葉輪軸數(shù)控加工技術(shù)及葉片加工誤差分析

閃雙鳳 張丙臣

（鶴壁市機(jī)電信息工程學(xué)校，河南 鶴壁453000）

數(shù)控技術(shù)的成熟應(yīng)用，使得機(jī)械零件的精細(xì)化加工成為了可能。它以PLC 作為控制中心，使用MNC 系統(tǒng)完成對刀具的控制，更加快速、更加精準(zhǔn)的完成特定工件的加工。葉輪軸上的葉片，既有弧面也有平面，因此加工難度較大。使用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行加工有助于改善成品葉片的精度，對降低制造成本、保證使用效果有積極幫助。

1 葉輪軸加工工藝問題及方法改進(jìn)

1.1 葉輪軸原加工工藝問題分析

某葉輪軸生產(chǎn)車間在技術(shù)改良前的加工刀具和加工參數(shù)見表1。

表1 葉輪軸加工刀具和參數(shù)

從加工效果來看，原工藝流程存在以下問題：第一，使用普通車床雖然降低了成本，但是因?yàn)榧庸ば实停揖炔?，?dǎo)致殘次品率高；第二，內(nèi)螺紋的底孔未經(jīng)過精鏜處理，孔徑誤差較大?？讖狡?dǎo)致外接軸無法正常連接，孔徑偏大又會導(dǎo)致外接軸松動，轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生明顯的晃動。第三，在銑削處理中，粗銑與精銑采用相同類型的銑刀。精銑時可能會出現(xiàn)精度達(dá)不到要求的情況，而粗銑又會導(dǎo)致刀具過快磨損，增加刀具更換頻率。

1.2 方法改進(jìn)

鑒于原工藝存在諸多缺陷，需要對該葉輪軸生產(chǎn)工藝進(jìn)行改良。一種思路是采用數(shù)控技術(shù)，將車床與銑床聯(lián)用，相互配合完成對葉輪軸工件的加工。這樣既提高了加工效率，同時也能夠保證精度，有利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、批量化的工件制造。經(jīng)過改良后的加工工藝，可以根據(jù)零件制造要求的不同，分別提供粗加工、半精加工和精加工三種模式，提高了機(jī)床的利用效率。

2 葉輪軸數(shù)控加工技術(shù)

2.1 三維模型的建立

利用UG10.0 軟件進(jìn)行建模。啟動軟件之后，選擇工具欄中的“插入”選項(xiàng)，在子選項(xiàng)中點(diǎn)擊“創(chuàng)建草圖”，可以得到一個新的繪制界面。利用軟件提供的線段、模組等完成葉輪軸葉片平面圖的初步繪制。在草圖上添加參數(shù)進(jìn)行標(biāo)記，包括葉輪軸的直徑、葉片的弧度等。保存草圖之后，利用軟件提供的“拉伸”功能，在一側(cè)的選項(xiàng)框中，輸入相關(guān)的參數(shù)，包括高度、距離等，所有參數(shù)填寫完畢后，點(diǎn)擊“確定”將平面圖拉伸成立體模型。點(diǎn)擊保存三維模型后，選擇疊加繪圖可以得到最終的葉輪軸三維模型，如圖1 所示。

圖1 葉輪軸的三維模型

2.2 建立坐標(biāo)系和刀具軌跡生成

走刀軌跡除了對加工精度有直接影響外，也會決定刀具磨損程度和刀具更換頻率，進(jìn)而對加工成本產(chǎn)生影響。因此，在數(shù)控加工工藝中應(yīng)當(dāng)通過建立正確的坐標(biāo)系和生成相應(yīng)的刀具軌跡，使下一步的加工能夠高效率的開展。需要建立的坐標(biāo)系分為兩種：其一是機(jī)床坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)確定Z 軸，在Z 軸方向上確定刀具位置；在Z 軸的正方向上即為X 軸，最后確定Y 軸。其二是工作坐標(biāo)系，根據(jù)待加工零件的形狀、尺寸等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。在本次試驗(yàn)中，要結(jié)合齒輪軸的設(shè)計(jì)參數(shù)確定工作坐標(biāo)系。

