范永慶 王建華 范永進 梁 峰 王澤立

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精密小型葉輪的五軸編程和仿真技術研究

范永慶1王建華1范永進2梁 峰1王澤立1

（1.北京華航無線電測量研究所，北京 100013；2.中油管道機械制造有限責任公司，廊坊 065000）

精密小型葉輪具有結構緊湊、精度高要求、葉片間距小、葉片厚度小等特點。因此易造成葉輪尺寸超差、粗糙度超差、葉片變形等問題。葉片加工過程中需五軸聯(lián)動，編程難度大，加工效率低，成為生產(chǎn)瓶頸。針對精密小型葉輪確定合理的加工方案、編程方案，利用數(shù)控加工仿真軟件對整個加工過程進行仿真、優(yōu)化，達到理想效果。

精密小型葉輪；UG編程；VERICUT仿真

1 引言

某精密鋁合金小型葉輪[1]要求其結構緊湊，所占空間小，整體強度高，尺寸精度高，表面粗糙度低，葉片相對深度大，葉片間距小，各曲面圓弧連接平滑避免產(chǎn)生應力集中。由于其結構的特殊性，對數(shù)控程序精確性、實用性、機床的聯(lián)動性、加工精度和刀具強度、長徑比的要求很高。集中體現(xiàn)在數(shù)控程序編制、加工工藝流程選擇、裝卡過程選用、加工過程參數(shù)設置、刀具的選用等方面。根據(jù)實際情況制定合理的工藝流程，裝卡方案，采用UG進行五軸數(shù)控編程[2～4]，并Vercut仿真加工程序、裝卡方案、數(shù)控機床[5，6]，模擬實際生產(chǎn)情況，杜絕加工過程中意外情況發(fā)生。

2 精密小型葉輪的結構特征

圖1 葉輪模型

某精密小型葉輪的外形尺寸為21mm×14mm，葉片區(qū)域寬度為8mm，葉片最薄處到最厚處區(qū)間為0.4～1.0mm，圓弧連接處需圓滑過渡，整體結構緊湊。葉輪模型如圖1所示。

3 葉輪的加工難點分析和加工方案制定

3.1 葉輪加工難點分析

葉輪不宜采用鑄造毛坯，只能靠棒材切削成形，同時葉片較?。?.4～1.0mm），包絡面到輪轂面距離為6mm，材料相對去除率較高。壓力曲面和吸力曲面間距小于3mm，只能使用2mm及以下且剛度較高的刀具。為了使氣體平順通過葉片，葉片根部要求光順且圓角不超過0.5mm，縮小了刀具的可選范圍。加工所用的德瑪吉DMU60P設備為A軸轉角受限較大的老五軸聯(lián)動加工中心。分析該精密小型葉輪的葉片結構形式，采用臥式五軸聯(lián)動加工。為避免加工過程中主軸和工作臺的碰撞，需要加長毛坯料的旋轉軸，降低了零件的整體剛性，不利于零件加工?？紤]包絡面、旋轉軸、輪轂的同軸度要求，設計合理的加工方案，制作可行易用的工裝，降低加工難度、提高加工精度。

3.2 葉輪加工方案制定

根據(jù)葉輪的成形要求和加工制約條件，選擇25mm×30mm毛坯，其加工工藝路線如圖2所示。

圖2 加工工藝路線

圖3 葉輪加工裝卡方案

制定合理加工、編程方案的同時，為保證旋轉軸、輪轂和包絡線的同軸度，提高裝卡速度，避免劃傷，縮短找正時間，設計可伸縮的專用脹套完成零件在五軸設備上的快速裝卡。其關系如圖3所示。

4 數(shù)控程序的編制

由于該精密小型葉輪結構與一般葉輪區(qū)別較大，需考慮零件特征和所用五軸數(shù)控機床的聯(lián)動特性。

4.1 粗加工程序

該精密小型葉輪有三個螺旋葉片，輪轂為與旋轉軸同心的圓柱，根據(jù)DMU60P機床和零件特性，采用臥式加工。為盡可能去除毛坯料，最大限度節(jié)省加工時間，根據(jù)葉片的結構和數(shù)量將粗加工程序分為0°、120°、240°三個主軸方向，如圖4所示?？紤]葉輪的不規(guī)則性，減少抬刀次數(shù)，避免主軸頻繁進刀，切削模式中的跟隨部件為跟隨周邊，非切削移動中的區(qū)域間轉移為前一平面轉移，減少抬刀70％以上，對比效果如圖5所示。保證葉片、輪轂尺寸精度和表面粗糙度，粗加工時在葉片表面和輪轂表面預留0.3mm的加工余量以修正工件變形，采用21mm球頭刀粗加工。

