楊 飛 張 虎 宋佳娜

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214121)

整體葉輪是增壓裝置的核心部件，在航空、能源、水利水電、石化、汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了滿(mǎn)足整體葉輪的動(dòng)力學(xué)性能，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，并需要較高的形狀精度和較好的表面質(zhì)量，這都給整體葉輪的工藝設(shè)計(jì)和加工提出了較高的要求[1]。

本文以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的某型增壓裝置的整體葉輪為例，應(yīng)用CATIA軟件對(duì)整體葉輪逆向造型設(shè)計(jì)，采用Cimatron軟件編制整體葉輪的NC程序，通過(guò) Vericut軟件進(jìn)行整體葉輪的加工仿真和程序優(yōu)化，最后采用優(yōu)化后的程序在DMU60 monoBLOCK五軸數(shù)控機(jī)床上對(duì)整體葉輪進(jìn)行實(shí)際加工，提高了整體葉輪的加工效率和表面質(zhì)量，縮短了加工周期，降低了生產(chǎn)成本。

1 葉輪的設(shè)計(jì)

逆向技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形與設(shè)計(jì)軟件，對(duì)產(chǎn)品快速反求設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品研制周期，尤其對(duì)沒(méi)有原始幾何信息的零件，逆向技術(shù)往往是完成零件精確幾何造型的有效手段。整體葉輪的逆向設(shè)計(jì)流程如下：數(shù)據(jù)采集(3D掃描)、數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)處理、曲線(xiàn)擬合、曲面擬合、實(shí)體建模，得到整體葉輪三維模型，如圖1所示。

圖1 整體葉輪三維模型

2 整體葉輪的加工特點(diǎn)和加工工藝

2.1 整體葉輪的加工特點(diǎn)

文中的整體葉輪中有5片一級(jí)葉片和5片二級(jí)葉片，葉片直徑為Φ88 mm，葉片厚度為0.90 mm，葉片曲面和流道曲面之間的過(guò)渡圓角為半徑5 mm，相鄰葉片間最小距離為8.10 mm,葉片的最大投影距離為22.67 mm。在加工之前，將整體葉輪劃分為：葉輪葉片曲面、葉輪流道曲面、包覆曲面和過(guò)渡圓角，如圖2所示。

圖2 葉輪加工區(qū)域劃分

整體葉輪加工的難點(diǎn)在于：其葉片較薄，剛性較低，加工過(guò)程中極易發(fā)生變形；葉片曲面為自由曲面，扭曲形成倒扣面，相鄰葉片的間距較小，加工過(guò)程中極易與刀具、刀柄等發(fā)生干涉；葉輪的流道曲面狹窄，在清角加工和精加工時(shí)，刀具的直徑小、剛度低，容易折斷[2]。

2.2 整體葉輪的加工工藝分析

(1) 整體葉輪的加工方案。整體葉輪的加工區(qū)域主要是葉輪的葉片曲面和流道曲面，其加工過(guò)程分為粗加工、半精加工和精加工。

為保證葉輪的強(qiáng)度，選擇鍛鋁材料作為毛坯，初始毛坯選擇為Φ90 mm×200 mm的棒材；為保證葉片曲面的表面質(zhì)量和形狀精度，選用五軸機(jī)床DMU60 monoBLOCK加工整體葉輪[3]。在滿(mǎn)足葉輪使用要求、提高加工效率的準(zhǔn)則下，確定加工方案流程圖，如圖3所示。

圖3 整體葉輪加工方案流程

(2) 切削參數(shù)的確定。切削參數(shù)包括：背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。在實(shí)際的加工中，切削參數(shù)是影響零件表面質(zhì)量和加工效率的重要因素。

背吃刀量一般要根據(jù)工藝系統(tǒng)的剛度確定，如機(jī)床的剛度、刀具和工件的剛性等，工藝系統(tǒng)的剛性越大，背吃刀量越大，反之則背吃刀量越?。贿M(jìn)給量的選取要與零件的表面粗糙度適應(yīng)，并兼顧其精度的要求；在保證刀具的耐用度的情況下，提高零件的表面質(zhì)量和加工效率，確定合適的切削速度。同時(shí)要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、機(jī)床精度、刀具的品質(zhì)、零件的材料以及加工成本等多個(gè)方面，合理調(diào)整切削參數(shù)來(lái)最終確定最優(yōu)的切削參數(shù)[4]。本文結(jié)合機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用情況及參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]，設(shè)定加工工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。

