整體葉輪產(chǎn)品造型和數(shù)控加工

許海童

摘 要：基于大型CAD/CAM軟件系統(tǒng)，完成復(fù)雜產(chǎn)品整體葉輪產(chǎn)品實體造型和五坐標(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃，為復(fù)雜產(chǎn)品的模型建立和多坐標(biāo)數(shù)控編程提供了設(shè)計思路和方法。

關(guān)鍵詞：整體葉輪；實體造型；數(shù)控加工工藝規(guī)劃

1.前言

本文基于MasterCAM軟件系統(tǒng)，研究了葉輪的造型特點，對整體式葉輪產(chǎn)品進行數(shù)控加工工藝規(guī)劃，為復(fù)雜產(chǎn)品的造型和數(shù)控編程提供了設(shè)計思路和方法。

2.整體葉輪產(chǎn)品造型

葉蓋和葉軸為回轉(zhuǎn)體，是一類幾何特征明顯，在生產(chǎn)實際中有一定代表性的結(jié)構(gòu)圖形，它的設(shè)計與造型相對比較簡單。但葉輪的葉片通常為復(fù)雜曲面，設(shè)計與造型過程比較復(fù)雜，需要空間構(gòu)造點，（這些點在三坐標(biāo)測量儀上測量得到）將這些點連接成合適的B樣條線，再以B樣條線生成自由曲面，葉片曲面經(jīng)過縫合形成葉片實體，通過與葉蓋和葉軸實體的布爾運算，畫好整個葉輪如圖1所示。設(shè)計葉輪整個產(chǎn)品需進行詳細的分析，滿足設(shè)計指標(biāo)也需要制造環(huán)節(jié)來保證，如果制造技術(shù)薄弱，葉輪的整體性能必將受到影響，因此葉輪的設(shè)計與制造是密不可分。

本文研究直徑為φ200mm的整體葉輪（如圖1所示），此葉輪設(shè)計圖樣提供的已知數(shù)據(jù)，為葉片中性曲面上邊和葉蓋表面的下邊兩條空間曲線的離散點坐標(biāo)如圖2所示，（這些點是在三坐標(biāo)測量儀上測量得到），以及葉蓋和葉軸的直徑、高度和葉輪各部位的厚度值（這些數(shù)據(jù)由表卡測量）。筆者通過對此葉輪的曲面特征進行分析并在已知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對其構(gòu)造方法進行了如下研究。

2.1葉蓋和葉軸造型

葉蓋和葉軸的造型比較簡單，只需要建立葉蓋和葉軸的截面線，通過中心軸旋轉(zhuǎn)360度即可完成（如圖3所示），這里就不再詳細講解。

2.1葉片造型

葉片的建立主要是要控制好兩條曲線的扭曲程度，運用合理的生成曲面方法建立曲面。要建立好曲線以及曲面的扭曲效果，應(yīng)滿足以下幾點要求：

（1）曲線滿足葉輪實體產(chǎn)品的精度要求。

（2）曲線按照曲面的特征方向構(gòu)造，盡量達到少使用曲線、且曲線的曲率變化以最平緩為目的。同一方向的曲線要有相似的曲率變化趨勢。

（3）曲線在曲面上分布的密度在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量降低。在曲面曲率變化大處，布置較密的曲線；曲面曲率變化平緩處，布置較少的曲線。

（4）曲線主要是通過樣條線描述，在保證精度的前提下，盡量降低樣條線的段數(shù)和階數(shù)，一般建議生成三階或四階曲線。

（5）曲線的光順性調(diào)節(jié)是非常重要的，利用軟件的相關(guān)功能模塊進行調(diào)節(jié)。曲線經(jīng)過光順處理后，在數(shù)學(xué)上保證連續(xù)，沒有多余拐點，曲率變化均勻。

按照上述原則，將圖2 所示的點連接起來，通過MasterCAM軟件調(diào)節(jié)光順后的兩條曲線。再將曲線的兩端用直線連接起來，使用MasterCAM軟件的昆式曲面生成葉片中性曲面。

由于葉片沿葉輪的徑向和葉片的高度方向的厚度均在變化，在構(gòu)造葉片兩側(cè)的曲面時，分別做葉片中性曲面曲線1和曲線2沿葉輪軸線方向作葉蓋表面的法線，并在此法線上偏移相應(yīng)的葉片厚度的一半，則可形成四條變距曲線，將四條變距曲線上的對應(yīng)點相連接起來，再使用曲面造型功能形成封閉曲面。

