楊彪，張利杰，武利兵

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 047500

1 序言

整體式葉輪在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且加工困難，屬于較為高端的零件。同時(shí)對(duì)整體葉輪的加工質(zhì)量和精度要求較高[1]，通常采用CAM軟件中的葉輪模塊編程，該模塊處理的軌跡為五軸軌跡，生成G代碼后需在五軸加工中心上完成加工，五軸加工中心的成本高，且加工過(guò)程中聯(lián)動(dòng)軸較多，容易影響加工效率，因此，本文主要討論通過(guò)CAXA制造工程師2022軟件中非葉輪模塊加工策略的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)四軸加工中心加工葉輪。

整體葉輪作為特殊的零件，針對(duì)不同的材料其加工方法也是不同的，本例中葉輪材料為鋁合金[2]，數(shù)控機(jī)床采用VMC1160型四軸加工中心，定位精度及重復(fù)定位精度在0.01mm以內(nèi)，系統(tǒng)為FANUC 0iMD。整體葉輪的零件加工編程較為復(fù)雜，所以在軟件中要搭建輔助線及輔助面來(lái)優(yōu)化加工軌跡。編程軟件采用我國(guó)自主研發(fā)的CAXA制造工程師2022，利用四軸加工中心代替五軸加工中心完成加工，本文主要探討葉輪在四軸加工中心上的銑削加工。

2 整體葉輪的零件分析

將需要加工的葉輪模型導(dǎo)入C A X A軟件并分析尺寸，該葉輪結(jié)構(gòu)為單流道8個(gè)葉片均布，葉片曲率不大，整體葉輪形狀較為復(fù)雜，葉輪總高度為52.185m m，輪轂面上端及下端直徑分別為33.781mm、130mm，單個(gè)葉片厚度為1.319mm，根部圓角為3mm。技術(shù)要求該葉輪的葉片厚度誤差不得大于0.03mm，加工精度要求較高。葉片屬于薄片零件[1]，且最大包覆面為回轉(zhuǎn)體[2]，可用數(shù)控車床加工至圖1狀態(tài)，之后在VMC1160型四軸加工中心上采用一夾一頂?shù)难b夾方式完成加工，該裝夾方案可以增加零件的裝夾剛性。整體開(kāi)粗完成之后，零件應(yīng)力得到了釋放，此時(shí)輪轂及葉片的余量并不均勻，直接精加工無(wú)法保證尺寸的穩(wěn)定，所以要增加半精加工來(lái)使余量均勻，這樣在后續(xù)加工中不會(huì)出現(xiàn)因余量問(wèn)題而導(dǎo)致的讓刀現(xiàn)象。工藝流程設(shè)計(jì)為：車削加工包覆面及外圓→葉片及流道定向粗加工→葉片及流道半精加工→葉片及流道精加工→根部圓角精加工。葉輪模型及尺寸標(biāo)注如圖2所示。

圖1 葉輪包覆面

圖2 葉輪模型及尺寸標(biāo)注

3 整體葉輪的數(shù)控編程

3.1 葉輪加工刀具的選用

通過(guò)尺寸分析得到葉片根部的圓角為3m m，由此得出結(jié)論：粗加工使用的立銑刀應(yīng)≤6mm。但6mm立銑刀剛性較差，且切削效率低，為了提高葉輪的加工效率，使用直徑為8mm的整體硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行葉輪的定向開(kāi)粗[3]?？紤]到葉輪根部圓角為3mm，還需要對(duì)其清根，為了提高刀具的剛性與加工效率，使用兩把直徑為6mm的球頭銑刀來(lái)做半精加工及精加工。

3.2 四軸定向加工坐標(biāo)系的建立

首先點(diǎn)擊坐標(biāo)系功能，通過(guò)拾取原點(diǎn)位置的方式建立一個(gè)新的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系處于葉輪的中心位置。接著通過(guò)CAXA軟件的“三維球”功能調(diào)整坐標(biāo)系的位置和坐標(biāo)軸的方向，使其坐標(biāo)軸的Z方向大致和兩葉片的中軸線相平行，X軸方向與四軸加工中心的X軸方向一致，我們將該坐標(biāo)系命名為“4A”。接著使用同樣的方法建立一個(gè)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系要在“4A”的基礎(chǔ)上繞著X軸旋轉(zhuǎn)15°，將其命名為“4B”，該坐標(biāo)系建立的意義是：葉片有倒扣部分，需要兩次定向加工才可以加工完成，這樣在葉輪粗加工完成之后，葉輪的局部余量不會(huì)太大，避免半精加工的刀具損壞，精加工的時(shí)候不會(huì)因局部余量不均勻而造成表面質(zhì)量不佳[4]。建立好的坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 葉輪加工坐標(biāo)系

3.3 四軸定向粗加工

將車床車好的包覆面模型保存為STL格式，在軟件中點(diǎn)擊毛坯，使用打開(kāi)文件的方式讀取該模型，將該模型設(shè)置為葉輪的毛坯。打開(kāi)三軸功能中的等高線粗加工策略，坐標(biāo)系啟用“4A”，毛坯選取剛剛設(shè)置好的模型。加工幾何選取整個(gè)葉輪，加工方式使用往復(fù)，加工方向使用順銑，使用區(qū)域優(yōu)先，切削方式使用環(huán)切進(jìn)行加工。

