邵樹(shù)鋒

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

整體式葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的核心部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船等工業(yè)領(lǐng)域。本文采用先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)——華中數(shù)控848D 型的智能高速五軸數(shù)控機(jī)床HMC-200i/5a，對(duì)整體大扭度葉輪進(jìn)行五軸加工工藝規(guī)劃、加工軌跡編程、虛擬仿真等關(guān)鍵技術(shù)的深入探討與研究。

1 整體葉輪結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)分析

本文所研究的整體葉輪模型如圖1 所示。此模型外形特征為典型的葉輪模型，主要由8 片曲形葉片和1 個(gè)底座組成整體式葉輪。

圖1 整體五軸葉輪

葉片整體的加工精度較高，未注公差為±0.03 mm，并且葉輪表面粗糙度要求較高。葉片扭度較大，加工時(shí)易導(dǎo)致刀具與葉片干涉。通過(guò)分析，該零件加工的技術(shù)要求及難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）葉輪整體表面粗糙度要求較高，需選擇合適的刀具種類(lèi)和刀具參數(shù)。

（2）葉輪整體加工形狀精度要求較高，未注公差為±0.03 mm，應(yīng)合理設(shè)置粗、半精、精加工的余量，合理安排刀具路徑來(lái)達(dá)到加工所需要求。

（3）合理安排加工刀路及工藝，提高葉片加工精度，防止葉片之間的干涉，提高加工效率。

2 整體葉輪加工工藝規(guī)劃

2.1 前期準(zhǔn)備過(guò)程

（1）整體葉輪毛坯準(zhǔn)備。整體大扭度葉輪毛坯采用尺寸為Φ105 mm×45 mm 的2A12 鋁合金棒料，通過(guò)數(shù)控車(chē)削而成。按照整體葉輪要求，通過(guò)數(shù)控車(chē)削完成葉輪外形及槽的坯體粗、精加工，最后做成如圖2 所示的毛坯。

圖2 整體葉輪坯料

（2）機(jī)床的選用。整體大扭度葉輪加工設(shè)備要求具有數(shù)控加工處理功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度靈敏、對(duì)程序預(yù)讀快等性能。采用HMC-200i/5a 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心配備高性能的華中848D 數(shù)控系統(tǒng)。A 軸擺動(dòng)范圍在-30°～+110°，能夠滿(mǎn)足葉片曲率變化大的要求。

2.2 工藝安排

此模型外形特征為大扭度的葉輪模型，主要加工部位有葉片面、葉根面、輪轂面這三塊，分別需要按粗、半精、精的工序來(lái)完成，具體加工工藝安排如下：①粗加工：葉輪頂部→流道；②半精加工：葉輪頂部→葉片→輪轂→葉片根部；③精加工：葉輪頂部→葉片→輪轂→葉片根部。

3 整體葉輪五軸加工方案

3.1 整體葉輪頂部粗加工

頂部銑削粗加工時(shí)，用直徑10 mm 的四刃鋁用硬質(zhì)合金立銑刀，選擇主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，切削速度為188.4 m/min，切削深度分層1 mm，行間距5 mm，留0.3 mm 半精加工余量。加工工藝參數(shù)如表1 所示，頂部銑削粗加工刀路軌跡如圖3 所示。

圖3 頂部銑削粗加工刀具軌跡

表1 頂部銑削粗加工工藝參數(shù)

3.2 整體葉輪流道粗加工

大扭度多葉片開(kāi)粗是對(duì)葉輪的葉片之間流道進(jìn)行粗加工，為半精加工做準(zhǔn)備。流道粗加工時(shí)，選擇直徑為8 mm 的鋁用硬質(zhì)合金球刀，選擇主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，切削速度為150.72 m/min，分層深度為刀具直徑的30%，行間距為刀具直徑的40%，留半精加工余量0.3 mm。加工工藝參數(shù)如表2 所示。完成程序編程后，隨后進(jìn)行程序陣列，選擇變換功能，設(shè)置角度為45°，陣列7 份完成。流道銑削粗加工刀路軌跡如圖4 所示。

表2 流道銑削粗加工工藝參數(shù)

圖4 多葉片流道銑削粗加工刀具軌跡

3.3 整體葉輪頂部半精加工

在葉輪頂部半精加工時(shí)選擇曲面區(qū)域輪廓銑。為了提高葉輪表面質(zhì)量，增加一道半精加工工序。半精加工時(shí)為了防止葉片和刀具的干涉，選擇硬質(zhì)合金刀頭為R1.5 mm、刀柄直徑為6 mm 的3°錐型鋁用球刀進(jìn)行加工。主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，切削速度為75.36 m/min，切削方式為螺旋，步距方式為數(shù)量，步距數(shù)為10，留有0.06 mm 精加工余量。加工工藝參數(shù)如表3 所示，整體葉輪頂部半精加工刀路軌跡規(guī)劃如圖5 所示。

