惠相君，馬宇峰

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，紹興 312000）

0 引言

整體葉輪作為動力機(jī)械的核心部件，在航空航天、能源動力等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1]。葉輪加工質(zhì)量的好壞直接影響到葉輪的空氣動力性能和整個動力裝置的機(jī)械效率[2]。而葉輪由于其特殊的形狀結(jié)構(gòu)，使得葉輪的加工成為機(jī)械機(jī)加工領(lǐng)域的一個難點，因此對葉輪加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。本文利用單位現(xiàn)有的五軸加工中心，借助于Mastercam X7軟件對整體式葉輪的五軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 葉輪零件圖分析

圖1 葉輪

圖1所示葉輪的四條曲線上部分點的坐標(biāo)如表1所示。從圖中可以看出該葉輪加工的難點主要體現(xiàn)在以下三點：1）整個葉輪包括了6個葉片，葉片相鄰的空間狹小，加工時刀具容易和被加工的葉片以及相鄰的的葉片發(fā)生干涉；2）葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，且為非可展扭曲直紋面，形狀相對比較復(fù)雜；3）拋物面和φ96的圓柱上表面的連接不是簡單的圓弧連接，有一“下凹”部分，與X方向有6°夾角，也需要利用五軸聯(lián)動加工來完成。由于零件的加工要涉及到五軸加工，因此需要借助CAD/CAM軟件來生成數(shù)控程序，本文采用Mastercam X7軟件來完成。在葉輪的加工設(shè)備上選用單位自有的配有Heidenhain_TNC530數(shù)控系統(tǒng)的五軸加工中心，該機(jī)床能實現(xiàn)X、Y、Z、A、C五軸聯(lián)動，具體的工作行程參數(shù)為：X軸730mm縱向、Y軸560mm橫向；Z軸560mm 垂向，A軸（工作臺擺動）-110°～120°，C軸（工作臺旋轉(zhuǎn)）360°。從這些參數(shù)可以看出該機(jī)床能勝任整體葉輪加工的任務(wù)。

表1 曲線上點的坐標(biāo)

2 葉輪的CAD造型

利用CAD/CAM軟件來生成數(shù)控程序的首要任務(wù)就是完成零件的CAD造型[3]。通過分析葉輪的零件圖，不難發(fā)現(xiàn)其造型的難點在于拋物曲面和葉輪面的數(shù)字模型的創(chuàng)建。因此對這兩部分的數(shù)字建模過程做一重點的說明。在Mastercam X7中要進(jìn)行拋物線的繪制需要用到mastercam chook dll, chooks的fplot可以依照給定曲線的公式便捷的繪制出指定的圖形，具體操作如下：利用“Alt”+“C”快捷鍵打開fplot.dll文件，隨便打開一個EQN后綴文件就可調(diào)出fplot對話框，如圖2所示。可以利用記事本編輯曲線方程式如下：

step_var1 = t

step_size1 = 0.05

lower_limit1 = -3

upper_limit1 = 3

geometry = spline

angles = radians

origin = 0, 0, 0

r=1

y=r*-22*t

z=r*-22*t*t

并保存為txt文件，點選fplot對話框的“打開文件”按鈕，打開已經(jīng)編輯好的txt文件。在Mastercam X7的繪圖界面上選擇好原點，并點選fplot對話框中“繪制”按鈕上面的按鈕，將其選為“曲線”，就可繪制出需要的拋物線。將得到的拋物線進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉?，利用“旋轉(zhuǎn)”方式完成拋物面的創(chuàng)建。

圖2 fplot對話框

圖3 底線

葉片的造型需要通過以下步驟來完成：

1）點選“手動畫線”圖標(biāo)，輸入表1的曲線上的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，并將曲線1和曲線2連接，曲線3和曲線4連接，得到如圖3所示的曲線。

