李俊濤，吳讓利

LI Jun-tao,WU Rang-li

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710302）

0 引言

整體葉輪指輪轂和葉片在同一金屬毛坯體上，現(xiàn)多采用鍛件毛坯多坐標(biāo)數(shù)控加工來成型[1]，其典型的應(yīng)用有渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)、泵、徑流式渦輪和膨脹機(jī)等許多動(dòng)力機(jī)械[2]。從整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也可以看出：整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上隨著半徑的減小，通道越來越窄，因此加工葉輪葉片曲面時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉[3]；加工整體葉輪時(shí)加工軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，自動(dòng)生成無干涉刀位軌跡較困難[4]?？偟膩碚f整體葉輪數(shù)控加工難點(diǎn)比較多，因此在多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上加工前通常都要經(jīng)過仿真，在此過程中必須解決好整體葉輪數(shù)控加工中的過切、干涉與碰撞、降低生產(chǎn)成本、提高加工效率、優(yōu)化工藝參數(shù)等一系列難題，為真實(shí)數(shù)控加工做好技術(shù)準(zhǔn)備，另外對(duì)于整體葉輪這樣復(fù)雜的三維曲面手工編程根本無法實(shí)現(xiàn)，必須借助于CAM軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。因此，研究整體葉輪的數(shù)控仿真加工具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 整體葉輪數(shù)控加工工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析與工藝流程制訂

葉片空間曲面形狀較為復(fù)雜且剛性較差，因此葉片加工是整個(gè)零件加工難點(diǎn)，由于葉片之間的間隔距離小，而葉片的扭曲程度決定了加工時(shí)刀具軸的擺動(dòng)范圍，因此刀具必須在兩葉片之間的范圍內(nèi)擺動(dòng)，刀具才不會(huì)與葉片發(fā)生干涉。

根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，其基本加工工藝流程為：1）在數(shù)控車床上車削加工毛坯的基本形狀，如圖1所示；2）粗加工葉輪流道曲面；3）粗加工葉片曲面；4）葉片精加工；5）葉輪流道精加工。

圖1 數(shù)控車削成型的毛坯形狀

1.2 五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與選擇

葉輪的毛坯外形可通過數(shù)控車床車削成型，而流道和葉片的成型加工則必須在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上才能完成。由于本文中葉輪的尺寸不大，重量較輕，選用立式五軸加工中心即可完成機(jī)床模擬加工仿真。

1.3 定位與夾緊方案的確定

文中加工的葉輪中心處有一圓孔可用于加工時(shí)的定位，只需將毛坯放入與之配合的心軸上，即限制X、Y方向的移動(dòng)自由度，再用一環(huán)形平面與葉輪的底面接觸即可限制兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和Z方向的移動(dòng)自由度，最后用螺母壓緊工件即可實(shí)現(xiàn)零件的裝夾。

1.4 刀具的選擇與刀具半徑的確定

在使用多個(gè)刀具組合的加工過程中，兩個(gè)不同刀具的無干涉加工區(qū)域可能重疊，通常采用的方法是，先用較大的刀具來高速加工其所有可能加工的區(qū)域，較小的刀具則隨后被用來加工較大的刀具無法加工的區(qū)域。這樣，每把刀的有效加工區(qū)域就可能小于其原來可以無干涉加工的曲面。

基于上述理論研究，在進(jìn)行粗加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，但是必須保證刀具直徑D小于葉片間最小距離Lmin，Lmin的大小可以根據(jù)UG軟件的分析面與面之最小距離的功能測得，且UG NX6.0可直接觀察所定刀具相關(guān)參數(shù)是否合適。在精加工過程中，應(yīng)在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑R1大于流道和葉片相接部分的最小圓角半徑Rmin，Rmin的大小可以根據(jù)UG軟件的分析最小半徑功能測得，同時(shí)為了增加刀具剛度設(shè)定精加工球頭銑刀的錐角為2°。UG NX6.0可直接觀察所定刀具相關(guān)參數(shù)是否合適，如圖2所示。

圖2 精加工刀具參數(shù)擬定

在單個(gè)葉片加工時(shí)，為了保證刀具不與葉片表面發(fā)生干涉，刀具半徑應(yīng)小于加工表面凹處的最小曲率半徑l/kmax，kmax為整個(gè)葉片表面上凹處最大法曲率。

2 基于UG NX6.0的整體葉輪數(shù)控加工仿真校驗(yàn)與后置處理

2.1 整體葉輪數(shù)控加工路徑規(guī)劃

2.1.1 粗加工葉輪流道曲面和葉片曲面

通過可變輪廓銑程序控制驅(qū)動(dòng)方法和刀具軸，根據(jù)葉輪流道曲面的加工要求創(chuàng)建多軸聯(lián)動(dòng)粗加工程序。設(shè)定合適的參數(shù)，即可生成的葉輪流道粗加工刀具軌跡如圖3(a)所示。