表3 葉輪頂部銑削半精加工工藝參數(shù)

圖5 葉輪頂部銑削半精加工刀具軌跡

3.4 整體葉輪半精加工

為了減少表面振紋，提高加工尺寸精度及加工表面質(zhì)量，增加半精加工工序。葉輪半精加工時(shí)為了防止葉片和刀具的干涉，選擇銑刀頭部為R1.5 mm、柄部直徑6 mm、錐度3°的錐型鋁用硬質(zhì)合金球刀進(jìn)行加工。分別選擇葉片精銑、輪轂精加工等加工指令去加工大扭度葉輪的葉片、輪轂兩個(gè)要素。半精加工的主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，切削速度為75.36 m/min，切深為刀具直徑的10%，留0.05 mm 精加工余量。圓角半精加工的主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，切削速度為94.2 m/min，切寬為0.6 mm。完成程序編程后，隨后進(jìn)行程序陣列，選擇變換功能，設(shè)置角度為45°，陣列7 份完成。加工工藝參數(shù)如表4 所示，葉輪半精加工刀路軌跡規(guī)劃如圖6 所示。

表4 葉輪銑削半精加工工藝參數(shù)

圖6 葉輪銑削半精加工刀具軌跡

3.5 整體葉輪頂部精加工

在葉輪頂部精加工時(shí)選擇曲面區(qū)域輪廓銑。主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，切削速度為113.04 m/min，切削方式為螺旋，步距數(shù)為30。增加步距數(shù)提高加工表面質(zhì)量。加工工藝參數(shù)如表5 所示，頂部銑削精加工刀路軌跡規(guī)劃如圖7 所示。

圖7 葉輪頂部銑削精加工刀具軌跡

表5 葉輪頂部銑削精加工工藝參數(shù)

3.6 整體葉輪精加工

為了提高加工尺寸精度及表面質(zhì)量，葉片精加工主軸轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，切削速度為113.04 m/min，切深為刀具直徑的5%。完成程序編程后，隨后進(jìn)行程序陣列，選擇變換功能，設(shè)置角度為45°，陣列7 份完成。輪轂精加工切削參數(shù)和葉片精加工一樣。圓角精加工的主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，切削速度為141.3 m/min，切寬為刀具直徑的5%。加工工藝參數(shù)如表6 所示，葉輪精加工刀路軌跡規(guī)劃如圖8 所示。

表6 葉輪銑削精加工工藝參數(shù)

圖8 葉輪銑削精加工刀具軌跡

3.7 虛擬仿真

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序編制復(fù)雜，要對(duì)刀具干涉、碰撞等問(wèn)題充分考慮與分析。智能高速五軸加工中心設(shè)備貴重，機(jī)加工之前須對(duì)程序經(jīng)過(guò)多軸機(jī)床仿真軟件仿真加工，查看程序是否正確，來(lái)確保程序的可靠性，再上機(jī)操作加工。

本次仿真采用的是VERICUT8.2.1 版本，構(gòu)建一個(gè)加工中心的模型，如圖9 所示，仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖9 加工中心模型

圖10 葉輪程序仿真結(jié)果

4 加工試驗(yàn)

驗(yàn)證大扭度葉輪數(shù)控程序沒(méi)有干涉、碰撞等現(xiàn)象后，在真實(shí)的HMC—200i/5a 智能高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上完成了整體大扭度葉輪的實(shí)物加工。通過(guò)試驗(yàn)，可有效避免刀具的碰撞。在精加工時(shí)適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速至12 000～15 000 r/min，葉輪表面質(zhì)量最佳。最后，通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)（具備葉輪模塊功能）檢測(cè)，達(dá)到了規(guī)定的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)整體大扭度葉輪的加工難點(diǎn)、加工工藝、刀具參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了研究。采用UG12.0 三維造型、五軸編程、VERICUT.8.2.1 仿真軟件來(lái)加以輔助，進(jìn)行了加工仿真。根據(jù)加工仿真、刀具路徑優(yōu)化及實(shí)際試樣，得出了關(guān)鍵加工刀具的優(yōu)化參數(shù)，攻克了整體大扭度葉輪的加工難點(diǎn)，為此類(lèi)零件合理加工提供了重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。