導(dǎo)葉體五軸數(shù)控加工方法研究*

李 升，葉佩青

(1.山東職業(yè)學(xué)院 鐵道車輛與機(jī)械工程系，濟(jì)南 250104; 2.清華大學(xué) 機(jī)械工程系,北京 100084)

0 引言

導(dǎo)葉體外形結(jié)構(gòu)類似葉輪，主要由葉片和輪轂組成，葉片的加工是整個(gè)零件的加工難點(diǎn)，由于葉片之間的間隔距離小，加工時(shí)易產(chǎn)生干涉，而葉片的扭曲程度決定了加工時(shí)刀具軸的擺動(dòng)范圍，刀具軸必須在兩葉片之間的范圍內(nèi)擺動(dòng)，刀具才不會(huì)與葉片發(fā)生干涉，刀軸矢量計(jì)算相對(duì)復(fù)雜[1]。加工槽道變窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛度較低，屬于薄壁類零件，加工過程極易變形，在加工過程中要防止加工殘余應(yīng)力所帶來的變形。相鄰葉片空間極小，在清角加工時(shí)刀具直徑較小，刀具容易折斷，要注意刀具的選擇[2-3]。尤其是加工中的葉片變形問題，嚴(yán)重地影響了零件的加工質(zhì)量和精度，一直是困擾工程技術(shù)人員的難點(diǎn)[4]。

目前葉輪的加工通常采用CAD /CAM軟件來編制葉輪的數(shù)控加工程序，包括通用型和專用型的CAD/CAM軟件。通用型CAD/CAM軟件如UG NX、Master CAM等，專用型如Powermill、Hypermill等。由于UG NX在通用CAD/CAM軟件中具有較好的造型功能和較強(qiáng)的5軸加工功能，所以在數(shù)控加工中應(yīng)用最為廣泛[5]。

1 加工工藝分析

圖1 導(dǎo)葉體三維模型圖

圖2 導(dǎo)葉體零件視圖

通過零件結(jié)構(gòu)工藝分析可知，導(dǎo)葉體加工需要同時(shí)保證裝配結(jié)構(gòu)精度和葉片形狀精度。針對(duì)零件加工要求，采用車削與五軸銑削復(fù)合加工的加工工藝。導(dǎo)葉體毛坯先進(jìn)行車削加工，完成狀態(tài)如圖3所示。然后根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求設(shè)計(jì)專用工裝(如圖4所示)，進(jìn)行五軸銑削加工。

圖3 車削毛坯完成狀態(tài)圖

圖4 專用工裝三維模型

2 刀具選擇

選擇合適的刀具材料和刀具類型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質(zhì)量。粗加工時(shí)，在流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑的刀具，同時(shí)在滿足葉片長(zhǎng)度的情況下刀具伸出部分應(yīng)盡可能的短。精加工時(shí)，選擇帶錐度的球頭刀有利于提高刀具的剛性，但錐度不宜太大。為獲得較好的表面質(zhì)量，在加工葉片時(shí)一般采用刀具與曲面成一定角度的側(cè)銑法進(jìn)行加工，所以刀具的刃長(zhǎng)一定要大于葉片的長(zhǎng)度[6]。

根據(jù)導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)尺寸、材料等，本次加工選取兩種球頭銑刀完成各個(gè)加工工序。所選刀具的參數(shù)如表1所示。

表1 加工刀具參數(shù)

3 導(dǎo)葉體五軸編程

3.1 加工工序及加工參數(shù)確定

根據(jù)圖3所示的毛坯車削完成形狀以及導(dǎo)葉體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將導(dǎo)葉體的五軸加工工序分為粗加工、半精加工和精加工。其中半精加工工序過程包括葉片半精加工和流道半精加工；精加工工序過程包括葉片精加工、流道精加工和葉根圓角精加工。各加工工序的具體工藝參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各加工工序的工藝參數(shù)

3.2 數(shù)控編程

(1)粗加工

粗加工的主要目的是去除毛坯多余材料，加工出基本形狀，應(yīng)優(yōu)先考慮加工效率。綜合考慮，導(dǎo)葉體粗加工采用UG NX加工策略中“多軸葉片粗加工”，選用φ10mm球頭銑刀，刀路軌跡前緣徑向延伸30%，留0.3mm的余量。導(dǎo)葉體粗加工的刀路軌跡如圖5所示。

圖5 導(dǎo)葉體粗加工刀路軌跡

(2)半精加工

半精加工可以將粗加工產(chǎn)生的粗糙表面進(jìn)一步加工平滑，為精加工保留均勻的切削余量。該過程分別對(duì)葉片曲面和流道曲面進(jìn)行半精加工，采用的加工策略分別為“葉片精加工”和“輪轂精加工”，選用φ6mm球頭銑刀，留0.15mm的余量。葉片曲面半精加工采用“單向”切削模式，起點(diǎn)為“前緣”。輪轂半精加工采用“往復(fù)上升”切削模式，刀路軌跡前緣徑向延伸100%。導(dǎo)葉體半精加工的刀路軌跡如圖6所示。

