基于CIMATRON－E9的整體式葉輪五軸CAM加工實踐

楊軼峰

(北京市工業(yè)技師學院，北京 100023)

整體式葉輪，按零件材料分為鈦合金和高溫合金、鋁合金等多種類型，其輪轂和葉片為一個整體，可以滿足壓氣機葉輪產(chǎn)品強度要求。傳統(tǒng)的制造方式是鑄造成型后用拋光的方式進行加工，生產(chǎn)周期長，制造復雜，葉片精度誤差較大，動平衡效果差。采用CAM軟件編程，在五軸加工中心上完成整體式葉輪的加工，這種加工方式將輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成，曲面誤差小，動平衡時去質量較少，是比較理想的加工技術。本次需要加工的整體式葉輪如圖1。

1 加工難點分析

葉輪類零件構成的一般形式是若干組葉片均勻分布在輪轂的曲面上。一組葉片中可能只有一個葉片，也可能有若干個葉片。前一種的葉片分布稱為等長葉片，后一種的葉片形式主要指含有小葉片，一般稱為交錯葉片。本次所要加工的整體式葉輪如圖1，該葉輪有5片大葉片、5片小葉片，葉片厚度最薄處1.7 mm，相鄰葉片最小間距為13 mm。通過分析整體式葉輪的幾何結構和工藝過程，其加工困難主要表現(xiàn)如下。

1.1 葉輪的結構分析

各葉片根部間距約13 mm，導致流道狹窄，極易發(fā)生加工刀具、刀柄與臨近葉片碰撞干涉，需要機床擺動軸具有較大的擺動范圍，從而有利于刀具、刀柄在有限空間中避讓干涉。但是如果為了避免刀具干涉，加大刀具裝夾長度又會降低刀具剛性，在清角加工時刀具直徑較小，刀具容易折斷，

1.2 葉輪的材料變形分析

鋁合金彈性恢復大:鋁合金彈性模量為72 GPa，約為鋼的1/3，在切削力作用下，會產(chǎn)生大的切削變形以及大的彈性恢復［1］。綜上所述，如何提高此類葉輪的加工效率和葉片成型質量，需要綜合考慮各項因素選定合適設備和工藝設計。

1.3 工件的加工質量分析

根部圓角要求小于5 mm，而葉片長度又超過60 mm，葉片厚度較薄，屬于薄壁工件，在加工過程中需要克服振動，避免刀具振動影響葉片表面質量。為實現(xiàn)較好表面加工質量，除了高速主軸和能實現(xiàn)高速加工鋁合金材料刀具的選擇，也要求機床在聯(lián)動加工過程動態(tài)性能穩(wěn)定。

1.4 葉輪的曲率變化分析

葉片的曲率半徑變化較大，加工過程中機床的角度變化較大，機床擺角直接影響葉片的環(huán)繞加工，要求機床主軸具備較大的擺動范圍。同時要求控制系統(tǒng)對于過渡圓角的加工不要出現(xiàn)突然的擺動。

2 加工方案制定

整體銑削葉輪加工方案總體描述:將鍛壓鋁材車削成葉輪回轉體的基本形狀，然后在五軸加工中心上使輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成，它可以滿足壓氣機葉輪產(chǎn)品強度要求，曲面誤差小，動平衡時去質量較少，這種加工方法比較理想。機床、CAM軟件是葉輪加工的軟硬件基本單元，合理的工裝設計是實現(xiàn)加工的重要保證。具體方案說明如下。

2.1 機床選擇(除毛坯加工外，葉輪五軸加工部分)

