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        基于CAXA制造工程師2022四軸編程對葉輪刀路的優(yōu)化

        2024-04-08 03:55:10楊彪張利杰武利兵
        金屬加工(冷加工) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置

        楊彪,張利杰,武利兵

        山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 047500

        1 序言

        整體式葉輪在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其應(yīng)用范圍廣,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且加工困難,屬于較為高端的零件。同時對整體葉輪的加工質(zhì)量和精度要求較高[1],通常采用CAM軟件中的葉輪模塊編程,該模塊處理的軌跡為五軸軌跡,生成G代碼后需在五軸加工中心上完成加工,五軸加工中心的成本高,且加工過程中聯(lián)動軸較多,容易影響加工效率,因此,本文主要討論通過CAXA制造工程師2022軟件中非葉輪模塊加工策略的參數(shù)設(shè)置,實現(xiàn)四軸加工中心加工葉輪。

        整體葉輪作為特殊的零件,針對不同的材料其加工方法也是不同的,本例中葉輪材料為鋁合金[2],數(shù)控機床采用VMC1160型四軸加工中心,定位精度及重復(fù)定位精度在0.01mm以內(nèi),系統(tǒng)為FANUC 0iMD。整體葉輪的零件加工編程較為復(fù)雜,所以在軟件中要搭建輔助線及輔助面來優(yōu)化加工軌跡。編程軟件采用我國自主研發(fā)的CAXA制造工程師2022,利用四軸加工中心代替五軸加工中心完成加工,本文主要探討葉輪在四軸加工中心上的銑削加工。

        2 整體葉輪的零件分析

        將需要加工的葉輪模型導(dǎo)入C A X A軟件并分析尺寸,該葉輪結(jié)構(gòu)為單流道8個葉片均布,葉片曲率不大,整體葉輪形狀較為復(fù)雜,葉輪總高度為52.185m m,輪轂面上端及下端直徑分別為33.781mm、130mm,單個葉片厚度為1.319mm,根部圓角為3mm。技術(shù)要求該葉輪的葉片厚度誤差不得大于0.03mm,加工精度要求較高。葉片屬于薄片零件[1],且最大包覆面為回轉(zhuǎn)體[2],可用數(shù)控車床加工至圖1狀態(tài),之后在VMC1160型四軸加工中心上采用一夾一頂?shù)难b夾方式完成加工,該裝夾方案可以增加零件的裝夾剛性。整體開粗完成之后,零件應(yīng)力得到了釋放,此時輪轂及葉片的余量并不均勻,直接精加工無法保證尺寸的穩(wěn)定,所以要增加半精加工來使余量均勻,這樣在后續(xù)加工中不會出現(xiàn)因余量問題而導(dǎo)致的讓刀現(xiàn)象。工藝流程設(shè)計為:車削加工包覆面及外圓→葉片及流道定向粗加工→葉片及流道半精加工→葉片及流道精加工→根部圓角精加工。葉輪模型及尺寸標(biāo)注如圖2所示。

        圖1 葉輪包覆面

        圖2 葉輪模型及尺寸標(biāo)注

        3 整體葉輪的數(shù)控編程

        3.1 葉輪加工刀具的選用

        通過尺寸分析得到葉片根部的圓角為3m m,由此得出結(jié)論:粗加工使用的立銑刀應(yīng)≤6mm。但6mm立銑刀剛性較差,且切削效率低,為了提高葉輪的加工效率,使用直徑為8mm的整體硬質(zhì)合金立銑刀進行葉輪的定向開粗[3]??紤]到葉輪根部圓角為3mm,還需要對其清根,為了提高刀具的剛性與加工效率,使用兩把直徑為6mm的球頭銑刀來做半精加工及精加工。

        3.2 四軸定向加工坐標(biāo)系的建立

        首先點擊坐標(biāo)系功能,通過拾取原點位置的方式建立一個新的坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系處于葉輪的中心位置。接著通過CAXA軟件的“三維球”功能調(diào)整坐標(biāo)系的位置和坐標(biāo)軸的方向,使其坐標(biāo)軸的Z方向大致和兩葉片的中軸線相平行,X軸方向與四軸加工中心的X軸方向一致,我們將該坐標(biāo)系命名為“4A”。接著使用同樣的方法建立一個坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系要在“4A”的基礎(chǔ)上繞著X軸旋轉(zhuǎn)15°,將其命名為“4B”,該坐標(biāo)系建立的意義是:葉片有倒扣部分,需要兩次定向加工才可以加工完成,這樣在葉輪粗加工完成之后,葉輪的局部余量不會太大,避免半精加工的刀具損壞,精加工的時候不會因局部余量不均勻而造成表面質(zhì)量不佳[4]。建立好的坐標(biāo)系如圖3所示。

