叶轮是涡轮式发动机、汽车增压器等动力机械的核心部件, 其加工技术一直是研究的焦点。整体叶轮的结构复杂, 规划加工轨迹时约束条件多, 加工时易产生碰撞干涉, 采用传统的铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法等较难保证叶片、流道以及叶片与轮毂倒角处的加工质量[ 1] 。五轴数控加工因具备有效避免干涉、可侧铣直纹面、切削状态良好等优点, 从而成为提高整体叶轮加工效率和质量的首选。
目前, 许多加工整体叶轮的企业多采用一些功能强大、界面良好、适用面广的通用型CAD/ CAM软件, 如U G NX、CAT IA、Pro/ Eng ineer 等。本文基于整体叶轮的几何特征, 利用大型通用CAD/CAM 软件UG NX3. 0 对其进行加工轨迹规划。
1 整体叶轮五轴数控加工工艺分析
根据复杂型面零件的多轴数控加工特点, 整体叶轮的五轴数控加工一般遵循如下的基本技术路线( 如图1 所示) 。
1. 1 叶轮几何模型特征分析
分析整体叶轮的叶片、流道等几何特征, 确定叶片曲面、流道面和清根的特征参数, 判断叶片曲面的类型, 图2 即为叶轮的基本几何特征。整体叶轮的关键体素是叶片, 叶片曲面可以分为直纹曲面和自由曲面( 非直纹曲面) , 其中直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。此外, 为合理选择刀具并规划加工轨迹, 也要确定流道的进水口宽度、出水口宽度等参数值。
1. 2 整体叶轮加工工艺方案
根据叶轮的几何结构特征和使用要求, 确定基本的加工工艺流程为[ 2] : ( 1) 在锻铝材料上车削加工回转体的基本形状; ( 2) 开粗加工流道部分; ( 3)精加工流道部分; ( 4) 叶片精加工; ( 5) 清根。本文主要对流道开粗、精加工和叶片精加工加工轨迹规划进行研究。根据整体叶轮的几何模型特征, 可以基本确定加工所使用机床型号、刀具参数、夹具和装夹方式等。整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件, 建议选择其底面圆心为工件原点, 以此简化工件的找正和后处理的过程。
加工整体叶轮可使用由3 个平动轴和2 个转动轴构成的标准多坐标机床, 例如刀具双摆动、工作台双回转和刀具与工作台分别回转等类型。本文所使用的五轴加工中心VMC - 1100 为工作台双回转结构, 即由3 个平动轴和A, C 2 个转动轴构成,如图3 所示。
为提高加工效率, 在不发生碰撞干涉的同时尽可能选用大直径铣刀, 并优先选择多刃铣刀。在进行流道粗加工时优先选用平底铣刀, 流道、叶片的精加工尽可能选用球头铣刀。对于流道较窄的叶轮, 在加工窄流道处时, 可以适当选择锥度球头铣刀。
2 面向特征规划叶轮加工轨迹
U G NX3. 0 提供了大量多坐标数控加工编程方法, 一般选用Surface Area( 曲面区域) 驱动方式来规划叶轮加工轨迹。Surface Area 提供了大量刀轴控制方式, 其中Relative to Drive( 相对于驱动几何)、I nterpolate( 插补) 和Sw arf ( 直纹面) 等方式比较适合规划整体叶轮的加工轨迹。
整体叶轮的几何形状比较复杂, 流道狭窄、叶片薄且弯曲程度大, 极易发生碰撞干涉, 因此其加工轨迹规划的主要难点体现于流道开粗、精加工和叶片型面加工。此外, 应特别注意在所选定机床的行程内规划加工轨迹, 尽量避免刀轴方向发生突变。
在以往整体叶轮数控加工的许多文献中[ 1, 3] ,规划加工轨迹的过程主要考虑到满足其几何准确性和误差等级等方面, 很少能够考虑到整体叶轮在使用中的受力情况, 即没有充分考虑其在使用中的磨损及失效情况。根据对叶片使用要求的分析, 在规划整体叶轮数控加工轨迹的过程中除了要满足几何准确性和加工误差外, 还要按照叶轮片的受力方向规划加工轨迹, 这样可以增加叶轮片的强度和刚度, 改善使用性能, 如图4 所示。