葉片的粗加工創(chuàng)建類型、刀具、幾何體均與粗加工葉輪流道曲面設(shè)置相同；考慮到葉片曲面空間比較復(fù)雜，提高加工效率應(yīng)允許刀具側(cè)刃參與切削，因此“刀軸”設(shè)置為側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體，側(cè)刃加工側(cè)傾角為2°；切削參數(shù)設(shè)置中“部件余量偏置”2mm，“刀路數(shù)”4條，留0.2mm的精加工余量，內(nèi)外公差均為0.02mm；非切削移動(dòng)參數(shù)設(shè)置中“進(jìn)刀類型”為線性，長度為80%刀具，其他設(shè)置與粗加工葉輪流道曲面設(shè)置相同；主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm，切削進(jìn)給速度為1500mmpm。其他相關(guān)參數(shù)選取系統(tǒng)默認(rèn)值。生成的葉輪葉片粗加工刀具軌跡如圖3(b)所示。

圖3 整體葉輪粗加工刀具軌跡

2.1.2 精加工葉片曲面和流道曲面

與葉片曲面和流道曲面的粗加工相比，精加工刀具的路徑規(guī)劃一致，只需要修改相關(guān)參數(shù)即可，因此先復(fù)制粗加工創(chuàng)建的操作，然后再修改有關(guān)參數(shù)和設(shè)置，生成的葉輪葉片和流道曲面精加工刀具軌跡分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 整體葉輪精加工刀具軌跡

2.1.3 編輯加工程序，獲得所有刀具軌跡

單個(gè)葉片的多軸加工程序編制完成后，可以利用UG旋轉(zhuǎn)復(fù)制功能生成其余葉片和流道的粗加工和精加工程序，此功能可大大縮短程序的編制時(shí)間。具體如下：

1）修改程序名稱。將前面已經(jīng)產(chǎn)生的流道和葉片的粗加工共計(jì)四個(gè)程序重新命名，名稱最好具有一定的次序規(guī)律，便于編輯。修改程序名稱的目的是為了更好的管理程序，不致于編輯后次序產(chǎn)生混亂。

2）利用UG的“變換”命令繞ZC旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生其余葉片和流道加工程序和刀具軌跡。旋轉(zhuǎn)變換獲得的剩余流道和葉片的刀具軌跡分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 整體葉輪其余流道加工刀具軌跡

2.2 程序模擬仿真

對(duì)于已經(jīng)生成的刀具路徑，可在圖形區(qū)中以線框形式或?qū)嶓w形式仿真刀具路徑，以便于用戶直觀地觀察刀具的運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)而驗(yàn)證各操作參數(shù)定義得是否合理。刀具路徑驗(yàn)證的可視化仿真是通過刀具軌跡和創(chuàng)建動(dòng)態(tài)毛坯來實(shí)現(xiàn)的。

利用UG NX6.0對(duì)已編寫的程序進(jìn)行模擬仿真，仿真加工2D結(jié)果如圖6所示。

圖6 整體葉輪仿真加工2D結(jié)果

2.3 NX/POST后置處理

刀具位置源文件（CLSF）包含GOTO點(diǎn)位和控制刀具運(yùn)動(dòng)的其他信息，需要經(jīng)過后置處理（Post Processing）才能生成NC指令。UG NX6.0后置處理（NX POST）讀取NX的內(nèi)部刀具路徑，生成適合指定機(jī)床的NC代碼，研究成功得到整體葉輪流道、精粗加工和葉片粗加工NC程序（略）。

3 結(jié)論

本文為整體葉輪的仿真加工提供了一般方法和步驟；在充分做好整體葉輪數(shù)控加工工藝分析的基礎(chǔ)上，提出五坐標(biāo)機(jī)床、裝夾方式，刀具幾何參數(shù)，切削用量以及非切削移動(dòng)參數(shù)的擬定原則并確定了數(shù)控加工仿真工藝主要參數(shù)；基于上述分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG NX6.0進(jìn)行整體葉輪的刀具軌跡仿真實(shí)驗(yàn)，解決了如刀具與葉片易發(fā)生干涉等諸多難點(diǎn)，成功得到正確的刀具軌跡仿真結(jié)果并輸出可用于真實(shí)五軸數(shù)控加工的NC程序。

[1] 陳皓暉,劉華明,孫春華.國內(nèi)外葉輪數(shù)控加工發(fā)展現(xiàn)狀[J].航天制造技術(shù),2002(2)：45-48.

[2] 周政,李志明.整體葉輪數(shù)控多軸加工[J].航空精密制造技術(shù),1992(5)：22-23,35.

[3] 李群,陳五一.基于UG的復(fù)雜曲面葉輪三維造型及五軸數(shù)控加工技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007(4)：40-44.

[4] 整體葉輪產(chǎn)品造型和數(shù)控加工研究[J].現(xiàn)代制造工程,2006(5)：56-58.