2）將這兩組曲線投影到拋物面以及葉尖外輪廓的邊界面上，如圖4所示，利用這兩組曲線生成直紋面形成葉片表面。

3 葉輪的加工過程

圖4 曲線投影

根據(jù)零件的尺寸要求，選用直徑為100mm高度為76mm的棒料作為毛坯，分以下幾道工序進(jìn)行加工。工序一：運(yùn)用三爪夾持棒料下端面，采用φ12的硬質(zhì)合金立銑刀去除棒料上端的主要余量。在這一工序的加工中采用Mastercam X7的“高速曲面加工”方式，這種方式用立銑刀按等高面一層一層地銑削，層與層之間的高度為2mm，加工效率較高。在這一工序中主軸轉(zhuǎn)速S可以設(shè)為6000r/min，進(jìn)給速度F3000mm/min，加工后得到圖5所示的“梯田臺階”形狀。

圖5 梯田臺階

圖6 工序三

工序二：將上一工序得到的部分“梯田臺階”銑掉，使曲面接近理論曲面。在這一工序的加工中依然采用φ12的立銑刀，但主要利用立銑刀的側(cè)刃進(jìn)行加工，并且較上一道工序主軸轉(zhuǎn)速保持不變，將進(jìn)給速度改為1000mm/min，利用Mastercam X7的“沿邊五軸加工”方式進(jìn)行加工，最后得到圖6上半部分的“圓臺”形狀。

工序三：加工拋物面和φ96的圓柱上表面的連接面，從圖1（b）可以看出該連接面不是簡單的圓弧過渡，有一“下凹”部分，與X方向有6°夾角，需要利用五軸聯(lián)動加工才能達(dá)到尺寸要求。加工時A軸角度基本保持在84°，并根據(jù)加工需要進(jìn)行微小調(diào)整，配合X、Y、Z和C軸進(jìn)行聯(lián)動加工。加工時需要采用φ8R4的硬質(zhì)合金球頭刀，并利用Mastercam X7的“兩曲線的漸變”方式進(jìn)行加工。該加工方式選項位于“刀路”/“多軸刀路”的級聯(lián)菜單中，具體的加工的相關(guān)參數(shù)設(shè)置在“多軸刀路——兩曲線之間漸變”對話框中設(shè)置。下面就關(guān)鍵的幾步進(jìn)行說明：1）“切削方式”設(shè)置中有“編輯曲線”欄要選擇兩組曲線，第一組要選擇拋物面，第二組選擇φ96的圓柱上表面。2）“刀具軸向控制”中的“輸出格式”要選擇五軸，“前傾角方向”設(shè)為10°，“側(cè)傾角切削方向”設(shè)為90°。除以上幾步需要進(jìn)行特別設(shè)置，其他可以選用默認(rèn)值。仿真的結(jié)果如圖6所示，生成的部分程序如下：

BEGIN PGM 0088 MM

BLK FORM 0.1 Z X-55 Y-40 Z+0

BLK FORM 0.2 X+55 Y+40 Z+0

M126 M129

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1 A+0 C+0

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1

L A+Q120 C+Q122 FMAX

; CANCEL CYCL19

L Z-42 R0 FMAX M91

CYCL DEF 247 DATUM SETTING ～

Q339=+1 ; DATUM NUMBER

;

TOOL CALL 1 Z S6000

CYCL DEF 32.0 TOLERANCE

CYCL DEF 32.1 T0.003

CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:0

; TOLERANCE HCS MODE SETTING

L A+83.745 C+141.281 FMAX M3

M128

L X+48.37 Y+45.936 Z+50 FMAX

L X+48.37 Y+45.936 Z+24.702 A+83.745 C+141.281 FMAX

L X+42.153 Y+38.18 Z+23.612 A+83.745 C+141.281 FMAX

L X+35.935 Y+30.424 Z+22.523 A+83.745 C+141.281 F1000

L X+35.468 Y+30.96 Z+22.522 A+83.741 C+142.011 F3000

L X+34.549 Y+31.977 A+83.74 C+143.735

……

我開始忽悠，每個時代都有每個時代的困頓，也許在歷史的進(jìn)程里野蠻會戰(zhàn)勝文明，但是要相信，文明的種子在這些市井之輩、讀書之人甚至妓女乞丐的心中代代傳承，文明不會消亡，總有一天它會變得更有力量。

