葉輪5軸加工方法及制造工藝研究

葉衛(wèi)文

廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院（廣東東莞 523000）

1 引言

冷戰(zhàn)時期的前蘇聯(lián)，國防技術(shù)一直落后于西方國家，特別是當(dāng)時最懼威脅的潛艇部隊，由于技術(shù)原因，水下噪音問題一直無法有效解決。

前蘇聯(lián)潛艇噪聲之所以過大，除了設(shè)計水平低，還跟加工技術(shù)較差有關(guān)，前蘇聯(lián)使用落后的設(shè)備和工藝來加工制造軍事裝備，致使裝備產(chǎn)量小質(zhì)量不佳的問題始終無法得到有效的解決。而潛艇的噪音主要來源是螺旋槳轉(zhuǎn)動與海水磨擦產(chǎn)生噪音。要解決這個噪音就要用到5軸聯(lián)動加工設(shè)備，這樣才能獲得新型螺旋槳所需的極低形位公差和高光潔度曲面質(zhì)量。前蘇聯(lián)當(dāng)時就是缺少這樣的裝備和先進(jìn)的加工制造技術(shù)。

就因為這樣，前蘇聯(lián)軍工企業(yè)高層下了很大的決心要解決這個嚴(yán)重問題，而要解決這個問題最快的方法便是從西方國家手里獲取先進(jìn)的加工裝備和技術(shù)。

到了1980年，前蘇聯(lián)農(nóng)產(chǎn)品及消費品等產(chǎn)量陷入困境，需要進(jìn)口大批機(jī)械設(shè)備來擴(kuò)大產(chǎn)量。而剛好想開拓前蘇聯(lián)市場的日本東芝機(jī)械公司，無意中在一次莫斯科的政府酒會上探聽到蘇聯(lián)正要采購一批用于制造大型船舶推進(jìn)器的數(shù)控機(jī)床的消息。后來東芝公司與蘇方達(dá)成了以35億日元的高昴價格出售4套當(dāng)時擁有業(yè)界最新技術(shù)的5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的協(xié)議。

此后從1982年到1983年間，先后把4臺MBP-110S 5軸數(shù)控機(jī)床陸續(xù)運(yùn)抵蘇聯(lián)北部軍港列寧格勒，后被安裝在了波羅海造船廠。1984年，蘇聯(lián)和日本又簽訂了一份備件合同，為蘇聯(lián)提供了12個銑刀頭和大量的機(jī)床備用配件，并為他們的數(shù)控系統(tǒng)升級了擴(kuò)展功能，可以實現(xiàn)更多的附加加工功能。

本來事情就這么結(jié)束了，可紙終究包不住火，原本就前蘇聯(lián)自身加工水平造出的潛艇，在美國海軍面前，要追蹤它們是很簡單的事情，就算在幾百海里也能追蹤到它們。慢慢地，美國人奇怪地發(fā)現(xiàn)蘇聯(lián)潛艇的噪音變小了很多，越來越難追蹤，有時在身邊都沒發(fā)現(xiàn)，直到了1986年發(fā)生了美國和蘇聯(lián)潛艇相撞事故，事情隨著當(dāng)事人熊谷獨的揭發(fā)和美國情報人員的調(diào)查，終于東窗事發(fā)，美國勃然大怒，東芝公司遭到了歐盟制裁并把東芝機(jī)械公司高管也關(guān)進(jìn)了監(jiān)獄。

通過這件事件可以看出，5軸聯(lián)動高端數(shù)控機(jī)床對一個國家整體的工業(yè)制造能力乃至國防安全都起著至關(guān)重要的作用。

2 5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的概述

以往，在沒有5軸機(jī)床可以利用的情況下，都是通過設(shè)計多套夾具，進(jìn)行多次安裝、定位、鎖緊，進(jìn)行多次的3軸加工來進(jìn)行多面結(jié)構(gòu)銑削，這樣的加工方法讓零件加工時間大大的延長，加工質(zhì)量大大的降低。

一直到現(xiàn)代，精密數(shù)控加工日趨普遍。實現(xiàn)精密加工的高檔數(shù)控機(jī)床、模具處于制造產(chǎn)業(yè)鏈的最前端，而模具產(chǎn)品質(zhì)量的高低在很大程度上又受制于數(shù)控設(shè)備。在激烈的市場競爭中，制造業(yè)要求更短的生產(chǎn)周期、更高的加工質(zhì)量以及更快的產(chǎn)品改型能力和更低的制造成本。要滿足這些條件，越來越多的制造企業(yè)采用了高端的5軸數(shù)控加工機(jī)床。5軸數(shù)控機(jī)床按照主軸的位置關(guān)系可分為兩大類。

