整體葉輪五軸加工NC程序的自動(dòng)生成及優(yōu)化*

陳 亮，蔡安江，楊 冰

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055）

整體葉輪五軸加工NC程序的自動(dòng)生成及優(yōu)化*

陳 亮，蔡安江，楊 冰

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055）

針對(duì)整體葉輪五軸數(shù)控加工工藝質(zhì)量和精度的提高，研究了整體葉輪加工前置中沿流道深度方向均勻分層策略加工的刀具軌跡規(guī)劃、保持刀軸矢量與葉輪被加工曲面的切線垂直及其平滑處理、多目標(biāo)切削參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，并基于IMSpost開發(fā)了葉輪專用后置處理器，快速、精確地生成了優(yōu)化的葉輪NC程序，解決了葉輪加工中存在的過切、欠切、干涉等問題。生產(chǎn)應(yīng)用表明：開發(fā)的整體葉輪專用后置處理器自動(dòng)生成高質(zhì)量、高精度的葉輪NC程序，能夠充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工效能，有效地提高了整體葉輪的加工質(zhì)量和加工效率，為葉輪零件的制造提供了技術(shù)支持。

整體葉輪；五軸加工；刀軌規(guī)劃；后置處理

0 引言

葉輪作為透平機(jī)械的核心部件已被廣泛地用于航空、航天及其他工業(yè)領(lǐng)域，是一類具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復(fù)雜零件，加工精度和加工表面粗糙度對(duì)其性能有很大的影響［1］。隨著現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了葉輪的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，其中五軸數(shù)控加工以靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)成為葉輪加工常用的方法，提高了葉輪的加工質(zhì)量和加工效率，但由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在目前數(shù)控加工后置處理自動(dòng)生成的葉輪NC程序仍然存在過切、欠切與干涉等難點(diǎn)，為了解決葉輪五軸數(shù)控加工過程中存在的問題，本文分析了整體葉輪加工自動(dòng)生成正確、高效、優(yōu)化的NC程序的關(guān)鍵技術(shù)，基于IMSpost開發(fā)了整體葉輪加工專用后置處理器，實(shí)現(xiàn)葉輪高速、高效、高質(zhì)量的加工。

1 整體葉輪數(shù)控加工的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

多軸數(shù)控加工刀具軌跡生成是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是葉輪NC程序形成的前提條件。因此，葉輪數(shù)控加工前置生成的刀路軌跡直接影響了葉輪NC程序的形成，決定了葉輪NC程序的正確性和可靠性，如何生成無干涉、優(yōu)化的刀位文件是葉輪NC程序形成的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.1 整體葉輪數(shù)控加工的難點(diǎn)

整體葉輪的典型結(jié)構(gòu)形式是若干葉片均勻分布在輪毅上，相鄰葉片間輪毅構(gòu)成流道［2］，如圖1所示。通常流道很狹窄，而葉片的扭曲很嚴(yán)重，加工時(shí)極易發(fā)生碰撞干涉，加工難度高。根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征，形成正確、優(yōu)化的NC程序的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖1 整體葉輪模型

（1）葉輪的形狀復(fù)雜，葉片多為非可展直紋面，刀位規(guī)劃的約束條件多，自動(dòng)生成優(yōu)化、精確的無干涉刀具軌跡比較困難；

（2）相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上伴隨著半徑減小，通道越來越窄。因此，加工葉輪葉片曲面時(shí)，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。由于葉片之間的間隔距離小，葉片的扭曲程度決定了加工時(shí)刀具軸的擺動(dòng)范圍有限，自動(dòng)生成的葉輪NC程序很難避免碰撞干涉，影響葉輪的加工；

（3）葉片為懸臂薄壁件，加工過程中不可避免地產(chǎn)生彈塑性變形，在NC程序中很難控制，加工困難。

1.2 整體葉輪數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，前置中生成無干涉、正確的刀位軌跡是葉輪數(shù)控加工的關(guān)鍵，是形成高質(zhì)量、高精度、高效率葉輪NC程序的基礎(chǔ)，而獲得葉輪精確的刀位軌跡主要有以下幾方面的關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）刀位軌跡規(guī)劃

整體葉輪的幾何形狀比較復(fù)雜，刀位軌跡的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在流道粗、精加工和葉片型面加工。流道粗加工主要考慮其加工效率，優(yōu)化、合理的刀位軌跡有利于提高葉輪加工效率；葉片精加工刀軌規(guī)劃的關(guān)鍵在于控制刀位軌跡在以葉片上下邊界為約束的曲面內(nèi)及刀位軌跡平滑過渡，防止干涉、碰撞，保證加工質(zhì)量和加工精度［3］。