L X+39.112 Y+37.791 Z+23.286 A+84.092 C+141.162 FMAX

L X+39.112 Y+37.791 Z+50 A+84.092 C+141.162 FMAX

M129

M140 MB MAX

M5

L Z-42 R0 FMAX M91

CYCL DEF 32.0 TOLERANCE

CYCL DEF 32.1

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1 A+0 C+0

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1

L A+0 C+0 FMAX M91

M30

END PGM 0088 MM

工序四：進(jìn)行葉片粗加工，這一工序需要五軸聯(lián)動來進(jìn)行加工，加工中依然采用φ8R4的球頭刀，運(yùn)用Mastercam X7的“多軸刀路”中的“葉片專家”進(jìn)行加工，具體的加工的相關(guān)參數(shù)在“多軸刀路——葉片專家”對話框中設(shè)置。幾個關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：“切削方式”模塊的“加工方式”選為粗加工，“排序方式”選擇“雙向，由前邊緣開始”以提高加工的效率；在“定義組件”模塊中“葉片”選擇兩相鄰的葉片，“輪轂”選擇剛選中的兩相鄰葉片的中間區(qū)域，并且設(shè)置“分段數(shù)量”為6。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成粗加工，加工的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 工序四

工序五：葉片頂部區(qū)域的拋物線曲面精加工，這里只需要普通的三軸聯(lián)動就可實現(xiàn)。采用Mastercam X7的“刀路”—“曲面精加工”—“流線加工”來生成程序完成加工，這里采用的刀具選用φ8R4的球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min進(jìn)給速度取為3000mm/min，加工仿真的結(jié)果如圖8所示。

圖8 工序五

工序六：進(jìn)行葉片精加工，在Mastercam X7的“多軸刀路”中選擇“曲面實體”并點選“Swarf milling”,在相應(yīng)的對話框中設(shè)置加工參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：“切削方式”模塊的“切削曲面”選擇葉片側(cè)面，“底部曲面”選擇兩相鄰葉片之間的輪轂；“曲面公差”中設(shè)定切削公差為0.1，最大距離為0.2。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成本道工序的加工，加工的刀具路徑如圖9所示。

圖9 葉片粗加工刀具路徑

工序七：進(jìn)行輪轂的精加工，本道工序的加工出程序的方法與工序四采用的方法基本一直，只需要在“切削方式”模塊的“加工方式”將工序四中的粗加工改成“精修輪轂”即可。

通過以上步驟最終完成葉輪零件的加工，成品如圖10所示。通過三坐標(biāo)測量儀測量該零件葉片的弧度，均滿足規(guī)定的要求。

4 結(jié)束語

圖10 葉輪實物圖

本文在分析整體葉輪的結(jié)構(gòu)特性和加工難點的基礎(chǔ)上，確立了加工的總體思路和具體的工藝流程。利用通用的CAD/CAM軟件Mastercam完成了葉輪零件的數(shù)字模型創(chuàng)建和加工程序編制，在此基礎(chǔ)上利用本單位現(xiàn)有的五軸加工中心完成了整體葉輪零件的加工。本文采用的加工方法能很好的兼顧零件加工的質(zhì)量和效率，對類似結(jié)構(gòu)的整體葉輪加工也具有一定的借鑒作用。

[1]曾巧蕓.整體葉輪五軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃與仿真[D].南京航空航天大學(xué),2012,1-3.

[2]張劍.整體葉輪五軸數(shù)控銑削技術(shù)研究[D].湖南大學(xué),2012,1-3.

[3]惠相君,柯良,馬宇峰.一變槽深變槽寬的塑料擠出機(jī)螺桿的加工技術(shù)研究[J].2014(3),44-46.