風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器葉輪軸數(shù)控加工及葉片誤差分析

魏慶媛

(哈爾濱石油學(xué)院，哈爾濱 150000)

葉輪軸的常規(guī)加工工藝存在較多弊端，由此提出了一種數(shù)控車(chē)床與數(shù)控銑床聯(lián)用的方法加工葉輪軸，不僅顯著提高了加工效率，還能有效降低加工誤差，提升零件加工精度。

1 傳統(tǒng)的葉輪軸加工工藝

風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器葉輪軸的加工工藝如下：使用普通臥式車(chē)床和90°外圓車(chē)刀，快速切削毛坯材料余量，初步得到外輪廓和端面。使用槽寬3 mm的切槽刀，在材料上加工得到(5±0.05)mm的槽。使用M24×1.5內(nèi)螺紋車(chē)刀，加工得到直徑1.5 cm、深度2.5 cm的內(nèi)螺紋孔。使用鋁用銑刀加工葉片外輪廓和R5圓弧，但實(shí)際加工中常會(huì)因操作不當(dāng)而產(chǎn)生較大的誤差，尤其是對(duì)葉片外輪廓的加工精度影響較大。銑削葉片選用的刀具直徑偏小，會(huì)增加銑削次數(shù)，令刀具磨損加劇，需要頻繁更換刀具，增加成本，降低加工效率，因此必須對(duì)傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行改良。

2 數(shù)控加工工藝

2.1 確定加工順序

葉輪軸的數(shù)控加工可分為3個(gè)階段：一是粗加工。使用數(shù)控車(chē)床快速切削毛坯材料上的大塊余量，初步得到葉輪軸的輪廓、斷面。二是半精加工。對(duì)葉輪軸上次要的加工面進(jìn)行處理，修正粗加工環(huán)節(jié)的一些誤差，為精加工創(chuàng)造良好的條件。三是精加工。按照零件設(shè)計(jì)圖紙，在半精加工的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)位置的尺寸、形狀、表面粗糙度等進(jìn)行處理，得到精度符合要求的產(chǎn)品[1]。結(jié)合葉輪軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求確定加工工藝如下：將一塊φ121×54的毛坯材料放到數(shù)控機(jī)床上，使用夾具固定。使用外圓車(chē)刀對(duì)毛坯材料進(jìn)行粗加工，得到符合要求的葉輪軸外輪廓和端面。替換為槽刀，切出一條寬度為(5±0.05)mm的槽，長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)圖紙上保持一致。使用中心鉆在葉輪軸的中心處鉆中心孔，替換為φ20麻花鉆后在指定位置鉆螺紋孔，用精鏜刀加工螺紋孔的孔底。替換成內(nèi)螺紋車(chē)刀，繼續(xù)加工鉆孔螺紋，得到一個(gè)M24×1.5的螺紋孔。使用φ12鋁用銑刀，進(jìn)行葉片和十字葉片圓弧角的粗加工，加工完畢后替換成φ8鋁用銑刀，按照同樣的方法和順序完成精加工。

2.2 建立三維模型

為提高加工精度，利用UGNX10軟件構(gòu)建葉輪軸三維模型。啟動(dòng)軟件后，在菜單欄中選擇“新建”項(xiàng)，選擇“繪制草圖”，按照設(shè)計(jì)圖紙繪制葉輪軸的二維平面圖。使用軟件的拉伸功能，設(shè)定好截面、方向、距離等參數(shù)，將平面圖拉伸成三維模型。通過(guò)疊加繪圖的方式，得到三維等效模型，如圖1所示。

圖1 葉輪軸的三維模型Fig.1 3D model of impeller shaft

2.3 建立坐標(biāo)系

走刀軌跡是決定零件加工精度的重要指標(biāo)，軌跡規(guī)劃是否合理將直接影響加工效率。建立機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，對(duì)合理規(guī)劃走刀軌跡有積極作用，可實(shí)時(shí)掌握刀具在機(jī)床上或工件上的三維坐標(biāo)，便于隨時(shí)調(diào)整刀具位置，提高加工精度。

機(jī)床坐標(biāo)系。在數(shù)控銑床上，將固定的原點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立由X、Y、Z 3個(gè)軸組成的空間機(jī)床坐標(biāo)系。其中，Z軸負(fù)責(zé)裝夾刀具，在數(shù)控銑床主軸的帶動(dòng)下使刀具沿著Z軸產(chǎn)生切削力。確定了Z軸后，再確定X軸，要求X軸與工件裝夾時(shí)和機(jī)床的接觸面保持平行。確定了X軸和Z軸后，即可得到Y(jié)軸的方向[2]。

工件坐標(biāo)系。機(jī)床坐標(biāo)系通常是固定的，而工件坐標(biāo)系則是為更準(zhǔn)確地確定工件位置而設(shè)定的。設(shè)定方法可選用“試切法”或“刀儀對(duì)刀法”。本研究加工的葉輪軸體積較小，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，屬于比較規(guī)則的中心對(duì)稱(chēng)類(lèi)零件，基于效益最大化考慮，選用試切法設(shè)定工件坐標(biāo)系。