對(duì)整體葉輪流道粗加工本文采用沿流道深度方向均勻分層的策略加工，將每一層面上的刀具路徑按適當(dāng)?shù)姆绞竭B接起來，構(gòu)成葉輪流道整體加工刀具軌跡。按照葉片的曲面形狀形成參數(shù)曲線，以這些參數(shù)曲線為界拼成各曲面片；各曲面片采用直紋面來擬合，分別計(jì)算出每片的刀位軌跡，將每片的刀位軌跡統(tǒng)一組織后即形成多刀插銑加工的刀位軌跡［4］。如圖2所示，為整體葉輪流道加工分層，將流道加工分成14層，每層加工軌跡如圖3所示。

圖2 葉輪流道加工軌跡

圖3 流道刀具軌跡

流道插銑的同一行刀位軌跡相鄰刀位間距較小，刀軸角度變化不大，考慮到粗加工為了快速切削去除材料，因此忽略相鄰刀位的刀軸角度變化，認(rèn)為兩刀位間葉片型面為平面［5］，則插銑加工步長為：

式中：△—?dú)堄喔叨?/p>

d—刀具直徑

在列方向的相鄰插銑刀位之間，刀軸角度的變化使得插銑區(qū)域呈扇形，如圖4所示。兩相鄰刀位的刀軸夾角為α，O1、O2為兩相鄰刀位的刀心點(diǎn)，則為加工行距，令，兩相鄰插銑刀位的刀具邊緣交于C點(diǎn)，則C點(diǎn)到葉輪軸的距離應(yīng)大于或等于葉輪毛坯半徑，以完全清除加工區(qū)域中的材料。

圖4 行距計(jì)算原理圖

過 C作刀軸的垂線分別交于點(diǎn) O1、O2，則，稱O1、O2為葉尖刀心點(diǎn)，取Q1Q1的中點(diǎn)E，則。過E作CQ1的垂線交于點(diǎn)F，過Q1作EF的垂線交于點(diǎn)G，有：

式（2）可化為：

由于加工區(qū)域底面為回轉(zhuǎn)面，故同列各刀位的刀心點(diǎn)在同一圓弧上，該圓弧圓心在葉輪軸上，圓弧半徑RH為刀心點(diǎn)到葉輪軸的距離。令葉輪流道與葉片的同一側(cè)邊界刀位的刀軸夾角為αn，邊界刀位刀心點(diǎn)之間弧長為LH。同理，令邊界刀位的葉尖刀心點(diǎn)到葉輪軸線的距離為Rr，令葉尖刀心點(diǎn)之間弧長為Lr。均勻插值同列方向的邊界刀位，有：

（2）刀軸矢量的平滑處理

由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片扭曲程度大，刀軸矢量轉(zhuǎn)動(dòng)速度的突變會(huì)造成刀位點(diǎn)處切削力突變，會(huì)引起機(jī)床振動(dòng)，使得葉輪表面變得粗糙，嚴(yán)重的情況下會(huì)在葉片表面產(chǎn)生切坑現(xiàn)象。因此，刀軸矢量的平滑處理是實(shí)現(xiàn)無干涉高效加工的關(guān)鍵和難點(diǎn)［6］。如圖5所示，為刀軸矢量示意圖。

圖5 刀軸矢量示意圖

平滑過渡的刀軸矢量可以減少機(jī)床在加工過程中的振動(dòng)，有利于提高零件的表面質(zhì)量和光潔度。如圖6所示。

圖6 葉輪加工刀軸方向圖

為了保證刀具矢量的平滑處理，在整體葉輪加工前置中使其始終保持刀軸矢量垂直于被加工曲面的切線，這樣不僅可以使葉輪加工過程中刀軸矢量的平穩(wěn)變化，還防止了加工中因刀軸的擺動(dòng)范圍過大而造成與葉片干涉的問題，提高了葉輪的加工質(zhì)量。

（3）切削參數(shù)的選擇

切削參數(shù)的選擇直接影響葉輪的加工效率和質(zhì)量。粗加工追求的是材料的最大切除率；而精加工過程中，不僅使得有高的加工效率和加工質(zhì)量，還要保證葉輪葉片的變形量最小。

根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征以及五軸加工特點(diǎn)，本文對(duì)整體葉輪加工參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、切削寬度等參數(shù)為變量在粗、精加工階段分別構(gòu)建不同的目標(biāo)函數(shù)，多目標(biāo)界定合理的約束條件，構(gòu)建和求解切削參數(shù)優(yōu)化模型，得出最優(yōu)的葉輪切削參數(shù)。

