呂償 曹玉華 李林 黃毅 陳永濤

摘 要：為提高葉輪整體加工精度，本文引入在機(jī)測(cè)量技術(shù)，以SurfMill為編程軟件編制了在機(jī)測(cè)量機(jī)床找正及工件擺正、檢測(cè)程序。將葉輪加工分解為流道開(kāi)粗、流道精加工、葉片半精加工及精加工四個(gè)工序并編制了相應(yīng)的刀具路徑。DT編程模擬加工檢驗(yàn)結(jié)果表明，刀具路徑合理，無(wú)過(guò)切或碰撞現(xiàn)象產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，以側(cè)銑模式對(duì)葉輪流道進(jìn)行開(kāi)粗相較于傳統(tǒng)的五軸曲線加工效率提高至50%，對(duì)流道與葉輪連接處單獨(dú)以五軸葉輪加工的模式進(jìn)行清根效果較好，以側(cè)銑模式對(duì)葉輪葉片進(jìn)行半精加工及精加工，葉型誤差為0.036 0mm，達(dá)到葉輪葉片的加工技術(shù)要求，為五軸葉輪加工工藝方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：葉輪;五軸加工;在機(jī)測(cè)量;SurfMill編程

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16;TH313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0038-04

Abstract： In order to improve the whole machining precision of impeller， this paper introduced the on-site measurement technology， and used SurfMill as the programming software to program the on-site measurement machine tool alignment， workpiece alignment and detection program. The impeller machining was divided into four processes： channel roughening， channel finishing， blade semi finishing and finishing， and the corresponding tool path is worked out. The test results of DT programming simulation machining showed that the tool path was reasonable and there was no over cutting or collision. After practical test， the efficiency of the side milling mode is improved to 50% compared with the traditional five axis curve machining， and the effect of root cleaning is better when the connection between the runner and the impeller is processed separately by the five axis impeller machining mode. The side milling mode is used to semi finish machining and finish machining of the impeller blade， and the error of the blade shape is 0.036 0mm， which meets the technical requirements of the impeller blade， which is five the processing method of shaft impeller provides a reference.

Keywords： impeller;five-axis machining;on-machine measurement;SurfMill programming

