無(wú)人機(jī)薄壁葉輪五軸高效數(shù)控加工技術(shù)

付 林

（湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 無(wú)人機(jī)薄壁葉輪五軸高效數(shù)控加工工藝

1.1 設(shè)備及材料的選型

機(jī)床方面選擇德瑪吉HSC-75linear立式五軸聯(lián)動(dòng)高速機(jī)床，主軸最大轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，最大進(jìn)給速度為100 m/min，配備容量為28刀位的鏈?zhǔn)降稁?kù)。刀具選擇高速銑削專(zhuān)用的銑刀，共分為兩種類(lèi)型：一種為BN8型，直徑為8 mm，形狀為球頭形，材料為硬質(zhì)合金，總長(zhǎng)為100 mm，最大切削長(zhǎng)度為40 mm，主要應(yīng)用于葉片和輪轂的半精加工；另一種為BN6型，直徑為6 mm，形狀為錐形，材料為硬質(zhì)合金，總長(zhǎng)為80 mm，最大切削長(zhǎng)度為40 mm，主要應(yīng)用于葉片和輪轂的精加工。夾具方面，結(jié)合毛坯材料的形狀設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具，在保證裝夾穩(wěn)定的前提下，簡(jiǎn)化夾具的結(jié)構(gòu)，操作更加方便。

1.2 工藝路線的確定

在遵循“先面后孔、先粗后精、先主后次”加工順序的前提下，確定無(wú)人機(jī)薄壁葉片五軸數(shù)控加工的工藝路線[1]，一套完整的工件加工流程可以分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段，部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的工件可以在粗加工結(jié)束后直接進(jìn)行精加工處理，以提高加工效率。雖然無(wú)人機(jī)薄壁葉片的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，葉片扭曲較小，但是對(duì)于加工精度要求極其嚴(yán)格，因此，在實(shí)際加工中不可以省略半精加工工序。在對(duì)毛坯材料完成粗加工以后，還需要完成半精加工，方可進(jìn)入精加工環(huán)節(jié)。由于粗、精加工的作用不同，對(duì)數(shù)控加工的工藝參數(shù)（如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等）也提出了不一樣的要求[2]。在實(shí)際加工中需要根據(jù)工藝方案靈活調(diào)節(jié)具體參數(shù)，才能保證加工精度。

1.3 刀具軌跡的規(guī)劃

葉輪加工主要分為粗加工、半精加工和精加工三道工序，相應(yīng)地需要對(duì)每一道工序分別規(guī)劃刀具軌跡。其中，在粗加工過(guò)程中，要求快速去除毛坯上的多余材料，提高整體加工效率[3]。在粗加工刀具的軌跡規(guī)劃時(shí)，借助于Power Mill軟件提供的“葉輪加工”模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。啟用該功能后，在彈出的對(duì)話框中可以分別設(shè)計(jì)“快進(jìn)”“下切”“切削移動(dòng)”等參數(shù)。保存設(shè)計(jì)參數(shù)后，利用葉盤(pán)區(qū)域清除功能實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯材料葉盤(pán)區(qū)域的粗加工。完成第一遍粗加工后，還要采用“3+2”固定軸清除方法，進(jìn)行二次粗加工。該加工方式的優(yōu)點(diǎn)在于：一是可以直觀地顯示剩余毛坯的實(shí)時(shí)變化情況，以便于找出實(shí)際加工區(qū)域，并尋找最佳的下刀點(diǎn)，減少無(wú)效走刀的距離，從而提高加工效率；二是顯著降低刀具切入、切出材料時(shí)的沖擊力，對(duì)提高切削面的加工精度以及保護(hù)刀具、減少刀具磨損有積極幫助[4]。

2 葉輪五軸高效數(shù)控加工的仿真

2.1 構(gòu)建機(jī)床模型

以五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際參數(shù)為依據(jù)，在VERICUT軟件中構(gòu)建機(jī)床的三維模型。模型框架建成以后，再將提前準(zhǔn)備好的機(jī)床部件（保存格式為STL）逐個(gè)添加到框架中。通過(guò)調(diào)整部件的位置以及設(shè)置部件之間的聯(lián)動(dòng)和約束條件，可以得到具有仿真功能的五軸數(shù)控機(jī)床模型。設(shè)置機(jī)床模型的詳細(xì)參數(shù)，例如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、背吃刀量等[5]。

2.2 創(chuàng)建刀具庫(kù)

