［摘要］隨著數(shù)控機床的普及，四軸數(shù)控機床加工整體葉輪得到廣泛應(yīng)用，由于葉輪的設(shè)計沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，整體式葉輪結(jié)構(gòu)變化多樣，設(shè)計時相鄰葉片的空間較小，而大部分的過切都是由于參數(shù)的設(shè)置有誤及刀具的選擇不合理引起，加工時極易產(chǎn)生碰撞干涉，通過刀具的選擇、刀具切削干涉檢查來解決過切常見的問題。

［關(guān)鍵詞］數(shù)控機床；葉輪；四軸加工；過切

［作者簡介］韋江波，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系教師，在讀研究生，研究方向：機械制造及加工、數(shù)控加工，廣西柳州，545006

［中圖分類號］ TP391.9 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0043-0002

一、刀具的選擇

四軸數(shù)控機床加工葉輪常使用的銑刀種類有盤銑刀、立銑刀、球頭立銑刀、球頭錐銑刀及其他成型刀，各種刀具有其不同的用途。在葉輪的加工中，為盡可能加大走刀行距以提高加工效率，可采取以下優(yōu)化措施：

其一，葉輪的種類和大小不同，選擇刀具的形狀也各不相同，首先考慮采用平頭銑刀。與球頭刀相比，采用平頭立銑刀等非球面刀加工不但可改善切削條件，而且還可增大走刀行距。若選擇了合適的進給方向和工件安裝方位，將可獲得較高的加工效率和較好的表面質(zhì)量。由于平頭立銑刀加工葉根部位為尖角，葉片的強度受到很大的減弱，必要時可以采用球面刀加工根部，可獲得較好的表面粗糙度和強度。除了凹曲面時為避免干涉而必須采用球頭刀，其他情況下應(yīng)優(yōu)先考慮使用非球面刀進行加工以獲得較高的加工效率和較好的表面質(zhì)量。此外，還應(yīng)選擇較大直徑的刀具加工以提高刀具剛度和增大行距。

其二，平頭立銑刀加工時，可依據(jù)葉片表面各處螺旋線的繞曲程度來選擇合理的進給行距，通常情況下盡可能地選擇大刀具，減小Z軸的行距，增大進給倍率，不僅可以提高效率，也可降低刀具磨損。在加工曲面時選擇的工件安裝方位應(yīng)不存在刀具干涉，應(yīng)選擇曲面曲率較小的方向作為進給方向，但它對行距的影響比進給方向?qū)π芯嗟挠绊懶　?/p>

其三，球頭刀加工時，可根據(jù)葉片的形狀、葉間距來選擇刀具大小，球頭銑刀可以進行精加工及圓角的加工。由于球頭刀的切削效率沒有平底刀高，球頭刀在進行精加工時，余量應(yīng)控制在0.1～0.2mm左右。加工方式盡可能地降低Z軸的行距，提高轉(zhuǎn)速及進給率進行加工，以便獲得較好的表面粗糙度。

其四，在刀具的選擇上，最適合選擇平頭立銑刀，其強度高、價格便宜，又能符合加工要求。如葉輪用途只是傳遞風(fēng)向或不承受很大的外力，加工可以采用平頭立銑刀加工成型，這樣可以提高加工的效率。如果零件毛坯硬度不是很高，可選擇普通高速鋼，而加工到要求尺寸，包括輪轂部分。選擇刀具大小時，必須考慮刀具碰撞干涉，通過計算、檢驗來確定。

二、刀具切削干涉

（一）干涉檢驗

首先，依據(jù)葉輪曲面的信息生成刀位前，需進行干涉檢驗，最終生成無干涉刀位軌跡。針對整體葉輪的特點，將干涉類型分為3種：（1）刀具與被加工區(qū)域周圍鄰近點之間的干涉，如圖1所示；（2）刀具與自身葉片葉頂之間的干涉，如圖2所示；（3）刀具與相鄰葉片葉頂之間的干涉，如圖3所示。干涉采取先粗后精的方法。粗加工的目的是為了減少計算量，首先找出葉片曲面與刀具之間的覆蓋區(qū)域。以刀具直徑為邊長構(gòu)造包容正方形，并分別以葉片曲面的最大和最小坐標(biāo)值構(gòu)造葉片曲面的包容長方形。通過觀察正方形與長方形之間的相對位置關(guān)系，以確定葉片曲面的點是否需要進一步檢查。

