基于PowerMILL的渦輪增壓葉輪五軸加工初探

張鵬

摘 要：渦輪增壓葉輪的加工一直是機(jī)加工中的難題。為了加工出合格的葉輪，人們想出了很多的辦法，由最初的鑄造成形后再修光，后來采用石蠟法精密鑄造，還有電火花特種加工等方法，但這些方法不是加工效率低下，就是精度或產(chǎn)品力學(xué)性能不佳，直到五軸數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展成熟，開始應(yīng)用到葉輪加工中，上述問題才得到了根本的解決。該文對(duì)渦輪增壓葉輪的加工工藝流程進(jìn)行了簡單分析，并對(duì)使用PowerMILL軟件進(jìn)行渦輪增壓葉輪的五軸銑削加工基本設(shè)置進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：PowerMILL；葉輪；五軸加工

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

葉輪類零件是機(jī)械裝備行業(yè)重要的典型零件，在能源動(dòng)力、航空航天、石油化工、冶金等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1 葉輪加工基本加工工藝流程分析

整體葉輪的加工一直是機(jī)加工中的難題。整體葉輪的毛坯形狀一般是圓柱體的鍛件，經(jīng)過車削后成形為近似錐臺(tái)狀，這樣在2個(gè)葉片之間就有大量的材料需要去除。另外為了使葉輪滿足氣動(dòng)性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，這也給葉輪的加工增加了難度。加工困難的地方還包括：加工槽道較窄，葉片相對(duì)較長，剛度較低，屬于薄壁類零件，加工過程極易變形；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；葉片扭曲嚴(yán)重，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉等。

根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，現(xiàn)在的基本加工工藝流程是：1）在鍛鋁材料上先車削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀。（數(shù)控車床完成本工序）；2）粗加工流道部分（五軸加工中心完成本工序）；3）精加工流道部分（五軸加工中心完成本工序）；4）葉片精加工（五軸加工中心完成本工序）

2 葉輪五軸銑削加工編程基本設(shè)置（基于PowerMILL軟件）

2.1 銑削模型的處理

在PowerMILL自動(dòng)編程軟件中，要使用針對(duì)整體葉輪的加工模塊，首先需要了解其對(duì)葉輪加工的一些定義。

1）輪轂：指葉輪輪轂曲面。這個(gè)曲面是將葉片根部的曲線旋轉(zhuǎn)360°得到的。

2）套：指葉輪的包裹曲面。這個(gè)曲面是將葉片頂部的曲線旋轉(zhuǎn)360°得到的。

3）倒圓角：指葉輪葉片的根部圓角曲面，如果是等半徑圓角，建議用球頭刀的刀尖圓角來完成，不提供這個(gè)曲面也可以。

4）左翼葉片：在PowerMILL里，左翼葉片為靠左邊葉片的兩側(cè)曲面。這個(gè)需要從設(shè)計(jì)完成后的葉片上提取該曲面。

5）右翼葉片：在PowerMILL里，右翼葉片為靠右邊葉片的兩側(cè)曲面。這個(gè)需要在設(shè)計(jì)完成后的葉片上提取該曲面。

6）分流葉片：在PowerMILL里，分流葉片為左翼葉片和右翼葉片之間較小葉片的兩側(cè)曲面。這個(gè)需要在設(shè)計(jì)完成后的葉片上提取該曲面。如果葉輪沒有分流葉片，可以不提供這個(gè)曲面。

與前面章節(jié)的五軸編程加工不同，PowerMILL的葉輪五軸編程加工，只需要提供上述曲面的模型即可，并不需要提供整個(gè)葉輪的實(shí)體模型。

注意：不同的CAM軟件（例如HyperMILL），對(duì)加工特征的定義不一定相同。

2.2 葉輪的五軸銑削加工編程過程

2.2.1 導(dǎo)入加工模型

啟動(dòng)PowerMILL軟件后，輸入加工模型。

加工模型導(dǎo)入后，單擊普通陰影模式，再單擊軸測(cè)圖模式。觀察導(dǎo)入的模型，可以發(fā)現(xiàn)曲面有2種顏色，一面是藍(lán)色，另一面是棕紅色。藍(lán)色說明這個(gè)曲面方向朝外，將來刀軸的方向是正確的。如果輸入的模型是整個(gè)實(shí)體，系統(tǒng)判斷正反面一般沒有問題。但輸入多個(gè)曲面，則有可能判斷不對(duì)。按下鍵盤上的“Shift”鍵，用鼠標(biāo)選擇棕紅色的曲面后，再單擊右鍵，在彈出的右鍵菜單中，選擇“反向已選”，這個(gè)曲面的加工方向就正確了。如果棕紅色曲面多，可重復(fù)多次這個(gè)操作。