在VERICUT軟件中創(chuàng)建刀具庫(kù)，需要對(duì)刀柄和刀桿分別設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣可以保證刀具加工面的仿真效果與實(shí)際效果更符合。刀具庫(kù)中應(yīng)包含車(chē)刀、鏜刀、銑刀等多種常用的刀具[6]。同時(shí)，考慮到仿真加工過(guò)程中可能存在同一種刀具在多個(gè)地方同時(shí)使用的情況，因此在刀具庫(kù)的設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)“讀取刀具”的功能。每次打開(kāi)刀具庫(kù)需要調(diào)用刀具模型時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取“TOOL_HSC75.tsl”文件。只有當(dāng)前刀具庫(kù)中有符合使用需求的刀具，才能被系統(tǒng)正常識(shí)別并使用。在創(chuàng)建刀具庫(kù)時(shí)，也可以對(duì)每一種刀具的幾何特征參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，如刀具的刃數(shù)、裝夾點(diǎn)、裝夾方向等。在創(chuàng)建刀具的界面中，左側(cè)自定義刀具參數(shù)后，在右側(cè)的刀具顯示界面可以呈現(xiàn)刀具模型的細(xì)節(jié)[7]，方便設(shè)計(jì)者向刀具庫(kù)中添加不同類(lèi)型的刀具，以滿足工件加工的實(shí)際需求。

2.3 葉輪五軸加工仿真驗(yàn)證

由于無(wú)人機(jī)薄壁葉輪的數(shù)控加工過(guò)程較為復(fù)雜，為了減少工作量，本文在仿真過(guò)程中只針對(duì)刀具的走刀軌跡和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真。選擇兩臺(tái)機(jī)床，一臺(tái)進(jìn)行粗加工，另一臺(tái)進(jìn)行精加工。首先將準(zhǔn)備好的毛坯葉盤(pán)模型放置到粗加工車(chē)床上，完成模擬加工后，將葉輪的粗加工模型以STL文件形式保存，然后再將其導(dǎo)入到精加工車(chē)床上，系統(tǒng)讀取文件后自動(dòng)生成葉輪模型，并利用設(shè)定好的工藝?yán)^續(xù)完成精加工，直到獲得滿足要求的成品。這種仿真加工的優(yōu)勢(shì)在于保證了兩臺(tái)數(shù)控車(chē)床上的模型是完全一致的，從而解決了因?yàn)榈箵Q車(chē)床而精度降低的問(wèn)題。還有就是系統(tǒng)可以自動(dòng)生成和讀取葉輪模型的STL文件，節(jié)約了仿真時(shí)間[8]。

在仿真過(guò)程中，通過(guò)導(dǎo)入NC代碼驅(qū)動(dòng)機(jī)床做相應(yīng)的切削動(dòng)作，在完成切削加工任務(wù)的同時(shí)，還能將整個(gè)加工過(guò)程中的詳細(xì)參數(shù)完整地記錄下來(lái)。后期仿真加工完畢后，如果發(fā)現(xiàn)葉輪仿真模型的局部存在瑕疵，可以查找切削歷史記錄，然后找出問(wèn)題所在，方便技術(shù)人員及時(shí)修改程序及尺寸參數(shù)，保證仿真加工產(chǎn)品滿足實(shí)際需求。

2.4 葉輪切削參數(shù)的優(yōu)化

通過(guò)VERICUT軟件仿真可以發(fā)現(xiàn)，在葉輪毛坯材料的粗加工中，由于加工曲面受到的周?chē)s束較小，加上葉輪形狀為中心對(duì)稱(chēng)，粗加工完畢后得到的葉輪半成品形狀比較規(guī)則，表面紋理較為均勻，沒(méi)有明顯的加工殘余。但是在葉輪的半精加工和精加工中，由于數(shù)控機(jī)床采用的是五軸聯(lián)動(dòng)的加工模式，加工過(guò)程中受到刀具的影響，葉輪工件表面會(huì)產(chǎn)生周?chē)s束，在刀具切削工件時(shí)可能會(huì)因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的影響而導(dǎo)致表面粗糙度增加[9]。因此，本文對(duì)葉輪半精加工和精加工中的切削參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。優(yōu)化方法為：在VERICUT軟件中重新建立一個(gè)用于半精加工和精加工的葉輪模型，并啟用該軟件自帶的自適應(yīng)系統(tǒng)。將模型導(dǎo)入自適應(yīng)系統(tǒng)后，調(diào)節(jié)切削速度并觀察在不同速度下刀具切削力的變化，等到刀具獲得相對(duì)平穩(wěn)的切削力后，記錄下此時(shí)的切削速度，即為優(yōu)化后的最佳切削速度。

3 葉輪實(shí)際加工及檢測(cè)

3.1 葉輪加工實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在無(wú)人機(jī)薄壁葉輪加工中的實(shí)用效果，本文選擇一臺(tái)德瑪吉HSC-75linear立式五軸聯(lián)動(dòng)高速機(jī)床進(jìn)行葉輪加工。該機(jī)床配備刀具為山特維克R216型硬質(zhì)合金4刃球頭銑刀，刀具直徑為6 mm。進(jìn)給速度0 m/min~100 m/min可調(diào)，主軸轉(zhuǎn)速100 r/min~24 000 r/min可調(diào)。