(a)葉片半精加工刀路軌跡 (b)流道半精加工刀路軌跡圖6 導(dǎo)葉體半精加工刀路軌跡

(3)精加工

精加工要求達(dá)到零件要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。該過程分別對(duì)葉片曲面、流道曲面和葉根圓角進(jìn)行精加工，采用的加工策略分別為“葉片精加工”、“輪轂精加工”和“圓角精加工”。其中，葉片精加工和流道精加工的加工策略和五軸設(shè)置與半精加工過程相同，僅將步距根據(jù)零件加工表面質(zhì)量要求適當(dāng)減小，余量均設(shè)置為0。葉根圓角精加工將“要切削的面”改為“所有面”，切削起點(diǎn)為“前緣”。精加工刀路軌跡如圖7所示。

(a)葉片精加工 刀路軌跡 (b)流道精加工 刀路軌跡 (c)葉根圓角精 加工刀路軌跡圖7 導(dǎo)葉體精加工刀路軌跡

(4)精加工步距優(yōu)化分析

對(duì)于復(fù)雜曲面零件NC加工，精度和效率是需要考慮的兩個(gè)主要問題。加工效率與產(chǎn)品的復(fù)雜程度和刀具軌跡規(guī)劃方法有關(guān)[7]；加工精度與刀路軌跡的步長(zhǎng)插補(bǔ)誤差和行距間殘留高度有關(guān)[8]。精加工工序直接決定導(dǎo)葉體零件的最終加工質(zhì)量，而零件表面質(zhì)量和加工效率與刀路軌跡步距的選擇息息相關(guān)，因此對(duì)精加工步距進(jìn)行優(yōu)化分析尤為重要。根據(jù)表2所示參數(shù)，設(shè)定固定的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，調(diào)整葉片精加工步距，通過分析計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的加工殘余高度數(shù)值(如圖8所示)和加工時(shí)間(如圖9所示)。如圖8、圖9所示，葉片精加工步距與表面質(zhì)量、加工時(shí)間緊密關(guān)聯(lián)，減小步距能夠有效提高加工表面質(zhì)量，但會(huì)增加切削加工時(shí)間，而增大步距會(huì)使加工表面質(zhì)量得不到保證。綜合考慮相關(guān)因素，最終選取步距數(shù)值為0.2mm。這樣，既可以保證導(dǎo)葉體零件的加工質(zhì)量要求，又要有較高的加工效率。

圖8 殘余高度與步距對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖9 加工時(shí)間與步距對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

3.3 后處理

通過UG NX自動(dòng)編程生成的刀路軌跡不能直接用于數(shù)控機(jī)床加工，需要根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(本文所用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530)的代碼要求，利用后處理生成數(shù)控加工程序文件。圖10所示為導(dǎo)葉體粗加工的部分NC代碼。

圖10 導(dǎo)葉體粗加工部分NC代碼

4 虛擬加工仿真優(yōu)化

利用VERICUT數(shù)控加工仿真軟件進(jìn)行刀路軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真，可以模擬導(dǎo)葉體裝夾和加工過程中機(jī)床的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，優(yōu)化并驗(yàn)證NC代碼，同時(shí)檢查機(jī)床超程、干涉和碰撞等現(xiàn)象[9-10]。

基于Vericut軟件，調(diào)用DMU65 monoBLOCK 5軸加工中心模型及選擇系統(tǒng)控制文件hei530.ctl，添加刀具庫tls模型文件，設(shè)置機(jī)床干涉、碰撞、超程等，完成配置虛擬加工平臺(tái)構(gòu)建[11-13]。將導(dǎo)葉體的NC代碼文件、毛坯模型導(dǎo)入仿真系統(tǒng)中，并進(jìn)行代碼偏置和刀具設(shè)置，最后完成虛擬加工仿真驗(yàn)證。如圖11所示，在仿真過程中，比較仿真模型與設(shè)計(jì)模型，沒有發(fā)生過切或欠切現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了加工程序的正確性，說明此加工程序安全可靠，可以進(jìn)行實(shí)際加工。

圖11 導(dǎo)葉體仿真加工過程

5 實(shí)際加工

在5軸加工中心DMU65 monoBLOCK上完成導(dǎo)葉體零件的實(shí)際加工。該機(jī)床為AC搖籃式5軸機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530控制系統(tǒng)。機(jī)床部分參數(shù)如表3所示。

表3 DMU65 monoBLOCK 5軸加工中心部分參數(shù)

選用圓柱形7075硬鋁合金毛坯進(jìn)行車削加工，完成后使用自主設(shè)計(jì)的專用工裝固定在五軸機(jī)床工作臺(tái)上進(jìn)行加工。加工過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過切、欠切等現(xiàn)象。最終完成的導(dǎo)葉體零件實(shí)物如圖12所示。

圖12 加工完成的導(dǎo)葉體零件

6 結(jié)論

(1)采用車削與五軸銑削復(fù)合加工的加工工藝，基于UG NX葉輪加工模塊將導(dǎo)葉體銑削加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段，既提高了加工效率，又能夠有效保證導(dǎo)葉體的加工精度。

(2)基于Vericut軟件，通過五軸機(jī)床仿真系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)葉體NC代碼進(jìn)行虛擬加工驗(yàn)證，可以有效檢測(cè)過切、欠切，防止機(jī)床碰撞等錯(cuò)誤。

(3)在DMU65 monoBLOCK 5軸加工中心上對(duì)導(dǎo)葉體進(jìn)行了實(shí)際加工，使用5軸銑削專用工裝結(jié)構(gòu)，加工過程平穩(wěn)。經(jīng)檢測(cè)，加工完成的導(dǎo)葉體零件符合精度要求。研究結(jié)果為其他同類型復(fù)雜零件的編程加工提供了實(shí)際參考。