葉片曲面經(jīng)過縫合形成葉片實體，將單個葉片實體以葉輪中心軸線旋轉(zhuǎn)36度，形成10個葉片，最后與回轉(zhuǎn)的葉蓋和葉軸實體進行布爾運算相加，得到整體葉輪的實體造型。

3.數(shù)控加工

數(shù)控加工是目前國內(nèi)外廣泛采用的加工葉輪的方法。整體葉輪的加工難點主要表現(xiàn)如下。

（1）整體葉輪的形狀復(fù)雜，其曲面多為非可展扭曲直紋面，只能采用五坐標(biāo)或以上坐標(biāo)的機床進行加工。

（2）整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上隨著半徑的減小，通道越來越窄，因此加工葉輪葉片曲面時除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉。

（3）刀位規(guī)劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡不是很理想。由于五坐標(biāo)機床刀具運動的復(fù)雜性，數(shù)控編程也較為困難。對于五坐標(biāo)機床，不管是哪種類型，由于均具有兩個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸（C軸和A軸），相對于靜止的工件來說，其運動合成可使刀具軸線的方向在一定空間內(nèi)（受機構(gòu)結(jié)構(gòu)限制）任意控制，從而具有保持最佳切削狀態(tài)及有效避免刀具干涉的能力，五坐標(biāo)加工可以獲得比三坐標(biāo)加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜母線類零件或異型復(fù)雜零件的高效、高質(zhì)量加工。

3.1數(shù)控加工的刀軸控制

五坐標(biāo)加工與三坐標(biāo)加工的本質(zhì)區(qū)別在于：在三坐標(biāo)加工情況下，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中的方向是固定的，它始終平行于Z軸；而在五軸加工中，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中一般是不斷變化如所示。這就涉及到刀軸控制方式的確定問題。常用的刀軸控制方式有以下幾種。

（1）垂直于表面方式。所謂垂直于表面方式是使刀具軸線始終平行于各切削點處的表面法矢，由刀具底面緊貼加工表面，對切削行程間殘余高度作最大限度的抑制，以減少走刀次數(shù)和獲得高的生產(chǎn)效率。該方式一般用于大型平坦的無干涉凸曲面端銑加工。

（2）平行于表面方式。平行于表面方式是指刀具軸線或母線始終處于各切削點的切平面內(nèi)，對應(yīng)的加工方式一般為側(cè)銑。這種方式主要應(yīng)用于直紋面的加工，由圓柱或圓錐形銑刀側(cè)刃與直紋面母線接觸可以一刀加工成形，效率高而且表面質(zhì)量好。

（3）傾斜于表面方式。該方式由刀軸矢量在局部坐標(biāo)系中與坐標(biāo)軸和坐標(biāo)平面所成的兩個角度α和γ，該方式在五軸加工中常用。

3.2整體葉輪數(shù)控加工工藝

傳統(tǒng)的葉輪加工方法是葉片和輪盤采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪盤上。此方法不僅費時費力，且葉輪的各種性能難以保證。多坐標(biāo)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展使得葉輪的整體加工日益普及。葉輪整體加工是指輪盤與葉片在同一毛坯上加工成形。其數(shù)控加工過程大致包括以下幾個主要工序：①粗加工； ②半精加工；③精加工。下面對葉輪五坐標(biāo)數(shù)控加工工藝進行規(guī)劃。

（1）用φ16 R0.8的合金刀把對葉輪整體進行粗加工。

（2）用φ10 R5的合金球頭圓柱銑刀對葉輪整體進行半精加工。

（3）用φ8的合金銑刀對葉輪的葉輪外形和葉軸孔精加工。

（4）用φ6 R3的合金球頭圓柱銑刀對葉輪的葉蓋表面、葉片前、后背面、葉片的上表面和夾角清角精加工。

3.2.1粗加工

曲面零件的加工一般都需經(jīng)過粗、半精和精加工過程。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點是加工效率，要求大的進給量和盡可能大的背吃刀量。以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的材料，對表面質(zhì)量的要求不高，當(dāng)零件毛坯與最終零件形狀存在較大差別時，其粗加工時間可能為精加工的5～10倍，以至更多。因此，提高粗加工效率對曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。