圖4 粗加工程序

圖5 不同走刀方式程序對比

受留量和葉片角度限制，粗加工后毛坯雖然接近了葉輪的最終模型，還需針對輪轂和葉片編制精加工程序。

4.2 精加工輪轂程序

考慮葉片和輪轂的加工難度和在整個零件中所占的權重，先加工剛度較好不易變形的輪轂，根據(jù)零件特征涵蓋所有的輪轂面以60°為一個加工區(qū)域，利用三軸的固定軸銑削編制精銑程序，選用21mm球頭刀，步距0.02mm分六次完成，既能減少刀軌的重疊，又能提高加工效率。編制輪轂精加工程序如圖6所示。

圖6 輪轂精加工程序

4.3 半精加工葉片程序

去除粗加工余量和三軸不能加工的葉片背部，要求按葉片的走向走刀，同時減小刀具切深，避免產(chǎn)生接刀痕，提高葉片光潔度，采用可變流線銑對單葉片進行編程，選用20.2mm圓鼻刀，留余量0.1mm，每層切深0.5mm，設定在葉片拐角處進出刀，葉片半精加工程序如圖7所示。

圖7 葉片的半精加工程序

4.4 精加工流道和葉片程序

圖8 流道和葉片的精加工程序

半精加工后葉片根部余量0.1mm，為提高葉片的光潔度，不允許出現(xiàn)接刀痕和顫痕跡，采用順序銑編程，控制進刀、出刀點和擺動刀軸方向，使刀具嚴格按葉片的側壁走刀，刀具逐步逼近葉片，刀具圓角緊貼葉輪的流道，編制葉片和流道的精加工數(shù)控程序如圖8所示。

5 數(shù)控程序的仿真

數(shù)控程序編制完畢并在UG中演示達到了理想效果，為進一步驗證數(shù)控程序和后處理的正確性、工裝裝卡的精準性、主軸工作臺五軸聯(lián)動的碰撞避讓，需要專業(yè)的數(shù)控程序仿真軟件VERICUT，并在軟件中建立加工該零件所需的DMU60P五軸機床和加工時所用的工裝卡具，導入后處理的數(shù)控程序進行仿真，對比仿真結果和零件模型，設定對比的公差精度，用以模擬加工過程和三維模型的加工誤差以及后處理的數(shù)控程序、選用的刀具及刀具長度、工裝使用避讓等的正確性。添加順序銑后和沒有順序銑表面粗糙度對比效果如圖9所示。在整個葉輪的仿真過程中金屬墊板、三爪、脹套、毛坯等在數(shù)控機床加工系統(tǒng)中的相對安裝關系，及機床加工完畢后機床回零點后葉輪的整體效果如圖10所示。

圖9 仿真效果

圖10 仿真系統(tǒng)效果圖

6 結束語

分析了精密小型葉輪的整體特征，選擇了適合該特征的加工方案，分析該加工方案的數(shù)控程序，選擇了三軸粗加工去除大量毛坯，三軸固定軸精加工輪轂，變流線銑對葉片半精加工，順序銑對流道和葉片精加工，并針對數(shù)控程序、整個裝卡方案和數(shù)控加工系統(tǒng)進行了VERICUT仿真，取得了較理想的效果。在實際應用當中省去了零件試切的時間和成本，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。同時該加工方案可以應用到其它五軸零件的精加工中，為后續(xù)五軸程序的編制仿真及數(shù)控系統(tǒng)的模擬提供參考方案。

1 耿強，劉曉哲，程衛(wèi)祥. 航空精密小葉輪數(shù)控加工技術[J]. 高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012(9)：31～32

2 黃毓榮，顧菘. 多軸銑制造過程培訓教程[M]. 北京：清華大學出版社，2002

3 劉澤瑞，茍蘅匯，陶應森. 基于NX8.0與VERICUT的葉輪五軸加工技術研究[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備，2013(4)：1～2

4 楊勝群，唐秀梅. VERICUT數(shù)控加工仿真技術[M]. 北京：清華大學出版社，2010

5 張惠林，軒繼花，姜士湖. 基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2006(7)：125～127

6 李海霞. VERICUT7.2 數(shù)控加工仿真技術培訓教程[M]. 北京：清華大學出版社，2013

Research on Five-axis Programming and Simulation Technology for Precision Small Impeller

Fan Yongqing1Wang Jianhua1Fan Yongjin2Liang Feng1Wang Zeli1

(1. Beijing Huahang Radio Measurement & Research Institute, Beijing 100013; 2. China Petroleum Pipeline Machinery Manufacture Co., Ltd., Langfang 065000)

Precision small impellers are characterized by compact structure, high precision requirements, small blade spacing and small blade thickness. Therefore, it is easy to cause problems such as excessive impeller size, excessive roughness, and blade deformation. Five-axis linkage is required in the blade processing process, which is difficult to program and has low processing efficiency, which becomes a production bottleneck. A reasonable machining plan and programming scheme are determined for the precision small impeller, and the whole machining process is simulated and optimized by the numerical control machining simulation software to achieve the desired effect.

precision small impeller；UG programming；VERICUT simulation

范永慶（1982），碩士，機械設計專業(yè)；研究方向：數(shù)控加工技術。

2018-08-06