武瑞峰

摘? ?要：在我國(guó)的高速發(fā)展的工業(yè)過(guò)程中，數(shù)控加工以其高速、高效、高精度成為制造業(yè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。因此，掌握數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)是提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和精度的必要途徑。在我國(guó)，復(fù)雜整體葉輪航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大型艦船、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等動(dòng)力機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪增壓器中，這種復(fù)雜零件的加工精度，直接決定了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的效率和大型裝備的精度。在復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工的過(guò)程中的關(guān)鍵的技術(shù)是復(fù)雜整體葉輪加工精度的保障。在下文中，我們將對(duì)復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜整體葉輪;數(shù)控加工;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG54? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大型艦船、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等動(dòng)力機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪增壓器中。目前，葉輪的加工有以下幾種方法：鑄造成型后修光、石蠟精密鑄造、電火花加工、三坐標(biāo)仿形銑及五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床數(shù)控銑削加工。而整體葉輪因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片的扭曲大，極易發(fā)生加工干涉，同時(shí)加工精度及表面質(zhì)量對(duì)部件及整個(gè)設(shè)備的性能起著至關(guān)重要的作用，因此，在加工中的關(guān)鍵技術(shù)就顯得尤為重要。隨著精密鑄造工藝的發(fā)展及新材料的應(yīng)用，精密鑄造與特種加工在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型整體葉輪加工中有著重要的地位。

對(duì)于直徑較大的葉輪，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控?cái)?shù)控加工中心及CAM軟件的技術(shù)是應(yīng)用比較普遍的方法。

1 復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工的介紹

1.1 復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工的特點(diǎn)

復(fù)雜整體葉輪是根據(jù)復(fù)雜的空間流體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的，其葉片是均勻分布在輪轂上的，葉片的形狀也都與流體流動(dòng)的規(guī)律相符合。數(shù)控加工的難度主要源于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片薄、扭曲大易變形，加工時(shí)容易發(fā)生干涉，相鄰葉片通道狹窄、剛度較低。加工軌跡的約束條件較多，加工過(guò)程容易產(chǎn)生形變，極易產(chǎn)生碰撞干涉，刀具容易折斷。因此，復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工對(duì)自動(dòng)編程軟件和機(jī)床的后期處理提出了更高的要求。同時(shí)，復(fù)雜整體葉輪加工的另一個(gè)問(wèn)題是它的葉片由于曲線的曲率半徑變化較大，容易產(chǎn)生磨損，葉輪的誤差累計(jì)問(wèn)題比較嚴(yán)重。所以合理規(guī)劃刀具路徑也是非常重要的。

1.2 復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工的基本流程

復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工的基本流程大致可以分為這樣幾個(gè)階段：首先是加工模型的建立。通過(guò)分析葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的造型方法，常用的方法有在CAM軟件中建立葉輪的模型和采用逆向工程建立葉輪的模型，再對(duì)重構(gòu)的葉輪模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析進(jìn)行模型優(yōu)化。第二步是選擇合理的加工方法，包括加工坐標(biāo)系的確定、刀路軌跡的設(shè)置、工藝參數(shù)的確定，如圖1所示是用CAXA制造工程師設(shè)置的刀路軌跡。第三步進(jìn)行仿真加工，驗(yàn)證是否存在干涉現(xiàn)象。最后結(jié)合零件的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)備情況進(jìn)行零件加工工藝分析，綜合考慮零件加工的刀路軌跡及工藝參數(shù)，通過(guò)首件試切來(lái)驗(yàn)證刀路設(shè)計(jì)是否合理，是否滿足設(shè)計(jì)圖要求，同時(shí)驗(yàn)證工藝過(guò)程，包括加工的軌跡及參數(shù)驗(yàn)證是否在能夠達(dá)到質(zhì)量要求的同時(shí)效率最高。通過(guò)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行分析、加工參數(shù)進(jìn)行再調(diào)整，設(shè)計(jì)合理的加工工藝，兼顧效率和質(zhì)量。

