整体叶轮五轴数控铣削技术研究
整体叶轮五轴数控铣削技术研究
广州市公用事业高级技工学校 王裕栋
摘要：整体叶轮是航天使用的复杂部件，广泛应用与坦克、导弹、化工等领域，由于其加工和技术操作较复杂，所以必须相关技术进行分析。本次研究主要从整体叶轮五轴造型、加工路径规划、后置处理等方面对此种技术进行了研究，希望可以给相关研究人员提供参考。
关键词：整体叶轮；五轴数控；技术分析
整体叶轮是燃气发动机中的主要零件，可以在外界机械作用下，实现气体压缩并将其输送出去。对叶轮的主要求是减少气体流经叶轮的损失，保证曲线稳定区具有稳定的范围，同时对叶片数量和发动机性能进行优化。本次使用Pro/Engineer/CAD实现参数建模，对叶轮多轴数控工艺和路径进行确定，然后进行了后置算法机损，最后实现了整体叶轮加工，并验证了方案实施的有效性。
一、叶轮参数建模
本次建模以铝合金叶片半开式整体叶轮进行研究，结合加工技术和参数对五轴数控铣削技术进行研究。借助Pro/Engineer/CAD软件利用样条曲线、曲面混合、曲面缝合、延伸和修建等完成了整体叶轮实体造型，同时对曲面曲率进行了调整分析。在曲面参数建模技术等的研究下，完成了整体叶轮三维实体造型，获得了精确的整体叶轮曲面数据，给刀具路径规划提供了参考。整体叶轮三维实体模型如下图1所示。
图1整体叶轮实体结构模型
二、整体叶轮多轴加工轨迹控制
刀具轨迹可以利用CAM通过对算法的详细计算获得，通常可以根据实际状况针对性选择刀具轨迹。
刀具轨迹算法
曲面-切触点轨迹-刀具轨迹
由于整体叶轮造型较复杂，容易受到各种刀具的一个像。所以进行数控加工时，必须保证刀轴方向操作灵活变动。首先，生成曲面没有影响的接触点轨迹，然后对检查方法进行调整，最后将接触点轨迹路线转化为刀具轨迹生成估计算法。
曲面-偏置曲面-刀具轨迹
根据加工曲面选择形态偏置曲面，然后对偏置曲面点进行调整，生成道路曲线。此种方式常用于球刀，对于鼓型刀和多轴加工刀轴的方向难以确定。
走刀行距和走刀步长的计算
走刀行距
首先，浅平面加工刀距计算。将球刀加工看作浅平面，刀具半径R，残留高度h，刀具。其次凸曲面加工刀具计算。凸曲面曲率半径是Rb，刀具半径R，刀间距L，经过对计算公式简化得到。最后曲面加工刀间距计算
走刀步长
刀轴矢量控制
控制刀轴矢量时，可以利用“相对倾斜方向”控制叶轮叶片加工过程中的刀轴暴动；利用“曲线倾斜”控制叶轮流道加工刀轴摆动；使用刀轴前倾角和侧倾角对叶轮加工中无干涉刀轴矢量进行控制。
整体叶轮刀具轨迹规划方法
现阶段曲面加工刀具检测方法已经趋于成熟，主要是直接距离计算和多面体方法。使用CAM对刀具干涉处理时，通常使用停止计算、轴向移动、轴向摆动和轴线平移等方式进行处理。经过长期探讨发现，争议叶轮刀具轨迹经常利用避让几何、进退刀方式、移刀和刀具组刀等方式进行，同时还要经常残料清角处理。
三、五轴数控加工后置处理
在机械工业的不断发展下，机械零件复杂程度越来越高，如果依然使用传统的三轴机床操作，球刀刀具加工速度非常低，影响了平坦面的加工质量，可以借助五轴数控加工技术克服以上问题。目前使用的五轴叶轮数控机床主要有双转台、双摆头和单转单摆动结构。
进行五轴机床数控加工处理时，可以在后置处理算法数学基础上，分析进行AC转角计算、XYZ坐标转变和增给值F计算。完成以上计算后，利用UG/Post Builder建立华中CHK176五轴加工专用后置器，使用CAM形成刀位文件，对数控机床的多轴数控加工代码进行控制。
四、整体叶轮加工过程
加工前准备及实施
施工前准备好机床、刀具、工装、测量设备和加工数据。完成器材准备后，可进行毛坯准备。通常使用的金属毛坯材料主要有型材、铸造毛坯和焊接毛坯集中。本次研究使用硬铝合金Φ160的棒料。首先进行粗加工，粗加工主要对毛坯中的余料进行去除，对机床加工刚性具有耐很大使用，进行操作时，可以按照工件定位、设置加工范围、加工参数设定等进行操作。刀具选择Φ10HSS的平底刀，主轴转速控制在2000r/s，刀间距是4毫米。然后进行半精细加工。半精细加工的主要目的是保证精细加工量均匀。最后进行精加工。叶轮精加工可以划分为叶片曲面、圆角曲面、包覆曲面加工等。进行精细加工选用R3球刀，所以应该对叶片曲面的过渡曲面直径控制在3毫米，由于流道曲面加工主要根据形状产生，因此可以进行加工。整体叶轮完成效果如下图所示。
图2整体叶轮完成效果
加工结果分析
第一，进行叶轮形状精度检测。使用三坐标检测机对整体叶轮精度进行检测，经过检测现实，精度是0.002毫米，能够满足整体叶轮误差在0.03毫米要求也。进行检测时，首先徐州呢叶片关键点，然后利用叶轮数字模型导入到测量软件中，同时将文件格式保存为*.sat。然后启动三坐标机进行检测，检测数据经过AC-DMIS展现出来。第二，叶轮表面质量。经过对整体叶轮表面粗糙度和叶轮表面粗糙度要求比较发现，整体叶轮表面粗糙完全符合工程预期效果，控制在Ra1.36左右。经过上述加工发现，加工时间可以控制在工作班内，整个加工过程非常安全，未发生任何磕碰事件，零部件符合设计按要求，由此说明，整体叶轮模型选定、工艺规划和刀具路径及参数选择非常正确，满足了五轴叶轮建立需求。
五、研究成果分析
第一，借助Pro/Engineer软件对整体叶轮三维实体造型进行构建，得到恶劣整体叶轮叶片和曲面等数据；第二，通过对叶轮结构特点和相关工艺的研究，制定了叶轮加工方案，根据实际操作需求，选定了叶轮操作刀具，并对叶轮操作区域进行划分，提高了曲面加工质量。第三，根据叶轮整体特点，选择了矢量控制方法（倾斜加工表面）；第四，根据五轴数控机床类型，对后置方法进行了研究；第五，对五轴数控加工中的速度给定进行了研究，在UG、Post Builder基础上建立了XHK176五轴加工专用后置处理器。第六五，借助XHK176完成整体叶轮加工，验证了研究的可行性。
结束语
由于整体叶轮结构非常复杂，可以根据接触三坐标进行局部曲面测量。但是此种操作方法会存在很多干涉问题，导致接触头接近方式较困难。之后的研究可以从激光测量头安置等方面进行研究，对侧向范围和测量速度提升具有很大意义。经过对国外相关资料的查找和分析发现，国外已经研究了很多复杂曲面加工用具，提升了整体叶轮加工效率，为了缩小国内外差距，必须加强整体叶轮多轴加工研究，促进整体叶轮数控技术的发展。
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