3 整體葉輪的CAM編程

在確定加工工藝后，需編制刀具軌跡，優(yōu)異的刀具軌跡可保證零件有較好的表面質(zhì)量和加工效率[6]。在Cimatron中編制整體葉輪的刀路軌跡。

(1) 粗加工刀路軌跡的編制。粗加工要求去除大量的材料，本次粗加工分為葉輪的整體粗加工和葉片倒扣部分粗加工。采用Cimatron中“體積銑”的“環(huán)繞粗銑”編制整體葉輪粗加工的刀路軌跡，如圖4所示。

表1 整體葉輪的可參考加工參數(shù)

(2) 半精加工刀路軌跡的編制。半精加工是為了進(jìn)一步去除粗加工后留下的余量，余量均勻。在Cimatron中創(chuàng)建五軸“航空銑”刀路軌跡，對(duì)葉片曲面、流道曲面和包覆曲面進(jìn)行半精加工。其中葉片曲面的半精加工刀路軌跡，如圖5所示。

(3) 精加工刀路軌跡的編制。對(duì)葉輪的精加工采取五軸“航空銑”，為葉片曲面、流道曲面和包覆曲面編制精加工刀路軌跡。其中流道曲面和包覆曲面的精加工道路軌跡，如圖6所示。在Cimatron中確保生成的刀具軌跡無(wú)干涉等問(wèn)題后，即可進(jìn)行后置處理生成NC程序。

4 VERICUT加工仿真和程序優(yōu)化

VERICUT是一款先進(jìn)的數(shù)控加工仿真軟件，具有強(qiáng)大的加工仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化及分析功能，能夠正確地反映在真實(shí)加工中刀具、毛坯、夾具及各軸的運(yùn)動(dòng)情況[7]1，可以檢測(cè)加工過(guò)程中可能存在的碰撞、干涉、過(guò)切和欠切等問(wèn)題，同時(shí)還可以對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化，提高加工效率，改善零件的表面質(zhì)量。

五軸加工中心運(yùn)動(dòng)相對(duì)多樣，加工的成本較高，整體葉輪必須采用五軸聯(lián)動(dòng)加工，其刀路軌跡較為復(fù)雜。為進(jìn)一步確保NC程序的安全性，提高加工效率和整體葉輪的表面質(zhì)量，在VERICUT中構(gòu)建了DMU60 monoBLOCK五軸數(shù)控仿真平臺(tái)，對(duì)整體葉輪的NC程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證及優(yōu)化，其操作流程，如圖7所示。

圖7 VERICUT加工仿真和刀具軌跡優(yōu)化的流程

4.1 五軸數(shù)控仿真平臺(tái)的構(gòu)建

DMU60 monoBLOCK的五軸數(shù)控仿真平臺(tái)的構(gòu)建包括四個(gè)步驟[7]82-83。

(1) 建立機(jī)床的幾何模型。通過(guò)實(shí)測(cè)五軸機(jī)床DMU60 monoBLOCK并在UG NX軟件中建模和裝配，得到五軸機(jī)床DMU60 monoBLOCK的三維裝配模型，如圖8所示。

圖8 五軸機(jī)床DMU60 monoBLOCK的三維裝配模型

(2) 建立機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在VERICUT中，構(gòu)建DMU60 monoBLOCK的五軸數(shù)控仿真平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模型要明確各組件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，根據(jù)實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)確定其兩大傳動(dòng)鏈，如圖9所示。

根據(jù)圖9所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系在VERICUT中添加機(jī)床床身、三個(gè)線(xiàn)性軸(X軸、Y軸和Z軸)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(B軸和C軸)、主軸、刀具以及附屬(夾具、工件和毛坯)組件，再添加相應(yīng)的組件模型，DMU60 monoBLOCK運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)建完成后的項(xiàng)目樹(shù)，如圖10所示。

圖9 五軸機(jī)床DMU60 monoBLOCK的運(yùn)動(dòng)學(xué)傳動(dòng)鏈

圖10 建立完成的組件樹(shù)

構(gòu)建完成的DMU60 monoBLOCK機(jī)床的運(yùn)動(dòng)模型，如圖11所示。

(3) 配置機(jī)床的控制系統(tǒng)文件。選用Heidenhain iTNC530數(shù)控系統(tǒng)，在“配置-文字格式”中根據(jù)機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)設(shè)置關(guān)鍵字的格式，在“配置-文字/地址”中，對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行函數(shù)和宏的匹配。