為了縮短加工時間，粗加工需要高效率地去余量。要求在低轉速大切深的加工狀態(tài)中，沖擊載荷在主軸的最大扭矩承受范圍內，將有利于刀具的加工穩(wěn)定性。我院使用的DMG－DMC－75V五軸加工中心(圖2)，配備的最高轉速28 000 r/min，采用直線電動機驅動，加速度最大可達2g，快移速度可達到90 m/min，具有強有力的扭矩，為粗加工的高效地去除余量提供了保證。五軸的裝備有直接驅動的數(shù)控工作臺和擺動主軸(圖3)，主軸擺動頭的擺動范圍10°～110°，保證了葉片加工各種曲率變化范圍的覆蓋。機床控制系統(tǒng)為Heidenhain ITNC530(圖4)，該系統(tǒng)具有很快的處理速度，具備五軸補償功能，能在讀取五軸程序時對機床進行幾何補償和刀具補償，能夠實現(xiàn)刀具中心位置保持，即保持刀尖與工件的相對位置。

2.2CAM軟件選型

對CAM軟件的要求:加工整體式葉輪時加工軌跡規(guī)劃的約束條件較多，相鄰葉片之間空間較小，加工時極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動生成無干涉加工軌跡比較困難。因此在加工葉輪的過程中不僅要保證葉片表面的加工軌跡能夠滿足幾何準確性的要求，而且要保證充分考慮到避免干涉的條件。目前，我國葉輪的廠家采用的CAD/CAM軟件類型較多。本文選用目前流行且功能強大的CIMATRON－E9，對整體式葉輪曲面進行加工軌跡規(guī)劃。該軟件最大特點是編程充分考慮到高速加工，基于毛坯殘留的知識加工，易學易用，集成性好，利于工程技術人員上手。同時該軟件占用內存相對較小，利于后置程序的計算與程序生成，通過計算有效避免刀具、刀柄、工件和機床之間的干涉及碰撞。

2.3 工裝夾具設計

工裝不僅僅起著工件與工作臺的連接作用，更重要的是能夠在加工中穩(wěn)固工件，防止振動。如果采用具有吸振功能的專用夾具，對改善工件表面質量大有裨益。同時需要注意的是，當加工過程中擺動軸有較大的擺動角(超過90°)，需要考慮工件距離工作臺面的最小距離，以此避免主軸與工作臺的碰撞干涉。針對本次要加工的零件設計了專門的夾具(如圖5)。

3 加工工藝制定

根據(jù)葉輪的結構(如圖6)和使用要求分析，將加工工藝流程制定為:車削葉輪回轉體輪廓—流道粗加工(含葉片粗加工)—大葉片半精、精加工—小葉片半精、精加工—流道半精和精加工—倒圓部分清根。

3.1 車削葉輪回轉體輪廓

在本環(huán)節(jié)的加工中為了提高整體葉輪的強度，毛坯一般采用鍛壓件，然后進行基準面的數(shù)控車削加工，加工出葉輪回轉體的基本形狀(如圖7)，切削參數(shù)參看表1。

3.2 流道粗加工(含葉片粗加工)

(1)加工策略分析

表1 車削葉輪回轉體工藝參數(shù)

在這部分加工過程中，有兩種可以采取的方法。第一種是總體分層粗加工，采用五軸聯(lián)動加工方式，通過在軟件設定葉輪實際回轉毛坯的形狀，系統(tǒng)將所有流道部分的總加工余量依據(jù)材料的切削性能和刀具硬度通過不同切削速度分成若干層進行加工，所分層數(shù)與每層的厚度要充分考慮到葉片的曲率、刀具的懸伸等方面的要求，如圖8。第二種方法屬于型腔銑削類型，分流道單獨進行加工，采用的是5軸定位加工，這種加工方式對主軸剛性比較差的比較實用，但是粗加工后留下余量較多且不規(guī)則，需要進行二次粗加工，時間相對比較長，如圖9。本工件選擇的是總體分層粗加工方式，在加工中要選取葉片面和輪轂面為干涉面，目的是防止粗加工中對葉片面和輪轂產(chǎn)生過切。