2.1 立式5軸數(shù)控聯(lián)動機(jī)床

工作臺回轉(zhuǎn)的立式5軸加工中心，設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍+30°～-120°。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)工作臺，并環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是±360°回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的5個面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值般為0.001°，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面和傾斜孔等特征。A軸和C軸如與X、Y、Z 3條直線軸實現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低，但一般工作臺不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于或等于90°時，工件切削時會給工作臺帶來很大的承載力矩。

另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360°，稱為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90°以上，實現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計得非常大，適合加工汽車車身、大型發(fā)動機(jī)等。

2.2 數(shù)控臥式5軸聯(lián)動機(jī)床

傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸式5軸加工中心，設(shè)置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍+20°～-100°。工作臺的中間也設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺B軸，B軸可雙向360°回轉(zhuǎn)。這種臥式5軸加工中心的聯(lián)動特性比較好，常用于加工大型葉輪的復(fù)雜曲面?；剞D(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度高，當(dāng)然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也昂貴。

3 5軸數(shù)控加工的功能和特點

3.1 加工復(fù)雜自由曲面

可以加工出3軸數(shù)控機(jī)床所不能加工的產(chǎn)品，如航空發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)的葉片，艦艇用的螺旋推進(jìn)器，以及許多具有特殊曲面和復(fù)雜型腔、孔位的殼體和模具等。

3.2 可使用更短的刀具加工深長型腔零件和高陡峭壁的凸模零件

在零件加工過程中，使用的刀具越長，刀軸的偏擺量越大，容易導(dǎo)致凸模欠切、凹模過切的情況，零件加工質(zhì)量就會顯著降低。對于臺階零件，在3軸機(jī)床上，必須選用刀柄和刀刃都足夠長的刀具才能切削成型。而使用5軸加工機(jī)床能在加工相同對象時，通過擺動刀軸角度實現(xiàn)使用短刀具加工出深長型腔或高陡峭壁的表面。

3.3 加工大型樣板的必要技術(shù)

在加工汽車模板、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等等大件時，由于樣板側(cè)壁型狀變化較大等特征，就必須用到5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床才能加工出這樣的特征。車模側(cè)面不是普通的平面，而是有不規(guī)則不相同的任意結(jié)構(gòu)特征，使用3軸機(jī)床是不可能一次完整加工出來的，而是必須通過5軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床調(diào)整刀具跟工件的角度進(jìn)行切削加工。

3.4 有效提升復(fù)雜曲面的切削精度和表面質(zhì)量

3軸數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面時，都采用半圓型球頭銑刀加工，而球頭銑刀的接觸頂點部分切削效率極低，切削效率幾乎為零，加之3軸數(shù)控機(jī)床的刀具和工件之間角度是不可以調(diào)整。所以很難采用球頭銑刀上的最佳切削點來進(jìn)行切削加工，也就常常出現(xiàn)加工面與接觸切削點在球頭銑刀頂點部分上（即“零點切削”）。如圖1、圖2所示，可以清楚地看出球頭銑刀與工件表面的接觸點的變化。

圖1 球頭銑刀零點切削

圖2 球頭銑刀最佳點切削

零點切削方式不但造成切削速度慢，工件表面光潔度差，還需要采用手動修補(bǔ)工件表面，如拋光、打磨等方式。因此工件曲面喪失了原有的加工精度，而采用5軸機(jī)床進(jìn)行切削加工就不存在這樣的問題，因為刀具切削加工時刀具的角度可以隨時變動，和工件之間保持最佳的切削狀態(tài)。如圖2所示，不但可以獲得更高的加工速度和側(cè)面吃刀量，同時大大的提高了加工效率和速度，更加完美的曲面和光潔度。

3.5 為模具產(chǎn)品加工帶來更高的加工效率

該功能更加地表現(xiàn)在帶角度表面的側(cè)面銑削加工方面，對于錐度類零件，使用5軸機(jī)床切削時，可以使用圓柱立銑刀代替球頭銑刀，不但大大地提高了加工效率，而且這種工藝也可以消除由球刀加工形成的網(wǎng)狀刀紋，達(dá)到最好的表面質(zhì)量。

3.6 有效提高刀具的使用時間

5軸加工通過改變刀具切削面來提高刀具的使用時間，而用高速加工機(jī)床可以獲得更快速的切削效率，并縮短加工時間，但是刀具的磨損通常只發(fā)生在刀尖上，使得刀具的有效使用時間縮短，且需要重新磨刀才能使用。而使用5軸機(jī)床加工時，刀具除了刀尖切削外，更多時候是使用刀具側(cè)面刀刃來切削，最大限度的利用率提高了很多，也因此提高了刀具的整體壽命。