(4) 設(shè)置機(jī)床的基礎(chǔ)參數(shù)。包括機(jī)床的初始位置、換刀點(diǎn)、行程極限以及碰撞檢測(cè)等。

至此，完成DMU60 monoBLOCK五軸數(shù)控仿真平臺(tái)的構(gòu)建。

4.2 進(jìn)行加工仿真

DMU60 monoBLOCK五軸數(shù)控仿真平臺(tái)建完后，在實(shí)際加工零件驗(yàn)證時(shí)，需做以下工作：

(1) 建立加工整體葉輪的刀具庫(kù)，設(shè)置加工坐標(biāo)系；

(2) 添加Cimatron后置處理的NC程序，并添加毛坯和整體葉輪模型;

(3) 進(jìn)行整體葉輪的加工仿真，仿真結(jié)束后，未觀(guān)察到碰撞和干涉，工件也未出現(xiàn)過(guò)切和欠切，如圖12所示。

4.3 NC程序優(yōu)化

本文采用VERICUT的OptiPath功能對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的本質(zhì)是主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的重新計(jì)算[8]。優(yōu)化的基本原理是根據(jù)當(dāng)前所使用刀具及其刀路軌跡，計(jì)算每步程序的切削量，進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)材料去除量較大時(shí)，VERICUT就降低切削速度；當(dāng)材料去除量較小時(shí)，就提高切削速度，從而調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速，插入新的進(jìn)給速度，進(jìn)而對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的NC程序并不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的刀路軌跡。

NC程序的優(yōu)化過(guò)程如下：

(1) 在刀具庫(kù)中為所有的刀具建立優(yōu)化庫(kù)。選擇優(yōu)化方法，設(shè)置“主軸轉(zhuǎn)速”等參數(shù)；在“設(shè)定”選項(xiàng)卡中設(shè)置“解析度距離”“最小進(jìn)給率的改變”“整理進(jìn)給率”等相關(guān)參數(shù)；最后設(shè)置“極限”選項(xiàng)卡中的參數(shù)[7]185-186，如圖13所示。

(2) 調(diào)用刀具優(yōu)化庫(kù)，再次進(jìn)行加工仿真，對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)加工仿真結(jié)束時(shí)，刀路軌跡的優(yōu)化完成，優(yōu)化后的程序被寫(xiě)入指定的Optimized Toolpath文件里。

圖13 優(yōu)化庫(kù)參數(shù)設(shè)置

4.4 優(yōu)化結(jié)果分析

對(duì)比優(yōu)化前后的NC程序，可以看到在原來(lái)的NC程序的進(jìn)給速度是恒定的，優(yōu)化后的NC程序被分為很多子步，VERICUT根據(jù)切削情況為每一段子步中插入了新的進(jìn)給速度，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化前后加工程序?qū)Ρ?/p>

表2是優(yōu)化前后時(shí)間對(duì)比表，從表2中可以看到優(yōu)化后的加工時(shí)間比優(yōu)化前節(jié)省了34.89%，從而大大節(jié)省了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

表2 優(yōu)化前后時(shí)間對(duì)比

采用優(yōu)化后的NC程序，在DMU60 monoB-LOCK五軸數(shù)控加工中心上加工整體葉輪，加工完成的葉輪，經(jīng)檢測(cè)加工尺寸精度和表面粗度均符合要求，如圖15所示。

圖15 加工完成的葉輪

5 總結(jié)

本文以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)某葉輪為例，對(duì)整體葉輪五軸數(shù)控加工與仿真優(yōu)化作了如下工作：

(1) 分析了葉輪加工的難點(diǎn)，制定了合理的加工工藝，對(duì)程序編制中的刀路進(jìn)行了詳細(xì)解析。

(2) 通過(guò)對(duì)DMU60monoblock實(shí)際機(jī)床建模，應(yīng)用VERICUT 軟件，對(duì)構(gòu)建五軸虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行了整體葉輪的加工仿真，確保了實(shí)際加工的安全性和穩(wěn)定性。

(3) 最后，應(yīng)用優(yōu)化模塊對(duì)加工程序進(jìn)行了優(yōu)化，提高了加工效率。

本文通過(guò)對(duì)整體葉輪的加工分析與優(yōu)化，為復(fù)雜零部件加工的五軸加工過(guò)程提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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