(2)刀具選擇

這部分需要注意的是開槽加工槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，避免下刀就造成后續(xù)葉片過切變形。同時切削方向要平行于流道方向。并保證流道槽底與輪轂表面留有一定的加工余量，避免產(chǎn)生過切。實現(xiàn)效率的最優(yōu)化，以適應低轉速、深加工、大去屑量的工藝特征，在此過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，以保證刀具有足夠的剛度，減少振動或刀具折斷等。刀具直徑2R小于兩葉片間的最小距離，這個距離使用CIMATRON軟件的分析功能便可測出。同時在可能的情況下，刀具的安裝長度要盡量選擇短，以增強刀具的剛度。切深(Ap)加大的時候，刀具在滿刀切削時會受到反向作用力，采用普通彈簧卡套刀柄夾持刀具容易被拉出，所以選擇側固式鎖緊刀柄。

粗加工工藝設置上，加工的時候在兩葉片中間區(qū)域，刀具自動從外部圓弧進刀，剛切入的進給速度是設定速度的30%，五軸聯(lián)動模式切削，刀軸的變換角度設置為1°，最大擺角設置90°;單層切深2 mm;再向兩側偏移直至到葉片;一個粗加工程序就把整個葉輪流道開粗完成;采用這種工藝方案大大縮短流道開粗的加工時間，切削參數(shù)參看表2。

3.3 大葉片半精、精加工

(1)加工策略分析

對于葉片的加工來說，由于葉片很薄，在半精加工和精加工時盡量采用逐層切削的方式，從加工路線來說可以先加工葉尖位置，保證葉尖加工時葉片還有足夠的強度，然后再對葉片進行逐層往下加工。CIMATRON軟件中具備精加工使用自動分層加工，在一個程序里就包含了半精加工和精加工(圖10，11)，這是這個軟件的強大之處;連刀方面采取圓弧進退刀;刀具以光順的軌跡進入和退出葉片面，保證高速平穩(wěn)加工。

因為葉片曲率變化較大，高速加工時需要軟件有能力實時根據(jù)曲面曲率改變進給值，即在編程時對不同曲率的曲面設置不同的進給速度(如圖12)，以減少刀具在加工過程中因突然的曲面變化而發(fā)生崩刀、過切現(xiàn)象。

表2 流道粗加工工藝參數(shù)

表3 大葉片半精加工流道工藝參數(shù)

表4 小葉片精加工工藝參數(shù)

表5 流道半精加工流道工藝參數(shù)

表6 流道精加工加工工藝參數(shù)同

表7 圓角精加工加工工藝參數(shù)

(2)刀具選擇

在葉片精度加工過程中，在保證不過切的情況下盡可能選擇直徑大一些的球頭刀，要求刀具半徑必須大于流道和葉片相接部分的最大圓角半徑。切削參數(shù)參看表3。

3.4 小葉片半精、精加工

小葉片粗、精加工的加工策略、刀具、切削參數(shù)(表4)與大葉片相同(圖13)，加工軌跡也采取半精、精加工一塊分層(高度方向)的方式(圖14)進行。

3.5 流道半精加工

(1)加工策略(見圖15)

流道半精加工目的是給精加工留更均勻余量，保證后續(xù)加工切削穩(wěn)定。流道半精加工可以理解為擴槽的過程，加工采用球刀，從開槽位置開始，從中心向外緣往兩邊葉片擴槽，擴槽加工要保證留有一定精加工余量。通常情況，擴槽加工一次加工完成。由于此葉輪槽道窄、葉片高，且數(shù)控加工編程過程中決定流道所包含輪轂面為切削區(qū)域，編程中注意將加工葉片曲面選為干涉面，避免加工過程中傷及已經(jīng)完成的葉片。

(2)刀具選擇

其中球形錐柄銑刀為硬質合金刀具，其規(guī)格為:球頭部分直徑為3 mm，半錐角為2°，刀具柄部直徑為6 mm，帶錐部分長度為20 mm。此步選用的主軸轉速為20 000 r/min，進給速度為3 000 mm/min。切削參數(shù)參看表5。