4 5軸數(shù)控加工的應(yīng)用

雖然5軸加工機(jī)床的普遍性還有一些困難，但在一些加工業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)普遍應(yīng)用了多軸數(shù)控加工技術(shù)來制造產(chǎn)品。

4.1 模具制造業(yè)中的應(yīng)用

模具制造中的5軸加工應(yīng)用主要包括板類加工、凹凸模、深孔或型芯等，特征如槽、倒斜角、陡壁和斜孔等加工，充分發(fā)揮了5軸加工的優(yōu)勢。例如，模具常見的過深的模具型腔、過高的模具型芯及很小的內(nèi)R角。此時常見的解決方案是使用延長桿，降低切削量及轉(zhuǎn)速來進(jìn)行加工，導(dǎo)致加工效率低，質(zhì)量不佳。此外，在傳統(tǒng)上，還會用到的方法包括:將3軸機(jī)床加工不出來的結(jié)構(gòu)拆分，將零件分塊加工，或者是根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計專用夾具，再者對深型腔零件采用電火花機(jī)來加工，這些方法同樣會影響加工質(zhì)量和加工效率。而采用5軸機(jī)床傾斜刀軸加工，不僅可以加工出整體模具來，更能顯著提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率。

4.2 應(yīng)用于產(chǎn)品模型的加工

要開發(fā)一套新產(chǎn)品，初期要求短時間內(nèi)把樣品加工出來，評估其外型以及結(jié)構(gòu)的合理性，便于及時進(jìn)行修改調(diào)整。模型加工講求的是速度與效率，使用5軸加工機(jī)床來加工產(chǎn)品，會避免耗費許多工時來對模型進(jìn)行翻面及定位等動作，從而提高樣品加工效率。

4.3 航空、航天器零部件加工

由于功能和結(jié)構(gòu)的要求，很多航空和航天器類零件是框架類零件，這些零件的毛坯件一般是鍛件，在結(jié)構(gòu)上具有三維表面特征，有較多的薄壁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在3軸機(jī)床上無法加工出來。

4.4 氣缸、機(jī)座類零件加工

發(fā)動機(jī)氣缸具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一些氣缸孔還具有彎曲弧度，無法使用3軸加工方式來進(jìn)行精加工。因此，氣缸孔的加工方式一般使用5軸機(jī)床來進(jìn)行切削。與氣缸零件相類似，機(jī)座類零件往往也是具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及側(cè)孔、槽等特征，使用5軸機(jī)床加工可以減少夾具數(shù)目。減少裝夾定位工時，提高加工效率和質(zhì)量。

5 葉輪的分析

5.1 葉輪的運(yùn)作原理

葉輪是航空噴氣發(fā)動機(jī)里最重要的零部件，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。對整體葉輪的加工，需要對葉輪的結(jié)構(gòu)和制造以及相關(guān)知識有一定的理解，葉輪在壓氣件中最為關(guān)鍵且常用的零部件，葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，把大量的外界空氣壓縮進(jìn)發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作室里，由于不斷地壓縮空氣進(jìn)去。并受到葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn)的作用力下使發(fā)動機(jī)工作室內(nèi)部壓力迅速升高，最混入燃油并點燃釋放能量的過程。因此對葉輪的要求有:一是氣體流過葉輪的損失要小；二是葉輪型式要能使整體性能穩(wěn)定、工況區(qū)域和扭矩范圍要廣。

5.2 葉輪的結(jié)構(gòu)特征

葉輪的主要特征是由扭曲帶狀薄片組成，在扭曲薄片之間有許多的材料需要切除。為了使葉輪能夠得到最大的氣動性能的要求，葉片只能常采用大扭角薄片的設(shè)計，葉片底部采用圓角加強(qiáng)剛性的結(jié)構(gòu)，這些特征給葉輪的加工增加了難度。加工困難的特征包括:葉片風(fēng)道從大變小，葉片薄而長，剛度不穩(wěn)定，屬于薄片類零件，加工過程中容易變形或損破，扭曲葉片之間空間小，加工底部圓角時刀具直徑要小，球頭刀具比較容易折斷，葉片扭曲嚴(yán)重，加工時極易產(chǎn)生干涉，加工難度較大，如圖3所示。

根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，確定基本的加工工藝流程為：選用鋁合金材料；加工基本形狀；葉轂粗加工；葉轂精加工；流道粗加工；精加工輪轂面；葉片精加工。

圖3 發(fā)動機(jī)葉輪

6 葉輪的編程步驟及結(jié)果

UG NX8.0是目前先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計、分析和制造軟件之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械等領(lǐng)域。在本文中以UG8.0編寫程序，步驟如下：