曲面粗加工一般可采用兩種方法：偏置法和層切法。偏置法適合于毛坯形狀與零件形狀相似的情況，如鑄造與鍛造的毛坯，否則將產(chǎn)生較多的空行程而影響加工效率。而對于沒有經(jīng)過預(yù)處理或加工的毛坯常采用層切法加工比較合理。層切法是用一系列假象水平面與零件面和毛坯邊界截交，得到一系列二維切削層。然后用平底刀對各切削層進行分層加工的原理。

在MasterCAM軟件中利用曲面挖槽粗加工對葉輪進行開粗（既為層切法）。編制程序前要分析葉輪的相關(guān)參數(shù)，工件的材質(zhì)，考慮采用多大的刀具和刀具類型比較合適，建立加工的區(qū)域線，以及在加工過程中的進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、吃刀用量和進刀方法等。通過對葉輪的分析，粗加工時采用φ16 R0.8的合金刀把加工，粗加工刀具軌跡。

3.2.2半精加工

由于很多曲面粗加工都是采用層切法，往往在粗加工以后都留有很多的殘余量，如果在這種情況下就直接采用精加工，是達不到加工質(zhì)量的要求，而且對刀具的磨損會很嚴(yán)重，所以在執(zhí)行粗加工以后，通常會設(shè)計一個半精加工的刀路，以保證精加工后產(chǎn)品的質(zhì)量。葉輪在粗加工時采用的刀具直徑比較大，所以夾角處還留有很多的殘余量，即可采用φ10 R5的球頭圓柱銑刀對其進行半精加工，由于葉片和葉蓋之間形成一個小余90°的夾角，所以利用可變軸曲面輪廓銑對夾角進行開槽加工，開槽加工的位置選在氣流通道的中間位置。為了使開槽加工時，刀具不會與葉片曲面發(fā)生干涉，刀軸矢量應(yīng)為氣流通道兩側(cè)葉片曲面的矢量和，并從葉輪中心向外緣分段銑削加工。

采用球頭圓柱銑刀，從兩葉片中間開始向兩側(cè)擴槽。擴槽刀具路徑取決于葉輪氣道出口處輪廓表面的殘留余量的允許值，應(yīng)盡可能少一點吃刀量，以防崩刀，經(jīng)開槽半精加工時的葉輪道路軌跡。

3.2.3精加工

精加工是保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵。要合理安排精加工的刀具路徑和刀具類型，在保證零件質(zhì)量的前提下以較短時間內(nèi)順利完成，而且保證加工尺寸和設(shè)計時的尺寸在允許公差范圍之內(nèi)。精加工通常也分為兩種加工方法：偏置法精加工和沿面精加工。偏置法是指刀具沿加工外形輪廓分層加工，這種加工適合加工直紋面或外形輪廓線；沿曲面精加工則是刀具沿曲面特征依次加工，通常是對復(fù)雜曲面的精加工。葉輪在半精加工以后，表面還留有0.1mm的余留量，除葉輪的最大外形和軸孔是直身面以外，其它面都是扭曲的曲面。所以在加工最大外形和軸孔時采用φ8的圓柱銑刀用偏置法精加工以外，其它曲面都采用φ6 R3的球頭圓柱銑刀用可變軸曲面輪廓銑精加工，刀軸隨曲面的變化而改變，通過控制刀具軸、投射方向和驅(qū)動方法，可變軸曲面輪廓銑可以順利完成葉輪實體曲面精加工。

在葉輪加工中，有時過切是不能完全避免的。這里有多方面的原因，除了刀具選擇、驅(qū)動面的選擇以及邊界約束條件的定義等方面的原因之外，常常是由于葉輪設(shè)計造型、葉片扭轉(zhuǎn)較大，引起刀具軸的擺角變化很劇烈，在刀具中心的線位移很小時，若擺角變化值很大，就往往造成過切。如果不能完全消除過切，就只能反復(fù)調(diào)整參數(shù)，把過切量調(diào)到最小，最好限制在工程允許的誤差之內(nèi)，減小誤差。

4.結(jié)束語

目前，使用大型CAD/CAM軟件對復(fù)雜曲面進行設(shè)計和數(shù)控加工，是現(xiàn)代制造技術(shù)研究中不可或缺的重要內(nèi)容，代表著制造業(yè)的發(fā)展方向和趨勢，同時也只有通過五軸數(shù)控加工才能保證整體葉輪類零件的順利生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]唐榮錫.CAD/CAM技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994