3.6 流道精加工(見圖16)

刀具選擇與加工策略同半精加工，不同的只是將步長縮小，以符合表面殘留高度要求。同時由于排屑量小減少了抬刀次數(shù)與高度，切削參數(shù)參看表6。

3.7 圓角精加工

(1)加工策略

圓角是葉輪加工中最難加工的部位，大、小葉片的圓角均為變圓角，圓角半徑從葉片前緣到尾緣為3.8 mm到5 mm線性變化。其中最大圓角發(fā)生在靠近尾緣處。變圓角加工路線可以通過分層連續(xù)走刀加工完成(如圖17)。選擇的刀具、主軸轉速、進給速度，同葉片、輪轂的精加工。另外還要根據(jù)葉輪的幾何特征合理設置進退刀方式，以有效避免過切和干涉碰撞。

加工圓角需要軟件具有強大的干涉檢查能力，一個是防止圓角干涉，另一個是防止和葉片干涉。Cimatron有多個選項來應對不同干涉區(qū)域的解決策略。圖18的界面設置的是圓角處和葉片處遇到干涉軟件所采用的解決策略:第一項設置的是如果刀桿和葉片干涉，系統(tǒng)會讓刀具自動擺角來避免過切，第二項設置的是如果刀尖(切削刃)和葉輪根部圓角發(fā)生干涉，系統(tǒng)會讓刀具沿著當前刀軸方向退刀。

(2)刀具選擇

在葉片精度加工過程中，在保證不過切的情況下盡可能選擇直徑大一些的刀具，但是要求刀具半徑必須小于流道和葉片相接部分的最大圓角半徑。本例中采用的是錐形球頭刀具半徑為3 mm加工圓角，從而在提高刀具剛性的同時保證加工需要。切削參數(shù)參看表7。

4 仿真模擬

在完成所有工序的程序編制后，為盡可能消除實際加工中的碰撞干涉及過切現(xiàn)象，需要導入機床模型進行加工模擬仿真(圖19、20)。CIMATRON的5軸加工和模擬的產(chǎn)品，功能特別強大，模擬包括材料去除仿真，剩余毛坯檢查，刀路軌跡分析，可以定制任意機床并參與加工仿真，在仿真過程中可以發(fā)現(xiàn)干涉和過切問題，并實時提示問題所在的區(qū)域，對于一名工藝人員來說需要根據(jù)模擬中發(fā)現(xiàn)問題后返回CAM程序中進行修正。

本次加工葉輪程序在模擬的過程中沒有出現(xiàn)任何碰撞和干涉問題，也沒有出現(xiàn)各個數(shù)據(jù)軸的坐標超出機床的行程，可以通過后處理生成代碼去仿真。

5 后置處理

Cimatron軟件規(guī)劃刀路完成后，需要生成標準的后置處理程序，五軸后置一般使用GPP2生成的方法。GPP2是CIMATRON公司為生成5軸機床后置開發(fā)的，生成的刀路文件可支持目前所有五軸機床的運行，同時它提供了非常豐富的定制功能，能生成任意形式的后置處理文件，從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理，用戶需要的后處理程序都可以通過執(zhí)行GPP2后生成。以下是生成的程序部分代碼:

6 結語

鋁合金整體葉輪的加工完成，如圖21，這個過程需要選擇合適的數(shù)控加工機床，調整工藝流程，采用新的粗加工刀路軌跡設計，在 DMG五軸加工中心上實現(xiàn)了葉輪的高速、高進給加工。切削結果表明，借助CIMATRONE 9強大的CAM功能，該工藝方案能高效率、高質量地完成鋁合金整體葉輪的加工。

［1］潘世曉.MIKRON高性能五軸聯(lián)動加工中心在鈦合金葉輪加工上的應用［J］.航空制造技術，2011(13).