模型蝸殼的高效數(shù)控加工技術(shù)

四川省德陽市東方電機(jī)研究試驗(yàn)中心 （618000） 王健偉

我公司生產(chǎn)的水輪機(jī)電站模型中通流部件主要是由蝸殼、肘管、擴(kuò)散管以及支墩等零件組成。該通流部件的加工往往采用傳統(tǒng)的焊接拼裝工藝，就是按照通流部件的單線圖將等厚的鋼板在卷筒機(jī)上卷壓成形，然后將它們一塊塊焊接拼裝起來。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是焊縫高低不平，表面粗糙度差，需要花費(fèi)大量的手工作業(yè)來進(jìn)行拋光、打磨，因此工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率很低，生產(chǎn)周期長，而且?guī)缀纬叽缫膊荒艿玫接行У谋ＷC，從而影響到了水輪機(jī)模型的整體效率，越來越不能滿足現(xiàn)代水輪機(jī)電站模型的水力試驗(yàn)需求。

隨著計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)日趨強(qiáng)大和完善，它的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)中最能明顯發(fā)揮效益的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)代制造技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)控加工技術(shù)也在不斷得到更新和提高，它在制造業(yè)中的重要地位也越來越凸現(xiàn)，在生產(chǎn)加工過程中所占的比重也越來越大。

為了提高水輪機(jī)電站模型通流部件中蝸殼的加工質(zhì)量和效率，我們在考慮了現(xiàn)有的數(shù)控加工設(shè)備和CAD/CAM系統(tǒng)軟件后，決定將模型蝸殼的生產(chǎn)加工實(shí)現(xiàn)數(shù)控化。

設(shè)備的選擇

蝸殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是精度要求高，加工尺寸大，許多重要的孔和加工面位于三維立體空間位置，這給加工和測量都帶來很大的困難。某窩殼的加工尺寸為1583mm×1509mm，尺寸較大。它上面的很多測壓孔和把合孔都位于三維立體空間位置，而且把合螺紋孔以及定位銷孔的位置也都要求數(shù)控加工來保證裝配時(shí)的相對位置。

為了減少裝夾次數(shù)以及多次裝夾帶來的加工誤差，需要利用大型五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床進(jìn)行一次性的數(shù)控加工。為此，我們選擇了德國產(chǎn)的DMU 200P五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。該加工中心的工作行程為2000mm×4000mm，操作系統(tǒng)采用的是MILLPLUS系統(tǒng)，精度等級高，主軸功率大，完全能夠滿足模型蝸殼的加工制造。此次模型蝸殼的數(shù)控加工是在DMU 200P五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心上完成的。

模型蝸殼的數(shù)控加工

UG的加工模塊提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助制造功能。在UG的加工應(yīng)用中，系統(tǒng)提供了多種加工類型用于各種復(fù)雜零件的粗精加工，可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。在交互操作過程中，可在圖形方式下交互編輯刀具路徑，觀察刀具的運(yùn)動過程，生成刀具位置源文件。同時(shí)，應(yīng)用其可視化功能，在屏幕上顯示刀具軌跡，模擬刀具真實(shí)切削過程，通過過切檢查和殘留材料檢查，檢測相關(guān)參數(shù)設(shè)置的正確性。

下面就以模型蝸殼的數(shù)控加工為例，來討論UG中的CAM模塊在數(shù)控加工中的應(yīng)用。

此次加工的蝸殼屬于比較平坦的型腔結(jié)構(gòu)，但是加工余量較大。首先進(jìn)行粗加工，如果選用大直徑的刀具，有些曲率小和空間小的地方加工不到；如果選用小直徑的刀具，加工效率又很低。綜合考慮后，確定先用大直徑的刀具加工主要的型腔部分，再用小直徑的刀具專門加工曲率小和空間小的部分。

1.選擇合理的刀具

在綜合考慮了蝸殼的結(jié)構(gòu)后，我們選擇了三把銑刀來加工主要的型腔部分。一把大直徑的盤銑刀，公稱直徑為100mm，圓角直徑為8mm，用來切除大的加工余量。一把中等直徑的盤銑刀，公稱直徑為32mm，圓角直徑為6mm，用來精加工主要的型腔部分。一把小直徑的球頭銑刀，公稱直徑為20mm，圓角直徑為10mm，用來精加工中等直徑銑刀沒有加工到的曲率小和空間小的型腔部分。還有一部分各種各樣的鉆頭和絞刀，用來加工位于三維立體空間位置測壓孔和把合孔。

2.工藝分析和加工參數(shù)的設(shè)置

在數(shù)控加工中，編程原點(diǎn)和編程坐標(biāo)系的設(shè)置是很重要的一項(xiàng)工作，它關(guān)系到后面編程以及找正的難易程度。通過對蝸殼的結(jié)構(gòu)分析，我們選擇了蝸殼上平面作為零點(diǎn)平面，蝸殼上的內(nèi)圓圓心作為零點(diǎn)。同時(shí)，我們選擇了蝸殼上的工藝臺作為裝夾位置。