2 整體葉輪五軸加工NC程序優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

本文基于IMSpost開發(fā)整體葉輪五軸加工專用后置處理器，針對(duì)整體葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及控制指令格式，對(duì)機(jī)床進(jìn)行設(shè)置，數(shù)控系統(tǒng)程序格式設(shè)置及修改，子程序的調(diào)用及宏程序編制等。結(jié)合整體葉輪前置生成的APT文件的語句特征，在宏程序管理器“Macro Manager”中對(duì)APT中關(guān)鍵語句進(jìn)行宏程序編制，如LOADTL/*控制換刀指令、GOTO/*點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)指令、SPINDL_NAME/*主軸控制指令等宏命令進(jìn)行編寫，同時(shí)還包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、特殊格式輸出和數(shù)據(jù)計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)整體葉輪APT文件到相應(yīng)NC程序的正確轉(zhuǎn)換。

經(jīng)過對(duì)IMSpost開發(fā)完成了整體葉輪前置APT文件到NC程序的轉(zhuǎn)化，結(jié)合整體葉輪加工的關(guān)鍵技術(shù)，為了進(jìn)一步解決整體葉輪NC程序中存在的問題，提高葉輪的加工質(zhì)量和加工效率，使葉輪刀位軌跡精確、可靠的同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的NC程序，在后置處理中結(jié)合五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)功能及所用數(shù)控系統(tǒng)的控制功能，調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)智能化的控制指令來完成，達(dá)到葉輪NC程序優(yōu)化的目的。

當(dāng)前五軸數(shù)控機(jī)床中多數(shù)運(yùn)用SIEMENS、HEIDENHAIN等數(shù)控系統(tǒng)，可以有效地解決非線性誤差，提高機(jī)床的加工精度。根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征，在后置處理開發(fā)過程中調(diào)用RTCP功能（SIEMENS系統(tǒng)中的TRAORI指令、HEIDENHAIN系統(tǒng)中的M128指令），RTCP指令控制機(jī)床在加工按照指定的旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)及直線軸坐標(biāo)控制刀尖的位置，當(dāng)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸位移時(shí)，刀尖能自動(dòng)跟蹤刀位點(diǎn)隨旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)后的空間位置，完成所指定角度的切削姿態(tài)。在IMSpost中編寫宏命令SYSTEM_COORD_RTCP，調(diào)用控制系統(tǒng)的RTCP功能來提高機(jī)床的加工精度，如圖7所示為RTCP設(shè)置界面，開啟刀具中心點(diǎn)管理RTCP功能實(shí)現(xiàn)整體葉輪高精度、高質(zhì)量的加工。

圖7 RTCP設(shè)置

對(duì)葉輪加工中刀軸矢量的平滑變化，在后置處理中調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)中平滑處理指令，如SIEMENS 840D系統(tǒng)中的G64連續(xù)路徑運(yùn)行功能，通過此功能實(shí)現(xiàn)刀具在葉輪輪廓的過渡切線上以恒定的路徑速度運(yùn)行，并在拐角和準(zhǔn)停程序段之前會(huì)進(jìn)行預(yù)先制動(dòng)，在加工中以平滑的速度變化，實(shí)現(xiàn)良好的切削質(zhì)量。如下為葉輪車銑復(fù)合加工中心后置處理中調(diào)用G64的代碼：

MCMILLS1"

G54

G64G90G17

"MCC1ZERO"

"G0 G90 C1=0.0"

G94

G01′，REGISTER.Z，REGISTER.X，REGISTER.Y，REGISTER.F

"MILL5AON"

"MCTURNS1"

G54

G64G90

"MCC1ZERO"

"G0 G90"

G95

輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 調(diào)用G64指令

為了提高葉輪的加工效率，在后置中調(diào)用進(jìn)給率優(yōu)化指令，在SIEMENS 840D系統(tǒng)中如曲線軌跡部分進(jìn)給率優(yōu)化（CFTCP、CFC、CFIN）指令，實(shí)現(xiàn)整體葉輪NC程序的優(yōu)化。

3 整體葉輪NC程序的應(yīng)用效果分析

3.1 整體葉輪NC程序的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證整體葉輪NC程序的正確性，保證加工質(zhì)量，需構(gòu)建虛擬加工仿真系統(tǒng)［7-8］?；赩ERICUT構(gòu)建WFL M40車銑復(fù)合加工中心的虛擬仿真加工系統(tǒng)，將以整體葉輪加工關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)所開發(fā)的專用后置處理器自動(dòng)生成優(yōu)化的葉輪NC程序和以往通用的方法開發(fā)的后置處理生成的未優(yōu)化葉輪NC程序?qū)胩摂M仿真加工系統(tǒng)中，對(duì)整體葉輪進(jìn)行加工過程仿真，有效檢驗(yàn)整體葉輪數(shù)控加工程序的正確性，其加工過程虛擬仿真對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