        圖3 葉輪加工坐標(biāo)系

        3.3 四軸定向粗加工

        將車床車好的包覆面模型保存為STL格式,在軟件中點擊毛坯,使用打開文件的方式讀取該模型,將該模型設(shè)置為葉輪的毛坯。打開三軸功能中的等高線粗加工策略,坐標(biāo)系啟用“4A”,毛坯選取剛剛設(shè)置好的模型。加工幾何選取整個葉輪,加工方式使用往復(fù),加工方向使用順銑,使用區(qū)域優(yōu)先,切削方式使用環(huán)切進行加工。

        根據(jù)刀具分析,加工刀具選擇8m m的硬質(zhì)合金立銑刀,整體余量留0.5mm,每層切削1.5mm。這里余量設(shè)置為0.5m m是為了防止葉輪開粗完成之后,葉輪變形導(dǎo)致過切的現(xiàn)象。每層深度設(shè)置1.5m m的依據(jù)是后續(xù)有半精加工可以保證余量均勻,粗加工增加背吃刀量可以提高效率。區(qū)域參數(shù)中開啟加工邊界,在草圖中通過投影的方式,大致描繪出流道的區(qū)域,這樣在生成刀路的時候不會有多余的刀路。連接方式中,層間連接使用抬刀到安全距離,并且開啟進給;組連接和區(qū)域連接都使用光滑連接,保證刀路在連接時光順。

        接著進入實體仿真模塊,點擊開始仿真,仿真結(jié)束后將其保存為STL格式的文件備用,再打開毛坯設(shè)置,用打開文件的方式讀取剛剛保存的STL模型,接著將該刀路復(fù)制一份,將坐標(biāo)系替換為“4B”,毛坯選擇仿真結(jié)束的STL模型,重新運算生成補加工刀路,使用毛坯模型的方式補加工可以更高效、更安全。其他流道的刀路只需用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份即可。等高粗加工參數(shù)設(shè)置如圖4所示,葉輪定向加工刀路如圖5所示。

        圖4 等高線粗加工參數(shù)設(shè)置

        圖5 葉輪定向加工刀路

        3.4 四軸聯(lián)動半精加工

        (1)四軸聯(lián)動半精加工葉片 葉輪模塊粗加工后的葉輪表面余量比較均勻,后續(xù)精加工不容易發(fā)生讓刀現(xiàn)象,但限制條件是必須使用五軸加工中心進行加工,對設(shè)備要求嚴(yán)格。使用四軸加工中心通過定向的方式粗加工葉輪,雖然不受設(shè)備的限制,但是表面的余量不均勻,所以加入半精加工是為了控制葉輪關(guān)鍵尺寸,優(yōu)先將葉輪的葉片加工到位,這樣在加工流道時刀具剛性更佳[5]。

        打開“五軸限制線”加工策略,通過前面的刀具分析選用6mm的球頭銑刀,加工曲面選擇單個葉片的側(cè)壁及根部圓角,第一限制線和第二限制線分別選擇葉片的頂部和底部的輪廓線。加工方式使用單向順銑的方式,行距設(shè)置為0.8mm,余量設(shè)置為0.05mm。在聯(lián)動加工葉片的過程中,連接參數(shù)中將間隙連接和行間連接的方式都設(shè)置為光滑連接,空切區(qū)域使用軸線平行于X軸的圓柱面,所有的空走刀全部開啟圓弧光滑,并且設(shè)置為5mm,以保證刀路順暢,機床在運行的時候不會卡頓。慢速進給距離及慢速抬刀距離設(shè)置為1mm,避免因抬刀較高而影響加工效率。刀軸控制使用四軸模式,方式設(shè)置為刀軸背離點,并且傾斜于X軸方向。干涉檢查中干涉曲面選擇要加工的葉片及整個流道面,刀具檢查部位選擇整個刀具及刀柄,干涉處理策略使用擺動刀軸,擺動方式為自動處理。這樣在遇到過切的地方刀軸會重新計算,防止零件發(fā)生過切現(xiàn)象。因葉片為8等份,故使用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份,每份刀路的旋轉(zhuǎn)角度為45°,將整個葉輪的葉片刀路一次性生成。干涉檢查設(shè)置如圖6所示,葉片“五軸限制線”半精加工刀路如圖7所示。