在加工工藝上，我們確定先用直徑為100mm的盤銑刀加工主要的型腔部分，粗加工切除大的加工余量。然后用直徑為32mm盤銑刀進(jìn)行主要型腔部分的精加工。最后用直徑為20mm球頭銑刀精加工中等直徑銑刀沒有加工到的曲率小和空間小的型腔部分。

由于蝸殼是鑄造的鋁件，所以在切削過程中可以使用大的吃刀量和走刀速度來保證加工效率。粗銑的走刀速度可以達(dá)到1000～1500mm/min，切削深度可以達(dá)到3～4mm；精銑的走刀速度可以達(dá)到2000～3000mm/min，切削深度可以達(dá)到0.4～0.6mm，這樣精加工出來的表面可以不用手工來拋光，而且表面質(zhì)量完全滿足水力試驗(yàn)的需求。

3.確定加工工藝

通過前面的工藝分析，我們也確定了蝸殼的加工工藝。UG提供的常用的粗加工方法是型腔銑（CAVITY MILLING），尤其適用于需要大量切除毛坯余量的場合。為此，我們在UG的CAD模塊中建立了一個(gè)用于粗加工程序生成需要的毛坯，將需要加工的流道表面作為加工面，通過逐層切削零件的方法，采用單方向走刀方式，來創(chuàng)建加工刀具路徑。

這樣的加工方式可以保證刀具在切削過程中的切削深度一致，切削過程很平穩(wěn)，對提高刀具的使用壽命和加工質(zhì)量有很大的好處。在進(jìn)行蝸殼的精加工時(shí)，采用的加工方法和粗加工方法一樣，只是將一些加工參數(shù)（如加工刀具、切削深度、進(jìn)給率等）作了修改，以達(dá)到精加工表面質(zhì)量的要求。圖1所示就是利用UG的CAM模塊生成的粗精加工路徑。

圖1

在經(jīng)過了粗精加工后，蝸殼的大部分主要型腔部分已經(jīng)加工完成。但是在一些曲率小和空間小的型腔部分，刀具無法進(jìn)行切削。所以我們利用了UG提供的精加工方法清根銑（FLOWCUT_REF_TOOL），使用的參考刀具是前一把直徑為32mm盤銑刀，專門對這些地方進(jìn)行加工。經(jīng)過上面的清根銑后，這些表面的銜接部分得到了很好的光滑過度。

通過這些加工后，蝸殼的主要型腔部分已經(jīng)完全加工完成，現(xiàn)在我們利用UG提供的精加工方法固定軸曲面輪廓銑（FIXED CONTOUR），使用直徑為20mm的刀具對蝸殼上的小斜面進(jìn)行精加工。這樣，蝸殼上需要加工的表面全部加工完成（見圖2）。

圖2

4.刀具軌跡仿真

加工刀具軌跡仿真是指利用計(jì)算機(jī)來仿真數(shù)控加工過程。它包括刀具運(yùn)動軌跡仿真和刀具、夾具、機(jī)床、工件間的運(yùn)動干涉仿真。我們利用UG的CAM模塊中的加工仿真功能，對上述刀具軌跡進(jìn)行了加工仿真，沒有發(fā)現(xiàn)有過切工件和發(fā)生運(yùn)動干涉的現(xiàn)象，所以上述刀具軌跡滿足數(shù)控加工程序生成的需要。

5.后置處理

在UG中的各CAM模塊主要功能是創(chuàng)建零件加工的刀具路徑。但是，生成的刀具路徑如果沒有經(jīng)過后置處理將無法直接發(fā)送到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工。這是因?yàn)椴煌瑥S商生產(chǎn)的機(jī)床硬件條件是不同的，每種類型的機(jī)床都有其獨(dú)特的硬件性能和要求，比如它可以有垂直或是水平的主軸，可以幾軸聯(lián)動等。此外，每種機(jī)床又受其控制器的控制，對于同一種功能，在不同的控制系統(tǒng)中的代碼也不完全相同。

因此，刀具位置源文件必須經(jīng)過后置處理，以適應(yīng)不同機(jī)床/控制系統(tǒng)的特定要求。后置處理就是根據(jù)機(jī)床參數(shù)來格式化刀具位置源文件，并生成特定機(jī)床可以識別的NC程序的過程。對于DMU 200P五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，也有其特殊的數(shù)據(jù)格式，我們利用其特定的后置處理程序?qū)⒌毒呶恢迷次募M(jìn)行了后置處理，得到了DMU 200P五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心能夠識別的N C程序，最終完成了模型蝸殼的數(shù)控加工（見圖3）。

圖3 加工完成的水輪機(jī)模型蝸殼

結(jié)語

UG的CAD/CAM模塊為實(shí)現(xiàn)模型蝸殼的數(shù)控加工提供了可靠的支柱。數(shù)控加工技術(shù)在水輪機(jī)電站模型的加工中得到了很好的應(yīng)用，不僅減輕了傳統(tǒng)加工工藝后續(xù)工序的勞動強(qiáng)度，而且大大提高了制造質(zhì)量和加工效率。