精密小型葉輪的五軸編程和仿真技術(shù)研究

范永慶 王建華 范永進(jìn) 梁 峰 王澤立

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精密小型葉輪的五軸編程和仿真技術(shù)研究

范永慶1王建華1范永進(jìn)2梁 峰1王澤立1

（1.北京華航無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所，北京 100013；2.中油管道機(jī)械制造有限責(zé)任公司，廊坊 065000）

精密小型葉輪具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高要求、葉片間距小、葉片厚度小等特點(diǎn)。因此易造成葉輪尺寸超差、粗糙度超差、葉片變形等問(wèn)題。葉片加工過(guò)程中需五軸聯(lián)動(dòng)，編程難度大，加工效率低，成為生產(chǎn)瓶頸。針對(duì)精密小型葉輪確定合理的加工方案、編程方案，利用數(shù)控加工仿真軟件對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化，達(dá)到理想效果。

精密小型葉輪；UG編程；VERICUT仿真

1 引言

某精密鋁合金小型葉輪[1]要求其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，整體強(qiáng)度高，尺寸精度高，表面粗糙度低，葉片相對(duì)深度大，葉片間距小，各曲面圓弧連接平滑避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)數(shù)控程序精確性、實(shí)用性、機(jī)床的聯(lián)動(dòng)性、加工精度和刀具強(qiáng)度、長(zhǎng)徑比的要求很高。集中體現(xiàn)在數(shù)控程序編制、加工工藝流程選擇、裝卡過(guò)程選用、加工過(guò)程參數(shù)設(shè)置、刀具的選用等方面。根據(jù)實(shí)際情況制定合理的工藝流程，裝卡方案，采用UG進(jìn)行五軸數(shù)控編程[2～4]，并Vercut仿真加工程序、裝卡方案、數(shù)控機(jī)床[5，6]，模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，杜絕加工過(guò)程中意外情況發(fā)生。

2 精密小型葉輪的結(jié)構(gòu)特征

圖1 葉輪模型

某精密小型葉輪的外形尺寸為21mm×14mm，葉片區(qū)域?qū)挾葹?mm，葉片最薄處到最厚處區(qū)間為0.4～1.0mm，圓弧連接處需圓滑過(guò)渡，整體結(jié)構(gòu)緊湊。葉輪模型如圖1所示。

3 葉輪的加工難點(diǎn)分析和加工方案制定

3.1 葉輪加工難點(diǎn)分析

葉輪不宜采用鑄造毛坯，只能靠棒材切削成形，同時(shí)葉片較?。?.4～1.0mm），包絡(luò)面到輪轂面距離為6mm，材料相對(duì)去除率較高。壓力曲面和吸力曲面間距小于3mm，只能使用2mm及以下且剛度較高的刀具。為了使氣體平順通過(guò)葉片，葉片根部要求光順且圓角不超過(guò)0.5mm，縮小了刀具的可選范圍。加工所用的德瑪吉DMU60P設(shè)備為A軸轉(zhuǎn)角受限較大的老五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。分析該精密小型葉輪的葉片結(jié)構(gòu)形式，采用臥式五軸聯(lián)動(dòng)加工。為避免加工過(guò)程中主軸和工作臺(tái)的碰撞，需要加長(zhǎng)毛坯料的旋轉(zhuǎn)軸，降低了零件的整體剛性，不利于零件加工?？紤]包絡(luò)面、旋轉(zhuǎn)軸、輪轂的同軸度要求，設(shè)計(jì)合理的加工方案，制作可行易用的工裝，降低加工難度、提高加工精度。

3.2 葉輪加工方案制定

根據(jù)葉輪的成形要求和加工制約條件，選擇25mm×30mm毛坯，其加工工藝路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 加工工藝路線(xiàn)

圖3 葉輪加工裝卡方案

制定合理加工、編程方案的同時(shí)，為保證旋轉(zhuǎn)軸、輪轂和包絡(luò)線(xiàn)的同軸度，提高裝卡速度，避免劃傷，縮短找正時(shí)間，設(shè)計(jì)可伸縮的專(zhuān)用脹套完成零件在五軸設(shè)備上的快速裝卡。其關(guān)系如圖3所示。

4 數(shù)控程序的編制

由于該精密小型葉輪結(jié)構(gòu)與一般葉輪區(qū)別較大，需考慮零件特征和所用五軸數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)特性。

4.1 粗加工程序

該精密小型葉輪有三個(gè)螺旋葉片，輪轂為與旋轉(zhuǎn)軸同心的圓柱，根據(jù)DMU60P機(jī)床和零件特性，采用臥式加工。為盡可能去除毛坯料，最大限度節(jié)省加工時(shí)間，根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)和數(shù)量將粗加工程序分為0°、120°、240°三個(gè)主軸方向，如圖4所示。考慮葉輪的不規(guī)則性，減少抬刀次數(shù)，避免主軸頻繁進(jìn)刀，切削模式中的跟隨部件為跟隨周邊，非切削移動(dòng)中的區(qū)域間轉(zhuǎn)移為前一平面轉(zhuǎn)移，減少抬刀70％以上，對(duì)比效果如圖5所示。保證葉片、輪轂尺寸精度和表面粗糙度，粗加工時(shí)在葉片表面和輪轂表面預(yù)留0.3mm的加工余量以修正工件變形，采用21mm球頭刀粗加工。