        圖6 葉片干涉檢查設(shè)置

        圖7 葉片半精加工刀路

        (2)四軸聯(lián)動半精加工流道 加工流道的時候需要搭建輔助面,先將葉輪的流道面提取出來再進入YOZ平面創(chuàng)建兩根樣條曲線,其剛好可以將流道分割成單獨的一份。通過投影的方式,將該曲面裁剪,做出一個流道的輔助面,提取該曲面左右兩側(cè)的邊界線為輔助線,該輔助面及輔助線如圖8所示。

        圖8 流道輔助面及輔助線

        打開“五軸限制線”加工策略,加工曲面選擇創(chuàng)建好的輔助面,第一限制線和第二限制線分別選擇左右兩邊的邊界輪廓。根據(jù)刀具分析選擇6mm的球頭銑刀?;镜募庸?shù)和半精加工葉片的設(shè)置相同,加工流道的刀軸設(shè)置為四軸基于進給方向傾斜,在干涉檢查中將刀具及刀柄全部開啟檢查,這里干涉檢查幾何只選擇干涉曲面,將流道左右的葉片及圓角選擇上即可,并且避讓余量要設(shè)置為0.1mm,防止在加工底面時刀桿碰到葉片。干涉檢查的設(shè)置如圖9所示,流道的半精加工刀路如圖10所示。

        圖9 流道干涉檢查設(shè)置

        圖10 流道半精加工刀路

        3.5 四軸聯(lián)動精加工

        (1)四軸聯(lián)動精加工葉片 精加工葉片依然選用半精加工時的策略,只需要將行距設(shè)置為0.1mm,余量設(shè)置為0mm即可,0.1mm的行距可滿足該零件的表面粗糙度要求。由于半精加工還預(yù)留了0.05mm,因此余量少的同時又比較均勻,刀具切削時不容易發(fā)生振動和讓刀,可以滿足精度要求。

        (2)四軸聯(lián)動精加工流道 加工流道也選取半精加工流道時的策略,將行距設(shè)置為0.1mm,余量設(shè)置為0mm。由于輪轂面剛性強,且半精加工后余量少且均勻,所以可以滿足零件的精度要求。由于該6mm的球頭銑刀所切削出的最小圓角為3mm,軌跡起始位置的進給路線與圓角位置很近,所以在精加工底面后,葉片根部的圓角余量很少,直接精加工圓角即可。

        (3)四軸聯(lián)動精加工根部圓角 四軸聯(lián)動精加工圓角的刀路如圖11所示,實體仿真的結(jié)果如圖12所示。打開“五軸限制線”加工策略,根據(jù)刀具分析選取6mm的球頭銑刀,加工曲面選擇單一葉片的根部圓角,第一限制線及第二限制線分別選擇圓角的上下邊緣線。加工參數(shù)和聯(lián)動精加工葉片的參數(shù)一致,刀軸選用背離點的方式,這里干涉檢查需要同時選取圓角部分及葉輪外圓面。做好一份精加工圓角的刀路以后使用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份,一次性生成聯(lián)動精加工圓角的刀具路徑,之后選中全部刀路進入實體仿真。通過仿真功能中的分析功能,檢查葉輪是否過切。

        圖11 圓角精加工刀路

        圖12 實體仿真

        4 四軸加工葉輪的應(yīng)用

        將刀路選中后處理生成G代碼,控制系統(tǒng)使用FANUC 0iMD。生成的部分G代碼如圖13所示。在機床上加工的裝夾如圖14所示,加工的成品如圖15所示。零件加工完成后,檢驗相關(guān)尺寸,公差全部在0.015mm以內(nèi),完全滿足尺寸精度要求。

        圖13 部分G代碼

        圖14 四軸裝夾示意

        圖15 四軸聯(lián)動加工成品

        5 結(jié)束語

        本文通過對整體式葉輪的零件分析,設(shè)計了工藝流程,合理選擇了四軸加工中心以及相應(yīng)的刀具,利用CAXA制造工程師2022軟件對整體式葉輪的各個部位生成了刀路,并且進行了實體仿真。對于曲率不大的葉輪,可以通過優(yōu)化刀具路徑的方式,使用四軸加工中心來加工葉輪,通過搭建輔助面及輔助線、干涉檢查的方式來達(dá)到四軸精加工葉輪的目的。經(jīng)過實際加工驗證了其可行性,有一定的實際應(yīng)用價值。

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