葉輪產(chǎn)品作為現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力裝置的核心部件，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等大型機(jī)械裝置。在工作過(guò)程中，葉輪會(huì)承受來(lái)自離心力、振動(dòng)、溫差等環(huán)境因素的影響，因此，故障率較高。而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵因素之一是提高葉輪的加工精度。就整體半開(kāi)式葉輪而言，其葉片為非可展直紋曲面，以葉輪回轉(zhuǎn)軸方向觀測(cè)葉輪的葉片發(fā)現(xiàn)其存在疊加區(qū)域，編制工序卡過(guò)程中涉及的刀具路徑約束條件較多，刀具路徑規(guī)劃相對(duì)復(fù)雜，加工過(guò)程中極易出現(xiàn)撞刀、刀具崩刃、局部加工缺陷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響葉輪的加工精度。為了探索高精度、高效率的葉輪加工方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，大多數(shù)研究的核心為處理刀具與葉輪曲面之間的干涉、修正[1-5]。翁劍成等學(xué)者[6]采用Master Cam X9軟件完成復(fù)雜葉輪的數(shù)控編程，采用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削中心完成工件的數(shù)控加工;接著采用高精度REVscan雙目三維激光掃描儀對(duì)加工后的整體葉輪進(jìn)行掃描，獲得整體葉輪工件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助Geomagic Studio逆向建模軟件對(duì)多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多視拼合，形成工件完整的點(diǎn)云測(cè)試模型。趙世田等學(xué)者[7]在UG中進(jìn)行整體葉輪實(shí)體建模，設(shè)計(jì)了數(shù)控加工工藝及專(zhuān)用夾具，后置處理輸出數(shù)控加工程序，并在VERICUT中開(kāi)發(fā)DMU70e V仿真機(jī)床加工環(huán)境，仿真整體葉輪數(shù)控加工程序，驗(yàn)證了數(shù)控加工程序的正確性。侯培紅等學(xué)者[8]研究了立式混流泵的葉輪加工工藝及裝夾方法，設(shè)計(jì)了一種壓板式裝夾方案，不僅達(dá)到了圖紙的零件加工精度和形位公差要求，而且葉輪的加工效率也得到很大的提高。于洋等學(xué)者[9]針對(duì)復(fù)雜多曲面葉輪的五軸粗加工刀軌自動(dòng)生成問(wèn)題，提出一種基于使用平頭立銑刀的無(wú)過(guò)切、干涉的刀具軌跡生成算法。通過(guò)對(duì)整體葉輪五軸加工中可能出現(xiàn)刀具與葉片干涉的問(wèn)題，提出了一種干涉檢測(cè)方法。梁全[10]針對(duì)現(xiàn)有商用CAD/CAM軟件在刀具軌跡規(guī)劃方面能力的不足，研究了專(zhuān)門(mén)針對(duì)葉輪類(lèi)零件的刀具軌跡規(guī)劃策略和加工工藝方法，以期提升葉輪的加工制造效率和表面光潔度。蘇云玲[11]以三元整體葉輪五軸數(shù)控加工的刀位規(guī)劃、刀位計(jì)算方法等為核心內(nèi)容，結(jié)合數(shù)控加工過(guò)程中的外延內(nèi)容如幾何建模等技術(shù)，對(duì)整體葉輪的五軸數(shù)控加工進(jìn)行了較為全面的研究。筆者通過(guò)查閱諸多文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在葉輪編程與加工研究上，多集中在采用不同的編程軟件探討刀具與工件之間因編程程序不當(dāng)引起的干涉，或是設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具提高加工效率，而鮮少研究采用在線測(cè)量技術(shù)結(jié)合編程軟件的仿真加工來(lái)避免刀具與工件之間的干涉?；诖?，本文旨在探索運(yùn)用在線測(cè)量技術(shù)，并結(jié)合軟件編程仿真加工來(lái)提高小尺寸精密葉輪的加工精度。

1 葉輪模型及加工工藝性分析

1.1 模型分析

由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度系數(shù)較高，因此，在編程與加工前，必須對(duì)葉輪模型進(jìn)行曲線及曲面的光順性檢查，分析其曲線、曲面的擬合質(zhì)量，特別是曲面轉(zhuǎn)角處在加工時(shí)易發(fā)生干涉。葉輪視圖及整體效果圖如圖1所示。

1.2 加工工藝性分析

1.2.1 機(jī)床及編程軟件。由于葉輪的外形復(fù)雜，一般不宜采取鑄造毛坯，而是采用棒料加工，葉輪加工擬采用GR400五軸數(shù)控機(jī)床，編程采用SurfMill軟件。

1.2.2 在機(jī)測(cè)量輔助。葉輪的加工方法紛繁多樣。在編程合理的前提下，影響葉輪加工精度的主要因素如下：首先，加工過(guò)程中由于徑向切削力作用易使原本找正的基準(zhǔn)面出現(xiàn)偏差，一旦出現(xiàn)偏差，將嚴(yán)重影響其加工精度;其次，人為誤差，即在加工過(guò)程中過(guò)多的人為判斷因素?；诖?，本文采用一種在機(jī)測(cè)量技術(shù)來(lái)提高葉輪加工精度，在機(jī)測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵在于加工前對(duì)機(jī)床A/C軸自動(dòng)找正，自動(dòng)找正過(guò)程中，C軸布置了8個(gè)探測(cè)點(diǎn)，A軸布置了7個(gè)探測(cè)點(diǎn)。探測(cè)結(jié)果顯示，偏差C軸X=0.004 9 mm，偏差C軸Y=-0.008 7 mm;偏差A(yù)軸Y=-0.000 7 mm，偏差A(yù)軸Z=-0.001 8 mm。與傳統(tǒng)的人為對(duì)刀找正相比，在機(jī)測(cè)量技術(shù)的精度明顯提高。