圖4 粗加工程序

圖5 不同走刀方式程序?qū)Ρ?/p>

受留量和葉片角度限制，粗加工后毛坯雖然接近了葉輪的最終模型，還需針對(duì)輪轂和葉片編制精加工程序。

4.2 精加工輪轂程序

考慮葉片和輪轂的加工難度和在整個(gè)零件中所占的權(quán)重，先加工剛度較好不易變形的輪轂，根據(jù)零件特征涵蓋所有的輪轂面以60°為一個(gè)加工區(qū)域，利用三軸的固定軸銑削編制精銑程序，選用21mm球頭刀，步距0.02mm分六次完成，既能減少刀軌的重疊，又能提高加工效率。編制輪轂精加工程序如圖6所示。

圖6 輪轂精加工程序

4.3 半精加工葉片程序

去除粗加工余量和三軸不能加工的葉片背部，要求按葉片的走向走刀，同時(shí)減小刀具切深，避免產(chǎn)生接刀痕，提高葉片光潔度，采用可變流線(xiàn)銑對(duì)單葉片進(jìn)行編程，選用20.2mm圓鼻刀，留余量0.1mm，每層切深0.5mm，設(shè)定在葉片拐角處進(jìn)出刀，葉片半精加工程序如圖7所示。

圖7 葉片的半精加工程序

4.4 精加工流道和葉片程序

圖8 流道和葉片的精加工程序

半精加工后葉片根部余量0.1mm，為提高葉片的光潔度，不允許出現(xiàn)接刀痕和顫痕跡，采用順序銑編程，控制進(jìn)刀、出刀點(diǎn)和擺動(dòng)刀軸方向，使刀具嚴(yán)格按葉片的側(cè)壁走刀，刀具逐步逼近葉片，刀具圓角緊貼葉輪的流道，編制葉片和流道的精加工數(shù)控程序如圖8所示。

5 數(shù)控程序的仿真

數(shù)控程序編制完畢并在UG中演示達(dá)到了理想效果，為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)控程序和后處理的正確性、工裝裝卡的精準(zhǔn)性、主軸工作臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)的碰撞避讓?zhuān)枰獙?zhuān)業(yè)的數(shù)控程序仿真軟件VERICUT，并在軟件中建立加工該零件所需的DMU60P五軸機(jī)床和加工時(shí)所用的工裝卡具，導(dǎo)入后處理的數(shù)控程序進(jìn)行仿真，對(duì)比仿真結(jié)果和零件模型，設(shè)定對(duì)比的公差精度，用以模擬加工過(guò)程和三維模型的加工誤差以及后處理的數(shù)控程序、選用的刀具及刀具長(zhǎng)度、工裝使用避讓等的正確性。添加順序銑后和沒(méi)有順序銑表面粗糙度對(duì)比效果如圖9所示。在整個(gè)葉輪的仿真過(guò)程中金屬墊板、三爪、脹套、毛坯等在數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)中的相對(duì)安裝關(guān)系，及機(jī)床加工完畢后機(jī)床回零點(diǎn)后葉輪的整體效果如圖10所示。

圖9 仿真效果

圖10 仿真系統(tǒng)效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

分析了精密小型葉輪的整體特征，選擇了適合該特征的加工方案，分析該加工方案的數(shù)控程序，選擇了三軸粗加工去除大量毛坯，三軸固定軸精加工輪轂，變流線(xiàn)銑對(duì)葉片半精加工，順序銑對(duì)流道和葉片精加工，并針對(duì)數(shù)控程序、整個(gè)裝卡方案和數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行了VERICUT仿真，取得了較理想的效果。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中省去了零件試切的時(shí)間和成本，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本。同時(shí)該加工方案可以應(yīng)用到其它五軸零件的精加工中，為后續(xù)五軸程序的編制仿真及數(shù)控系統(tǒng)的模擬提供參考方案。

1 耿強(qiáng)，劉曉哲，程衛(wèi)祥. 航空精密小葉輪數(shù)控加工技術(shù)[J]. 高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012(9)：31～32

2 黃毓榮，顧菘. 多軸銑制造過(guò)程培訓(xùn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002

3 劉澤瑞，茍蘅匯，陶應(yīng)森. 基于NX8.0與VERICUT的葉輪五軸加工技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013(4)：1～2

4 楊勝群，唐秀梅. VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010

5 張惠林，軒繼花，姜士湖. 基于VERICUT的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2006(7)：125～127

6 李海霞. VERICUT7.2 數(shù)控加工仿真技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013

Research on Five-axis Programming and Simulation Technology for Precision Small Impeller

Fan Yongqing1Wang Jianhua1Fan Yongjin2Liang Feng1Wang Zeli1

(1. Beijing Huahang Radio Measurement & Research Institute, Beijing 100013; 2. China Petroleum Pipeline Machinery Manufacture Co., Ltd., Langfang 065000)

Precision small impellers are characterized by compact structure, high precision requirements, small blade spacing and small blade thickness. Therefore, it is easy to cause problems such as excessive impeller size, excessive roughness, and blade deformation. Five-axis linkage is required in the blade processing process, which is difficult to program and has low processing efficiency, which becomes a production bottleneck. A reasonable machining plan and programming scheme are determined for the precision small impeller, and the whole machining process is simulated and optimized by the numerical control machining simulation software to achieve the desired effect.

precision small impeller；UG programming；VERICUT simulation

范永慶（1982），碩士，機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)；研究方向：數(shù)控加工技術(shù)。

2018-08-06