2. 1 流道特征开粗加工轨迹规划
流道开粗加工过程去除主要加工余量, 直接影响着精加工的效率和质量, 提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布, 切削过程中切削深度不断变化, 刀具受力变化较为剧烈, 大大缩短了刀具寿命, 降低了加工质量, 这需要合理规划加工轨迹。
流道开粗加工通常需分成若干层渐进开粗。根据叶片型面的V 向分割流道区域, 可使粗加工的各层厚度比较均匀, 加工过程稳定。在进水边和出水边之间设定若干辅助面作为驱动面, 选择两侧的叶片为干涉检查面, 如图5 所示。流道开粗加工常用的刀轴控制方式为Interpolate、Relative toDrive 等。
此外, 也可沿叶轮中心线方向和垂直于中心线的方向进行开粗, 可选用的驱动方法为CAVITYMILL( 型腔铣) 等, 图6 即为沿垂直中心线方向开粗。
2. 2 流道特征精加工轨迹规划
整体叶轮的流道部分沿叶片型线由窄变宽, 且最窄处恰好是叶片弯曲程度最大处, 因此此处最容易发生干涉碰撞。Interpolate 刀轴控制方式适用于规划叶片等各叶片间有重叠区域形体的加工轨迹, 因此特别适合规划流道精加工轨迹。此外, 其他常用的还有Relat ive to Drive、Relat ive to Vector等。
为了获得较高的流道精加工质量和效率, 需要合理设置加工参数和进退刀参数, 图7 为使用Interpolate刀轴控制方式、残余高度为0. 015mm 时得到的仿真加工结果。
2. 3 叶片特征精加工轨迹规划
一般说来, 叶轮的叶片曲面扭曲程度较大, 是体现加工复杂性的主要部分。根据整体叶轮型面的曲面形状的不同, 在多轴数控机床上加工整体叶轮主要可采用2 种方法[ 1]: 第一种是点铣法, 即用球头铣刀按叶片的流线方向逐行走刀( 加工一个叶片一般需50~ 200 次走刀) , 逐渐加工出叶片叶型曲面, 此方法主要用于自由曲面。第二种是侧铣法, 即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面, 主要用于可展直纹面和直母线型叶轮的加工上。
规划叶片加工轨迹时一般使用的刀轴控制方式为Relat ive to Drive 和Sw arf 等, 其中Relat ive toDrive 适用于点铣法, Swarf 可有效进行侧铣加工。图8 为选择出水面为驱动面, 使用Sw arf 方式侧铣加工时的仿真结果。
2. 4 干涉检查几何的选择
整体叶轮的几何型面复杂性决定了规划加工轨迹的碰撞干涉检查难度较高, 为避免干涉碰撞和过切, 必须选择足够的干涉检查面。一般有3 种碰撞干涉类型[ 3] : ( 1) 刀具与相邻叶片之间的干涉; ( 2) 刀具与自身叶片之间的干涉; ( 3) 刀具与被加工区域相邻区域之间的干涉。
3 加工实例
本文通过分析整体叶轮的加工工艺, 合理选择刀具, 设置加工参数, 基于特征利用U G NX3. 0 规划了流道粗、精加工轨迹和叶片的侧铣精加工轨迹。为保证加工轨迹的正确性, 使用U G NX3. 0的仿真功能和专业数控加工仿真软件VERICUT对加工轨迹以及生成的NC 代码进行了仿真验证。最后在配有HNC- 22M 世纪星铣削数控系统的国产VMC- 1100 五轴数控加工中心加工了一个8叶片整体叶轮( 如图9 所示) , 尺寸D @ H 为160mm@ 70mm。加工得到的整体叶轮无过切现象, 加工过程平稳、刀具受力较为均匀。其中叶片通过侧铣一次成形, 光洁度较高; 流道残余高度01015mm, 其最狭窄处材料去除良好, 符合工艺要求。
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