其次，通過計算刀軸上的點到葉片曲面的距離是否大于刀具的有效半徑，可以判斷是否發(fā)生了干涉。若距離大于刀具的有效半徑，則不發(fā)生干涉；否則，發(fā)生干涉。 檢查出干涉刀位點后，必須對刀具軌跡進行調(diào)整。通過調(diào)整刀具的大小進行試切，在初選刀具大小時應(yīng)從小尺寸刀具開始，葉根寬的2/3為刀具的選擇。從葉片的造型上可測出寬度為8.822 mm，計算后得5.88mm，因此刀具直徑選擇Φ6mm。在刀具軌跡上重新模擬，要重新進行干涉檢查，直到不發(fā)生干涉為止。

（二）加工干涉檢查

在空間自由曲面的數(shù)控加工中，由于計算刀位點的方法不正確，對機床的性能缺乏必要的了解，以及數(shù)控編程時考慮問題不夠全面等因素的影響，往往會導(dǎo)致刀具、被加工零件、機床之間發(fā)生干涉碰撞。這樣干涉碰撞通常有三種表現(xiàn)形式：

1.過切干涉。刀具選擇過大，刀刃在葉片上切除了不該切除的部分。

2.碰撞干涉。由于葉片過高，選擇刀具切削刃部分短，刀桿(刀具的非切削刃部位)與葉片頂部或相鄰部分發(fā)生碰撞。

3.超程干涉。由于零件的裝夾不合理、編寫程序的行程過大，刀位點的坐標(biāo)值和相位角超出了機床的工作行程。

其中刀具過切干涉分為兩種類型：（1）曲率干涉，當(dāng)?shù)毒呓佑|點處的曲率半徑小于刀具的實際切削半徑時，所導(dǎo)致的過切現(xiàn)象稱之為曲率干涉。（2）除刀具接觸點以外，所發(fā)生的刀刃過切被加工表面的行為稱之為曲面干涉，曲面干涉可以通過CAD／CAM 軟件來完成干涉檢查，這樣可以提高加工的效率。

對于一個通用的數(shù)控編程系統(tǒng)或CAD／CAM 軟件而言，難以在數(shù)控編程中計算刀位軌跡，就將這些因素及將會導(dǎo)致的干涉碰撞情況統(tǒng)統(tǒng)加以考慮。在CAD／CAM 軟件的數(shù)控編程中，通常的做法是分步驟逐一進行，步驟如下：

（1）建立葉輪的幾何模型；

（2）制定刀具路徑，確定下刀點、步長和走刀路線；

（3）選擇刀具，根據(jù)葉輪的大小選擇適合的刀具，通常情況下優(yōu)先選擇平底立銑刀。如葉面粗糙度要求較高可使用球頭銑刀精加工；

（4）刀位軌跡模擬仿真，檢查刀具的碰撞干涉情況；

（5）選擇數(shù)控機床系統(tǒng)，將刀位文件轉(zhuǎn)換為數(shù)控機床能識別的NC程序；

（6）NC程序仿真，檢查機床的超程干涉情況，也可以傳到數(shù)控機床上進行模擬運行；

（7）試切削加工，對零件試件進行加工，測量檢驗試件是否符合產(chǎn)品要求。

在平頭立銑刀的切削加工中，刀具過切被加工表面時，曲率干涉總是伴隨著曲面干涉而同時發(fā)生，反之則不然。因此在計算刀具刀位軌跡時，如果消除了曲面干涉，則曲率干涉也會隨之消失。平頭立銑刀曲率的凹區(qū)域里，平頭立銑刀無過切干涉刀位軌跡的計算方法已基本成熟。因此，它能夠廣泛地用于葉片曲面的數(shù)控編程加工中。

三、結(jié)語

在葉輪的四軸數(shù)控加工過程中，加工過程中刀具干涉碰撞現(xiàn)象依然存在，由于干涉碰撞涉及的因素很多，實際生產(chǎn)中還會產(chǎn)生環(huán)境因素，刀具的種類，不同類型的數(shù)控機床及坐標(biāo)軸聯(lián)動方式等。筆者討論葉輪加工過程中常見的過切原因，經(jīng)過一段時間的探索和實踐，總結(jié)了加工過程中過切的原因及刀具的選擇，對實際加工或有一定的指導(dǎo)作用。

［參考文獻］

［1］方沂.數(shù)控機床編程與操作［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.

［2］趙卡明，劉萬菊.數(shù)控加工工藝及設(shè)備［M］.北京:高等教育出版社，2003.