2.2.2 創(chuàng)建層

在左側(cè)項(xiàng)目樹中，右鍵單擊“層和組合”，在彈出的右鍵快捷菜單中選擇【產(chǎn)生層】，系統(tǒng)將新建層1，在層1處單擊右鍵，在彈出的右鍵菜單中選擇【重新命名】，將層1命名為“輪轂”。重復(fù)上述操作，分別創(chuàng)建“套”、“左翼葉片”、“右翼葉片”和“分流葉片”。該實(shí)例用球頭刀的刀尖圓角產(chǎn)生倒圓角，加工模型中沒有倒圓角曲面，就不建“倒圓角”層了。

2.2.3 加工曲面的分層處理

如圖1 所示，在圖中選擇套的2個(gè)曲面（圖中1），在左側(cè)項(xiàng)目樹中，找到“套”層，在彈出的右鍵菜單中選擇【獲取已選模型幾何形體】，系統(tǒng)就將“套”這個(gè)曲面，從0層移動(dòng)到套層。重復(fù)上述操作，將0層中的曲面，分別移動(dòng)到“輪轂”、“左翼葉片”、“右翼葉片”和“分流葉片”中。

如何判斷曲面是否選擇正確，可單擊層前面的燈泡，關(guān)閉該層的顯示，這樣在右邊消失的圖素，就是該層的圖素。如果漏選了某個(gè)曲面，可多次獲取。

為了方便觀察刀路情況，建議關(guān)閉套層，打開其他層。

2.2.4 定義用戶坐標(biāo)系

鼠標(biāo)右鍵單擊屏幕左側(cè)項(xiàng)目樹中的【用戶坐標(biāo)系】下面的用戶坐標(biāo)系，在彈出的右鍵菜單中選擇【用戶坐標(biāo)系編輯器】。右側(cè)窗口上方出現(xiàn)工具欄，修改該坐標(biāo)系的名字為“G54”，單擊位置表格按鍵，在彈出的位置對(duì)話框中，在Z軸處輸入“34.6”，單擊應(yīng)用按鍵，G54用戶坐標(biāo)系從原來輪轂曲面中心的底部位置，上移到零件上表面中心的位置。最后單擊“√”圖標(biāo)，完成用戶坐標(biāo)系的定義。

2.2.5 定義加工毛坯

單擊“毛坯”按鍵。屏幕出現(xiàn)毛坯定義對(duì)話框，由于葉輪銑削的毛坯是車削完成后的形狀，對(duì)于特殊毛坯，PowerMILL允許用其他設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建毛坯后再導(dǎo)入，在下拉列表中，選“三角形”，單擊旁邊的打開圖標(biāo)，系統(tǒng)通過三角形模型彈出毛坯對(duì)話框，選擇文件路徑和文件類型，找到其他軟件創(chuàng)建的毛坯文件，打開該文件后，右邊的工作區(qū)將出現(xiàn)毛坯的形狀，毛坯窗口有對(duì)應(yīng)的毛坯尺寸，單擊“接受”完成毛坯的定義。

2.2.6 定義刀具參數(shù)

用鼠標(biāo)右鍵單擊屏幕左側(cè)項(xiàng)目樹中的【刀具】。在彈出的右鍵菜單中選擇【產(chǎn)生刀具】->【球頭刀】。系統(tǒng)彈出球頭刀對(duì)話框，分別設(shè)置刀具的直徑“5”，刀具編號(hào)“1”，刀具長度“30”，這個(gè)刀長建議按實(shí)際值設(shè)置，名稱為“BM5”。最后單擊“關(guān)閉”按鍵完成刀具參數(shù)的定義。如果夾持刀具的刀柄比較特殊，可在刀柄和夾持頁中定義其尺寸。

3 結(jié)語

葉輪五軸銑削的加工內(nèi)容是去除葉片之間的材料。編程流程是從設(shè)計(jì)完成的三維實(shí)體模型中，根據(jù)CAM軟件的要求（例如PowerMILL），提取必要的加工特征，這些加工特征集合起來成為一個(gè)新的三維模型，再將此加工模型傳給CAM軟件，由CAM軟件的專用葉輪加工模塊生成刀具路徑，經(jīng)過后置處理后，得到的NC程序。該文只是介紹了葉輪加工的工藝流程和五軸銑削加工的基本設(shè)置，希望能為五軸編程在學(xué)人員提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

[1]賀瓊義.五軸加工中心編程與操作——應(yīng)用篇[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2017.