1.2.3 夾具設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一套專(zhuān)用夾具，采取一次裝夾提高加工精度及效率。在工藝規(guī)劃中，先加工葉輪底座，銑出半徑R為6.3 mm、深度為9.5 mm的圓孔，采用螺紋刀以反向螺旋由孔的底部向上銑出螺紋，將銑出的螺紋孔與裝夾塊上的螺栓配合鎖緊，完成葉輪的一次性裝夾。

1.2.4 加工工藝規(guī)劃。根據(jù)葉輪外形特征制定了加工工藝路線，首先對(duì)棒料進(jìn)行粗去料加工，形成葉輪的棒料毛坯，如圖2所示，材質(zhì)為6061鋁合金，尺寸為Φ64 mm×64.5 mm。然后，用在機(jī)測(cè)量模塊擺正工件，通過(guò)在機(jī)測(cè)量模塊找準(zhǔn)工件基準(zhǔn)面后即可對(duì)葉輪部分進(jìn)行加工。葉輪加工分為葉輪流道粗加工、流道精加工、葉片半精加工、葉片精加工四道主要工序。編制的工序卡如表1所示。

1.2.5 刀具規(guī)劃。于本文所研究的葉輪為小型精密零部件，在刀具選擇上采取小刀具加工，全部是硬質(zhì)鎢鈷合金刀具，具體刀具如表2所示。

2 SurfMill編程

2.1 在機(jī)測(cè)量擺正

在SurfMill軟件的在機(jī)測(cè)量模塊中，以平面檢測(cè)、圓柱元素檢測(cè)探測(cè)工件x、z、y坐標(biāo)，在SurfMill中已建立好的毛坯模型頂部平面均勻布置探測(cè)點(diǎn)，由圓柱坯料幾何中心以三角形的形式等距向邊緣分布7個(gè)探測(cè)點(diǎn)，利用檢測(cè)坐標(biāo)系，對(duì)工件位置偏移進(jìn)行補(bǔ)償。檢測(cè)其圓柱面時(shí)，在其圓柱面上均勻分布12個(gè)探測(cè)點(diǎn)，分上下兩層，每層6個(gè)探測(cè)點(diǎn)，兩層探測(cè)點(diǎn)之間的距離應(yīng)小于探針的長(zhǎng)度，以免在探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)碰撞。探測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。

2.2 SurfMill數(shù)控編程

2.2.1 葉輪流道粗加工。在SurfMill編程中采用多軸側(cè)銑模塊對(duì)葉輪流道進(jìn)行開(kāi)粗，以葉片的外表面作為加工面，以輪轂面和包覆面作為約束條件，葉片個(gè)數(shù)為8個(gè)，標(biāo)記葉片個(gè)數(shù)編程模塊自動(dòng)完成刀具路徑的旋轉(zhuǎn)。本次開(kāi)粗葉輪的輪轂面加工余量為0.35 mm，葉輪葉片余量為0.25 mm。其刀具路徑如圖4所示。

2.2.2 葉輪流道精加工。在SurfMill軟件中采用五軸葉輪加工模塊對(duì)葉輪流道進(jìn)行精加工，加工的關(guān)鍵在于設(shè)置刀軸方向偏轉(zhuǎn)，以防刀具路徑出現(xiàn)干涉。經(jīng)驗(yàn)證，頂部仰角增量為20°，底部仰角增量為20°，頂部方位角增量為-10°，底部方位角增量為0°時(shí)，產(chǎn)生的刀具路徑能較好地對(duì)葉輪進(jìn)行流道精加工且不產(chǎn)生過(guò)切、碰撞。葉輪流道精加工刀具路徑如圖5所示。

