好的程序輸入到數控機床的單片機上，運行代碼即可進行自動加工[4-5]。

由于葉輪軸的結構較為簡單且形狀規則，對加工程序的要求并不高。因此在編程方式上選擇了手動編程(MDI)，流程如圖3所示。

圖3 手工編程框圖Fig.3 Block diagram of manual programming

3 葉輪軸葉片加工誤差分析

3.1 樣本采集

根據葉輪軸的結構組成，在高速轉動時葉片部位受力集中。如果葉片加工誤差較大，將會導致葉輪軸出現異常振動。因此，葉片加工誤差的控制十分重要。選擇葉片的R5圓弧作為研究對象，根據加工圖紙可知，R5的半徑公差為±0.2 mm。選取原工藝下加工制得的葉輪軸樣品30件，新工藝下加工制得的葉輪軸樣品20件，作為試驗樣本。為直觀表明零件的尺寸分布，分別確定尺寸分組數(k)和組距(h)。兩組樣本的分組數統一取8，組距的計算公式為：

式中，xmax和xmin分別表示零件中的最大尺寸和最小尺寸，帶入數據后求得h為0.05 mm。以分組數為8、組距為0.05 mm制作葉片半徑尺寸精度的直方圖。兩種加工工藝下R5圓弧公差分布如圖4所示。

圖4 原工藝(上)和現工藝(下)R5圓弧公差分布圖Fig.4 Distribution diagram of original process (top) and current process (bottom) R5 arc tolerance

對比發現，優化后加工的葉輪軸R5半徑公差可以控制在±0.1 mm之內，加工精度得到了提升。

3.2 繪制正態分布曲線

式中，xi表示工件的尺寸，單位為mm；n表示工件的數量。兩種加工工藝下R5圓弧的加工誤差對比如表1。

表1 原工藝與現工藝圓弧加工誤差數字對比Tab.1 Numerical comparison of circular machining error between the original process and the current process

由表1可知，兩種加工工藝下的圓弧加工誤差雖然算數平均值接近，但是標準差的差距明顯。算數平均值主要與機床調整尺寸等常值性系統誤差有關，而標準差則與刀具磨損等變值性系統誤差有關。試驗結果表明，使用改良后的加工工藝，可減小因機床尺寸調整等因素導致的加工誤差，加工精度得到了提升。

4 結束語

風力驅動器的大型化、精密化發展對葉輪軸的加工精度提出了更高的要求。使用數控車床和數控銑床聯合加工葉輪軸，能夠明顯提升加工效率和加工精度，提高產品合格率。使用UGNX10軟件制作葉輪軸模型，在仿真環境下規劃最佳的走刀路徑，經過反復優化后確定最終的加工程序，再利用該程序控制數控機床，完成對葉輪軸的自動加工，可保證產品的誤差控制在允許范圍內，提升產品的加工精度。