由圖9a可知，未經(jīng)優(yōu)化的NC程序在仿真加工中出現(xiàn)過切現(xiàn)象并且在加工中刀軸產(chǎn)生振動(dòng)，甚至發(fā)生干涉現(xiàn)象，嚴(yán)重影響葉輪的加工質(zhì)量；根據(jù)圖9b可知，通過分析葉輪加工難點(diǎn)，以解決其加工的關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)所開發(fā)的后置生成的優(yōu)化的葉輪NC程序在仿真加工中避免了干涉、過切現(xiàn)象。經(jīng)過切、欠切檢查可知，改進(jìn)后開發(fā)的整體葉輪專用后置處理器自動(dòng)生成的葉輪NC在仿真加工中有效地解決了過切、欠切、刀軸干涉等問題，提高了葉輪加工的質(zhì)量和精度，驗(yàn)證了葉輪NC的正確性。

圖9 整體葉輪虛擬加工仿真

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

經(jīng)過虛擬仿真驗(yàn)證，初步驗(yàn)證了整體葉輪NC的正確性后，為了保證葉輪專用后置處理器所生成的NC程序在實(shí)際加工中的正確性和可靠性，將葉輪零件在WFL M40車銑復(fù)合加工中心上進(jìn)行實(shí)際加工，比較整體葉輪的加工過程和結(jié)果，驗(yàn)證了所開發(fā)的葉輪專用后置處理器自動(dòng)生成的NC程序?qū)崿F(xiàn)了整體葉輪流道、葉片的壓力曲面和吸收曲面等關(guān)鍵部位的加工精度達(dá)到了規(guī)定的要求。同時(shí)與以往葉輪加工相比，提高了加工效率，實(shí)現(xiàn)了整體葉輪高質(zhì)量、高精度的加工。

4 結(jié)論

本文針對(duì)整體葉輪五軸數(shù)控加工的特點(diǎn)，分析了整體葉輪加工前置以及后置中存在的不足，解決了以下問題：

（1）針對(duì)整體葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以葉片的曲面形狀形成的參數(shù)曲線為對(duì)象，研究了沿流道深度方向均勻分層策略加工的刀具軌跡規(guī)劃，優(yōu)化了葉輪刀位軌跡。

（2）采用了在整體葉輪加工過程中始終保持刀軸矢量垂直于被加工曲面的切線的走刀方式，實(shí)現(xiàn)了加工中刀軸矢量的平穩(wěn)變化，達(dá)到了平滑處理的目的，提高了葉輪關(guān)鍵部位的加工質(zhì)量。

（3）根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特征以及五軸加工的特點(diǎn)，分析了整體葉輪加工過程中切削參數(shù)對(duì)其質(zhì)量和精度的影響，提出了多目標(biāo)切削參數(shù)優(yōu)化，得出最優(yōu)的葉輪切削參數(shù)。

（4）基于IMSpost開發(fā)了整體葉輪五軸加工專用后置處理器，得到了高質(zhì)量、高精度的葉輪NC程序，解決了葉輪加工過程中存在的過切、欠切、干涉等問題，實(shí)現(xiàn)了整體葉輪高速、高效的加工。

［1］陳文濤，夏芳臣，涂海寧.基于UG&VERICUT整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（2）：102-104.

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［4］梁全，王永章，富宏亞，等.直紋面葉輪插銑加工關(guān)鍵技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16（1）：182-187.

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（編輯 趙蓉）

Automatic Generation and Optimization of Five-axis Machining NC Program for Integral Impeller

CHEN Liang，CAI An-jiang，YANG Bing
（School of Mechanical&Electrical Engineering，Xi'an University of Architecture&Technology，Xi'an 710055，China）

For improving the quality and precision of integral impeller in five-axis NC machining process，several key technologies were studied including the integral impeller processing channels along the depth direction in homogeneous layered processing tool path planning strategy，Keeping the tool axis vector is perpendicular to the tangent to the surface of the impeller and smooth processing，multi goal optimization of cutting parameters.And based on the IMSpost to develop the special post processor of impeller，F(xiàn)ast and accurately generate optimized impeller NC program.To solve the impeller machining in the presence of overcut，undercut，interference and other issues.The practical application shows that：the development of special post impeller automatically generates high-quality，high-precision NC program，can give full play to the processing efficiency of CNC machine.Effectively improve the machining quality and efficiency of integrated impeller，Provides technical support for the manufacturing of impeller parts.

integral impeller；five-axis machining；tool path planning；post processing

TH164；TG659

A

1001-2265（2015）10-0141-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.039

2014-12-11；

2015-01-14

陜西省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014K07-06）；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CXY1439（3））；榆林市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012175）

陳亮（1988—），男，陜西漢中人，西安建筑科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)，（E-mail）1026275483@qq.com；蔡安江（1965—），男，西安人，西安建筑科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)等，（E-mail）cai_aj@163.com。