在設(shè)計(jì)刀具軌跡時，排除初始階段刀具加速部分和結(jié)束階段刀具減速部分，只設(shè)計(jì)中間階段刀具勻速運(yùn)行時的運(yùn)行軌跡。確定軌跡時，要注意準(zhǔn)確計(jì)算刀具的切入量、切出量，在切入和切出方法上選擇圓弧切線切入，這種方法能夠最大程度上避免走刀過程中出現(xiàn)刀刃嚴(yán)重磨損的情況，對減少換刀頻次以及間接的提升加工效率也有一定的幫助。軸柄處的刀具軌跡見圖2、葉片處的刀具軌跡見圖3。

圖2 軸柄處刀具軌跡

圖3 葉片處刀具軌跡

2.3 數(shù)控編程

編寫數(shù)控加工程序前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確葉輪軸不同部位的加工要求。例如十字葉片部位應(yīng)當(dāng)采取粗加工；而R5 圓角部位需要使用鋁用銑刀加工，葉片邊緣部位采用精加工，葉片根部應(yīng)注意做好圓角清根處理等等。明確上述要求以后，調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的基本參數(shù)，并檢查各個端口的接線是否良好，保證指令的傳遞。使用RS232 接口線，一端連接數(shù)控機(jī)床的接入口，另一端連接計(jì)算機(jī)的輸入口。技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)上利用CIMCOE軟件，完成數(shù)控加工的指令編輯。然后由計(jì)算機(jī)自動對程序進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，將結(jié)果通過接線導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床的PLC 模塊中。在PLC 的控制下完成走刀加工。自動編程的流程如圖4 所示。

圖4 采用自動編程的數(shù)控機(jī)床編程流程

3 工藝改進(jìn)前后葉片加工誤差的統(tǒng)計(jì)分析

3.1 采集樣本及分組

葉片加工精度將會對葉輪軸運(yùn)行時的穩(wěn)定性、阻力等產(chǎn)生直接影響，是判斷工件加工高質(zhì)量的決定性因素。其中，R5 圓弧是葉片平面和弧面的過渡區(qū)域，根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，該部分也是最容易出現(xiàn)誤差的區(qū)域。因此，在進(jìn)行誤差對比時將R5 圓弧作為采樣區(qū)域。根據(jù)葉輪軸的設(shè)計(jì)要求，R5 圓弧的允許誤差范圍是±0.1mm。在采集樣本時，隨機(jī)選擇使用原工藝和改良工藝完成加工的成片葉輪軸葉片各20 組，使用精密測量儀器對各個組件的R5 圓弧尺寸進(jìn)行測量。根據(jù)測量結(jié)果求出公差，并使用Excel 繪制表格，兩組公差分布如圖5（a）和（b）所示。

圖5 原工藝（a）和改良工藝（b）的公差分布

3.2 繪制正態(tài)分布曲線

結(jié)合圖5 可知，無論采取何種工藝，尺寸誤差總是呈正態(tài)分布。根據(jù)測量獲得的兩組數(shù)據(jù)，利用公式分別求出算數(shù)平均值（x）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）。其中：

按照上述兩式可以分別得到兩種加工工藝的尺寸平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，見表2。

表2 兩種工藝下的誤差對比（mm）

以零件尺寸作為x 軸，以概率密度作為y 軸，結(jié)合上述數(shù)據(jù)可以分別得到兩種加工工藝下的正態(tài)分布曲線，如圖6（a）和（b）所示。對比上圖（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改良后的加工工藝，正態(tài)分布曲線更為集中，即加工精度更高。

圖6 改良前（a）和改良后（b）的正態(tài)分布圖

4 結(jié)論

數(shù)控加工技術(shù)的成熟在提高工業(yè)零件加工精度和生產(chǎn)效率方面有明顯的幫助。本文以葉輪軸為例，通過設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，證明了數(shù)控加工模式下葉輪軸葉片的尺寸精度明顯提升。在工業(yè)制造向中高端邁進(jìn)的過程中，數(shù)控加工技術(shù)將會有更為廣闊的應(yīng)用前景。