（1）根椐葉輪的大小，在UG8.0中創(chuàng)建好機(jī)床坐標(biāo)系，設(shè)置好毛坯幾何體，并指定部件。

（2）根椐圖形分別創(chuàng)建刀具φ10mm平低銑刀、φ10mm平低銑刀、φ8R4mm球頭刀、φ8R4mm球頭刀。

（3）創(chuàng)建型腔銑程序，選用φ10mm平低銑刀指定切肖區(qū)域開粗葉轂，最用φ10mm平低銑刀精加工外輪廓以及平面。

（4）創(chuàng)建輪廓區(qū)域程序，用φ8R4mm球頭刀精加工葉轂。

（5）創(chuàng)建多葉片幾何體，指定葉轂、包覆、葉片、葉根圓角。

（6）創(chuàng)建多葉片粗加工程序，用φ8R4mm球頭刀粗加工流道，分別設(shè)置切削層、進(jìn)退切削參數(shù)、以及進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速。模擬加工結(jié)果如圖4所示，實際加工效果如圖5所示。

圖4 模擬加工效果

圖5 實際加工效果

（7）創(chuàng)建葉轂精加工程序，用φ8R4mm球頭刀精加工流道，分別設(shè)置切削參數(shù)、進(jìn)退切削參數(shù)、以及進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速。模擬加工結(jié)果如圖6所示，實際加工效果如圖7所示。

圖6 模擬加工效果

圖7 實際加工效果

（8）創(chuàng)建葉片精加工程序，用φ8R4mm球頭刀精加工葉片，分別設(shè)置切削層、進(jìn)退切削參數(shù)、以及進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速。模擬加工結(jié)果如圖8所示，實際加工效果如圖9所示。

圖8 模擬加工效果

圖9 實際加工效果

（9）創(chuàng)建可變流線銑程序，用φ10mm銑刀切斷葉輪并倒角，分別設(shè)置切削參數(shù)、進(jìn)退切削參數(shù)、以及進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速。模擬加工結(jié)果如圖10所示，實際加工效果如圖11所示。

圖10 模擬加工效果

圖11 實際加工效果

7 刀具表

刀具表如表1所示。

表1 刀具表

8 加工程序

%

N0010 G40 G17 G49 G80 G90

N0020 G91 G28 Z0.0

N0030 T02 M06

(D=8.00 R=4.00 F=50.00 L=75.00)

N0040 G00 G90 X-26.1285 Y3.0503 A0.0 C0.0 S15000 M03

N0050 G43 Z9.9998 H02

N0060 Z2.0003

N0070 G01 Z-.1028 F5000.M08

N0080 X-26.127 Y3.0158 Z-.6255

N0440 G03 X-12.6818 Y-22.6965 I14.2245 J21.0908

N0450 G01 X-12.2633 Y-22.926

N0460 G03 X-9.9802 Y-24.0083 I12.3015 J23.0048

N0470 G01 X-9.3818 Y-24.2483 Z-4.101

由于5軸程式過于寵大這里省略大部分程序

……

N6690X12.3128Y24.6885 Z-9.9885A-43.604C-77.179

N6700 X10.7513 Y24.171 Z-8.523 A-44.502 C-77.139

N6710 X9.2933 Y23.559 Z-7.1918 A-45.31 C-77.086

N6900 Y4.6553 Z8.4653

N6910 X-6.8588 Y4.5758 Z8.604

N6920 X-6.8835 Y4.518 Z8.7622

N7020 G91 G28 Z0.0

N7030 M01

N7040 M30

%

9 問題總結(jié)

在實際的加工過程中出現(xiàn)了葉片過切現(xiàn)象，經(jīng)軟件查看分析，刀軸是由于葉輪的進(jìn)氣流道比較窄，葉片相對較長，紅色刀具部分與葉片之間產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象，造成過切，如圖12所示。

通過對刀軸角度的修改調(diào)整，修正了干涉現(xiàn)象，經(jīng)仔細(xì)查看沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。通過如圖13所示對話框修改后，如圖14所示。

圖12 葉片過切分析圖

圖13 多葉片粗加工對話框

圖14 葉片過切修正效果圖

在編寫程序時，要注意第4軸的轉(zhuǎn)動角度（即A軸）范圍，如果角度超出范圍，則會發(fā)生碰撞事故或機(jī)床報警信息。

10 結(jié)論

本文通過對UG8.0軟件結(jié)合5軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行葉輪的加工，著重分析了5軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用，并分析了葉輪的結(jié)構(gòu)特征和用途等，與實際應(yīng)用相結(jié)合，通過5軸數(shù)控機(jī)床把葉輪加工出來。文章中的部分資料來源于互聯(lián)網(wǎng)、書籍和實際加工，由于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)的更新，可能在某種程度上存在一些局限性，希望本文的分析和結(jié)論能給企業(yè)和學(xué)校帶來幫助。