2.4 刀具工作參數(shù)的設(shè)定

為了使零件切削面的粗糙度符合加工要求，盡量減少毛刺的出現(xiàn)，需要?jiǎng)蛩偌庸ぁ５趯?shí)際切削時(shí)刀具會(huì)經(jīng)歷從初始速度到目標(biāo)速度的加速過(guò)程，再?gòu)哪繕?biāo)速度到靜止時(shí)的減速過(guò)程。設(shè)定刀具工作參數(shù)后，先讓刀具空轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)定速度后，以當(dāng)前轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量均勻加工零件。零件加工完畢后，要等刀具完全脫離工件后再減速。葉輪軸加工盡量一次性完成，避免刀具出現(xiàn)停頓的情況。以使用鋁用銑刀加工葉片R5圓弧為例，沿著圓弧切線切入，可保證刀具的切入和切出，避免出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)向而發(fā)生停頓，有效預(yù)防零件變形[3]。需合理規(guī)劃走刀路線，減少空走行程，提高加工效率。

2.5 數(shù)控編程

數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)是提前設(shè)定好數(shù)控加工程序，由計(jì)算機(jī)控制機(jī)床自動(dòng)完成加工，效率高，加工精度、零件表面粗糙度等較好。為了發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，需結(jié)合葉輪軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工要求，編寫(xiě)數(shù)控程序?；静襟E如圖2所示。

圖2 數(shù)控編程的基本流程Fig.2 Basic procedure of numerical control programming

應(yīng)提前熟悉零件圖樣，掌握設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)明的尺寸、形狀及其他技術(shù)指標(biāo)等，在此基礎(chǔ)上確定零件加工方案，選擇能夠滿足葉輪軸零件加工要求的機(jī)床、刀具、夾具，確定加工工序。在制圖軟件上繪制二維圖形和三維模型，使用編程軟件計(jì)算走刀路線，選出行程最短、加工效果最好的路線，并在該走刀路線下確定刀位參數(shù)。編寫(xiě)加工程序，選擇手動(dòng)編寫(xiě)或自動(dòng)編寫(xiě)，將編寫(xiě)好的程序進(jìn)行程序檢驗(yàn)。如果在程序試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，或是發(fā)現(xiàn)工件不符合加工要求，及時(shí)修改程序。利用串行接口將計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)好的程序輸入到數(shù)控機(jī)床的單片機(jī)上，運(yùn)行代碼即可進(jìn)行自動(dòng)加工[4-5]。

由于葉輪軸的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且形狀規(guī)則，對(duì)加工程序的要求并不高。因此在編程方式上選擇了手動(dòng)編程(MDI)，流程如圖3所示。

圖3 手工編程框圖Fig.3 Block diagram of manual programming

3 葉輪軸葉片加工誤差分析

3.1 樣本采集

根據(jù)葉輪軸的結(jié)構(gòu)組成，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)葉片部位受力集中。如果葉片加工誤差較大，將會(huì)導(dǎo)致葉輪軸出現(xiàn)異常振動(dòng)。因此，葉片加工誤差的控制十分重要。選擇葉片的R5圓弧作為研究對(duì)象，根據(jù)加工圖紙可知，R5的半徑公差為±0.2 mm。選取原工藝下加工制得的葉輪軸樣品30件，新工藝下加工制得的葉輪軸樣品20件，作為試驗(yàn)樣本。為直觀表明零件的尺寸分布，分別確定尺寸分組數(shù)(k)和組距(h)。兩組樣本的分組數(shù)統(tǒng)一取8，組距的計(jì)算公式為：

式中，xmax和xmin分別表示零件中的最大尺寸和最小尺寸，帶入數(shù)據(jù)后求得h為0.05 mm。以分組數(shù)為8、組距為0.05 mm制作葉片半徑尺寸精度的直方圖。兩種加工工藝下R5圓弧公差分布如圖4所示。

圖4 原工藝(上)和現(xiàn)工藝(下)R5圓弧公差分布圖Fig.4 Distribution diagram of original process (top) and current process (bottom) R5 arc tolerance

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后加工的葉輪軸R5半徑公差可以控制在±0.1 mm之內(nèi)，加工精度得到了提升。

3.2 繪制正態(tài)分布曲線

式中，xi表示工件的尺寸，單位為mm；n表示工件的數(shù)量。兩種加工工藝下R5圓弧的加工誤差對(duì)比如表1。

表1 原工藝與現(xiàn)工藝圓弧加工誤差數(shù)字對(duì)比Tab.1 Numerical comparison of circular machining error between the original process and the current process

由表1可知，兩種加工工藝下的圓弧加工誤差雖然算數(shù)平均值接近，但是標(biāo)準(zhǔn)差的差距明顯。算數(shù)平均值主要與機(jī)床調(diào)整尺寸等常值性系統(tǒng)誤差有關(guān)，而標(biāo)準(zhǔn)差則與刀具磨損等變值性系統(tǒng)誤差有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用改良后的加工工藝，可減小因機(jī)床尺寸調(diào)整等因素導(dǎo)致的加工誤差，加工精度得到了提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力驅(qū)動(dòng)器的大型化、精密化發(fā)展對(duì)葉輪軸的加工精度提出了更高的要求。使用數(shù)控車(chē)床和數(shù)控銑床聯(lián)合加工葉輪軸，能夠明顯提升加工效率和加工精度，提高產(chǎn)品合格率。使用UGNX10軟件制作葉輪軸模型，在仿真環(huán)境下規(guī)劃最佳的走刀路徑，經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化后確定最終的加工程序，再利用該程序控制數(shù)控機(jī)床，完成對(duì)葉輪軸的自動(dòng)加工，可保證產(chǎn)品的誤差控制在允許范圍內(nèi)，提升產(chǎn)品的加工精度。