1.3 復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段從國(guó)際市場(chǎng)上來(lái)看，在德、美等國(guó)出現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)的葉輪設(shè)計(jì)加工編程軟件，使得整體葉輪的編程更加方便快捷，編程人員只需輸入葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)即可。這些軟件使整體葉輪的加工更加簡(jiǎn)單方便，同時(shí)使加工成本降低，加工周期縮短。但是開(kāi)發(fā)此種軟件需要較高的費(fèi)用以及較長(zhǎng)的時(shí)間，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有采用此種軟件。我國(guó)對(duì)于整體葉輪加工通常采用CAM 軟件進(jìn)行建模和編程，通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工的方式進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)葉輪的加工研究有：針對(duì)五軸機(jī)床的非線性誤差計(jì)算法、五軸機(jī)床的刀具軌跡計(jì)算法等。

2 幾種復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 粗加工刀路軌跡設(shè)計(jì)

粗加工道路軌跡的主要目的是快速去除多余材料，提高加工效率。因此在刀具的選擇上盡可能選擇半徑大的球頭銑刀來(lái)加工，粗加工的方法常見(jiàn)的有偏置法和層切法，其中偏置法適用于精毛坯，如鑄造和鍛造毛坯。層切法主要用于毛坯余量比較大的情況。期間，安全平面的設(shè)置、起退刀點(diǎn)的設(shè)置、層高都會(huì)直接影響加工效率。

2.2 精加工刀路軌跡的設(shè)計(jì)

刀路軌跡的設(shè)計(jì)是精加工的重要內(nèi)容，合理的走刀路線方法可以保證加工精度，避免刀痕誤差。其中流道面軌跡設(shè)計(jì)和葉片的軌跡設(shè)計(jì)是重要部分。這時(shí)合理的刀具傾角及刀具直徑的選擇是保證質(zhì)量及兼顧效率的關(guān)鍵點(diǎn)。在具體的加工過(guò)程中常用的如等殘留高度螺旋軌跡生成法等。

2.3 葉片變形控制技術(shù)

從上文的介紹分析當(dāng)中，我們可以了解到，復(fù)雜整體葉輪數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中很容易出現(xiàn)葉片的變形情況。一旦這種情況產(chǎn)生，將會(huì)對(duì)葉輪的質(zhì)量造成很大的影響。目前應(yīng)用的方法有：采用加工時(shí)葉片的有限元分析和對(duì)刀具的切削力分析確定加工中切削參數(shù)的方法來(lái)減小變形，通過(guò)提高和增加夾具和輔助支撐剛度的方法降低葉片變形也取得了一定的成效。也可以通過(guò)加工余量分配及工藝參數(shù)優(yōu)化等方法，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用使復(fù)雜整體葉輪出現(xiàn)變形的問(wèn)題得到了很大程度的改善。

2.4 刀軸矢量改造技術(shù)

葉輪加工時(shí)，由于葉面扭曲較大，通道狹窄，刀具和葉片之間極易發(fā)生干涉現(xiàn)象。使用商用CAM軟件規(guī)劃刀位軌跡時(shí)，刀軸矢量往往取決于被加工葉片的曲面性質(zhì)，相鄰刀位點(diǎn)之間的刀軸矢量變化不均勻，使得五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)或主軸的擺動(dòng)突然變快或變慢，引起加工過(guò)程中切削力突變，輕則造成被加工零件表面質(zhì)量降低或啃傷，重則會(huì)導(dǎo)致刀具損壞，甚至損傷零件。因此，在進(jìn)行復(fù)雜通道類(lèi)零件刀位軌跡規(guī)劃時(shí)，需要在非干涉區(qū)域內(nèi)合理規(guī)劃刀軸矢量控制和勻化刀軸變化幅度，提高加工過(guò)程中的機(jī)床穩(wěn)定性，從而提高零件表面加工質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

葉輪加工的方法有多種，但目前復(fù)雜整體葉輪五軸數(shù)控加工是我國(guó)葉輪加工的主要方法。應(yīng)用上文提到的粗加工刀路設(shè)計(jì)、精加工刀路設(shè)計(jì)、葉片變形控制技術(shù)、刀軸矢量改造技術(shù)等方法，在提高葉輪加工精度和葉輪的加工效率方面有著積極的作用。

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