2.2.3 葉輪葉片半精加工及精加工。在SurfMill軟件中采用側(cè)銑模塊對(duì)葉輪葉片進(jìn)行半精加工。為避免加工面端部出現(xiàn)毛刺，需要添加延伸加工面。葉輪葉片半精加工時(shí)采用8°圓角1.5 mm錐度球頭刀，加工余量為0.05 mm。葉輪葉片精加工時(shí)采用8°圓角1.6 mm錐度球頭刀，加工余量清零。半精加工和精加工的刀具路徑如圖6所示。

3 DT編程

DT編程技術(shù)是依據(jù)已編制的刀具路徑在機(jī)床上進(jìn)行模擬仿真，其目的是檢查已編制的刀具路徑在真實(shí)加工過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)碰撞或過(guò)切。該技術(shù)有效保障了機(jī)床在加工過(guò)程中的安全性。零點(diǎn)快換及夾具的數(shù)值模型導(dǎo)入SurFmill中，如圖7所示，將所有刀具路徑進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。仿真過(guò)程中未出現(xiàn)報(bào)警提示，故所編制的程序合理，未出現(xiàn)碰撞或過(guò)切現(xiàn)象。

4 加工精度檢測(cè)

根據(jù)在機(jī)測(cè)量技術(shù)，重新對(duì)已加工完成的零件在未拆裝的情況下進(jìn)行二次檢測(cè)，使側(cè)頭對(duì)已完成的葉輪進(jìn)行布點(diǎn)探測(cè)，對(duì)主要加工對(duì)象葉片進(jìn)行曲面探測(cè)，測(cè)得其葉型偏差為0.036 0 mm，小于技術(shù)要求的0.1 mm，加工精度滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)論

將在機(jī)測(cè)量技術(shù)引入葉輪的編程與加工中，使加工過(guò)程中減少人為判斷因素。合理布置在機(jī)測(cè)量探測(cè)點(diǎn)，有利于加工工件的找正，從而有效提高葉輪的加工精度。在工藝規(guī)劃上，以側(cè)銑模式對(duì)葉輪流道進(jìn)行開(kāi)粗相較于傳統(tǒng)的五軸曲線加工效率提高至50%，流道開(kāi)粗已去除大部分坯料，此時(shí)采用五軸葉輪加工模塊可以快速地對(duì)流道清根處理，將輪轂面和葉片連接處的殘料清除。在葉片半精加工及精加工過(guò)程中，本文采用錐度球頭刀以側(cè)銑方式提高加工效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]H.-T. Young，L.-C. Chuang，K. Gerschwiler，et al. A five-axis rough machining approach for a centrifugal impeller[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004（3-4）：233-239.

[2]高秀蘭，郭旭霞，魯開(kāi)講.組合曲面的五坐標(biāo)數(shù)控加工刀位干涉檢查[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（2）：102-103.

[3]Li H ， Feng H. Efficient five-axis machining of free-form surfaces with constant scallop height tool paths[J]. International Journal of Production Research， 2004（12）：2403-2417.

[4]張和明，張玉云，熊光楞.復(fù)雜曲面五坐標(biāo)數(shù)控加工干涉檢查及刀位修正[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998（2）：65-68.

[5]黃澤華.整體葉輪銑削加工彈性變形預(yù)測(cè)及誤差補(bǔ)償研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[6]翁劍成，劉坤鴻，傅永建，等.葉輪的數(shù)控加工及尺寸精度的檢測(cè)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（8）：125-129.

[7]趙世田，付瑩瑩，曾勇，等.基于VERICUT的整體葉輪仿真機(jī)床實(shí)際加工方法研究[J].煤礦機(jī)械，2016（8）：172-174.

[8]侯培紅，洪張，趙桐和.葉輪加工工藝與裝夾方案[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（5）：256-258.

[9]于洋，鄧勇生，張軍鋒，等.5軸葉輪粗加工過(guò)切與碰撞綜合檢測(cè)修正研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（3）：223-226，23.

[10]梁全.葉輪五坐標(biāo)數(shù)控銑削CAM和CNC關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[11]蘇云玲.三元整體葉輪的幾何造型與五坐標(biāo)數(shù)控加工[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.