3.2 葉輪加工方案

首先在VERICUT軟件中生成用于葉輪加工的各項(xiàng)參數(shù)和程序，然后利用USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)床的控制系統(tǒng)中。進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，保證數(shù)據(jù)能夠正常讀取、程序可以正常運(yùn)行后，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員安裝毛坯，校正坐標(biāo)后利用夾具固定，然后對(duì)刀。完成上述準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)機(jī)床，開(kāi)始對(duì)葉輪進(jìn)行加工，先后完成粗加工、半精加工和精加工后即可得到葉輪成品。成品葉輪的葉片為直紋曲面，直徑為170 mm，高度為62.5 mm，共有12組葉片。葉槽通道的尺寸不一，最大尺寸為9.4 mm，最小尺寸為8.8 mm。葉片和輪轂之間的倒圓角為R3 mm。整個(gè)加工過(guò)程中刀具的選用和具體參數(shù)的設(shè)置如表1、表2所示。

表1 葉輪加工刀具的選用

表2 加工工藝參數(shù)

3.3 葉輪成品的檢測(cè)

3.3.1 葉輪精度檢測(cè)結(jié)果

使用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床完成葉輪加工后，還要對(duì)其加工精度進(jìn)行檢測(cè)。本文使用Geromagic Qualify輔助檢測(cè)軟件。檢測(cè)原理是掃描并獲取葉輪產(chǎn)品的基本參數(shù)，然后在軟件中同步建立該產(chǎn)品的三維模型。將設(shè)計(jì)好的CAD模型與轉(zhuǎn)化后的實(shí)際產(chǎn)品模型進(jìn)行快速對(duì)比。通過(guò)計(jì)算各個(gè)位置點(diǎn)的坐標(biāo)誤差，可以判斷加工精度[10]。實(shí)際產(chǎn)品模型與設(shè)計(jì)模型的誤差越小，說(shuō)明加工精度越好?；贕eromagic Qualify的葉輪精度檢測(cè)流程如下：

1）采集數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)物模型數(shù)字化處理的方式，獲取葉輪的數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)主要是利用三維掃描設(shè)備掃描葉輪的表面輪廓，然后獲得大量三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2）處理數(shù)據(jù)。初步獲取的數(shù)據(jù)含有較多的冗余點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，如果直接使用數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括降噪、去雜等，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到提升。

3）對(duì)齊模型。葉輪模型加工精度檢測(cè)的關(guān)鍵是將實(shí)際產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)放到同一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行對(duì)比。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)和CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到一個(gè)新建的坐標(biāo)系中，進(jìn)行模型對(duì)齊。

4）比較分析。兩個(gè)模型對(duì)齊后，開(kāi)始進(jìn)行匹配度檢測(cè)并在檢測(cè)完成后輸出檢測(cè)報(bào)告。在檢測(cè)報(bào)告中提供了若干個(gè)特征點(diǎn)的3D偏差值和x、y、z的偏差，部分特征點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 部分特征點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果 單位：mm

結(jié)合檢測(cè)報(bào)告來(lái)看，各個(gè)特征點(diǎn)的3D偏差值均在0.03 mm以?xún)?nèi)，滿足葉輪加工精度（≤0.05 mm）的要求。

3.3.2 葉輪表面質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

除了檢測(cè)葉輪加工精度外，還對(duì)其表面質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。使用表面粗糙度儀獲取葉輪表面某處的局部放大圖，然后與表面粗糙度儀Ral.6模塊進(jìn)行對(duì)比。觀察發(fā)現(xiàn)葉輪表面粗糙度與Ral.6有較高的匹配度。隨機(jī)選擇若干個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行粗糙度值的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)均在0.05 mm以?xún)?nèi)，符合葉輪加工要求中“表面粗糙度＜0.08 mm”的標(biāo)準(zhǔn)，故基于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的無(wú)人機(jī)薄壁葉輪加工精度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，葉輪是無(wú)人機(jī)的重要組成部件，如果葉輪加工精度達(dá)不到要求，葉輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不均勻振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法保持平穩(wěn)飛行。相比于傳統(tǒng)的三軸數(shù)控機(jī)床加工，近年來(lái)出現(xiàn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在精密、復(fù)雜零件加工方面表現(xiàn)出了更為顯著的優(yōu)勢(shì)。將VERICUT軟件與五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，首先在該軟件上進(jìn)行葉輪加工工藝的仿真與優(yōu)化，在確定最佳的工藝路線后再使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。兩者相互配合，既可以提高葉輪加工效率，又能在最大程度上控制加工誤差，為無(wú)人機(jī)薄壁葉輪的高精度加工提供了一種新模式。