根據(jù)刀具分析，加工刀具選擇8m m的硬質(zhì)合金立銑刀，整體余量留0.5mm，每層切削1.5mm。這里余量設(shè)置為0.5m m是為了防止葉輪開(kāi)粗完成之后，葉輪變形導(dǎo)致過(guò)切的現(xiàn)象。每層深度設(shè)置1.5m m的依據(jù)是后續(xù)有半精加工可以保證余量均勻，粗加工增加背吃刀量可以提高效率。區(qū)域參數(shù)中開(kāi)啟加工邊界，在草圖中通過(guò)投影的方式，大致描繪出流道的區(qū)域，這樣在生成刀路的時(shí)候不會(huì)有多余的刀路。連接方式中，層間連接使用抬刀到安全距離，并且開(kāi)啟進(jìn)給；組連接和區(qū)域連接都使用光滑連接，保證刀路在連接時(shí)光順。

接著進(jìn)入實(shí)體仿真模塊，點(diǎn)擊開(kāi)始仿真，仿真結(jié)束后將其保存為STL格式的文件備用，再打開(kāi)毛坯設(shè)置，用打開(kāi)文件的方式讀取剛剛保存的STL模型，接著將該刀路復(fù)制一份，將坐標(biāo)系替換為“4B”，毛坯選擇仿真結(jié)束的STL模型，重新運(yùn)算生成補(bǔ)加工刀路，使用毛坯模型的方式補(bǔ)加工可以更高效、更安全。其他流道的刀路只需用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份即可。等高粗加工參數(shù)設(shè)置如圖4所示，葉輪定向加工刀路如圖5所示。

圖4 等高線粗加工參數(shù)設(shè)置

圖5 葉輪定向加工刀路

3.4 四軸聯(lián)動(dòng)半精加工

（1）四軸聯(lián)動(dòng)半精加工葉片 葉輪模塊粗加工后的葉輪表面余量比較均勻，后續(xù)精加工不容易發(fā)生讓刀現(xiàn)象，但限制條件是必須使用五軸加工中心進(jìn)行加工，對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格。使用四軸加工中心通過(guò)定向的方式粗加工葉輪，雖然不受設(shè)備的限制，但是表面的余量不均勻，所以加入半精加工是為了控制葉輪關(guān)鍵尺寸，優(yōu)先將葉輪的葉片加工到位，這樣在加工流道時(shí)刀具剛性更佳[5]。

打開(kāi)“五軸限制線”加工策略，通過(guò)前面的刀具分析選用6mm的球頭銑刀，加工曲面選擇單個(gè)葉片的側(cè)壁及根部圓角，第一限制線和第二限制線分別選擇葉片的頂部和底部的輪廓線。加工方式使用單向順銑的方式，行距設(shè)置為0.8mm，余量設(shè)置為0.05mm。在聯(lián)動(dòng)加工葉片的過(guò)程中，連接參數(shù)中將間隙連接和行間連接的方式都設(shè)置為光滑連接，空切區(qū)域使用軸線平行于X軸的圓柱面，所有的空走刀全部開(kāi)啟圓弧光滑，并且設(shè)置為5mm，以保證刀路順暢，機(jī)床在運(yùn)行的時(shí)候不會(huì)卡頓。慢速進(jìn)給距離及慢速抬刀距離設(shè)置為1mm，避免因抬刀較高而影響加工效率。刀軸控制使用四軸模式，方式設(shè)置為刀軸背離點(diǎn)，并且傾斜于X軸方向。干涉檢查中干涉曲面選擇要加工的葉片及整個(gè)流道面，刀具檢查部位選擇整個(gè)刀具及刀柄，干涉處理策略使用擺動(dòng)刀軸，擺動(dòng)方式為自動(dòng)處理。這樣在遇到過(guò)切的地方刀軸會(huì)重新計(jì)算，防止零件發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象。因葉片為8等份，故使用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份，每份刀路的旋轉(zhuǎn)角度為45°，將整個(gè)葉輪的葉片刀路一次性生成。干涉檢查設(shè)置如圖6所示，葉片“五軸限制線”半精加工刀路如圖7所示。

圖6 葉片干涉檢查設(shè)置

圖7 葉片半精加工刀路

（2）四軸聯(lián)動(dòng)半精加工流道 加工流道的時(shí)候需要搭建輔助面，先將葉輪的流道面提取出來(lái)再進(jìn)入YOZ平面創(chuàng)建兩根樣條曲線，其剛好可以將流道分割成單獨(dú)的一份。通過(guò)投影的方式，將該曲面裁剪，做出一個(gè)流道的輔助面，提取該曲面左右兩側(cè)的邊界線為輔助線，該輔助面及輔助線如圖8所示。

圖8 流道輔助面及輔助線

打開(kāi)“五軸限制線”加工策略，加工曲面選擇創(chuàng)建好的輔助面，第一限制線和第二限制線分別選擇左右兩邊的邊界輪廓。根據(jù)刀具分析選擇6mm的球頭銑刀?；镜募庸?shù)和半精加工葉片的設(shè)置相同，加工流道的刀軸設(shè)置為四軸基于進(jìn)給方向傾斜，在干涉檢查中將刀具及刀柄全部開(kāi)啟檢查，這里干涉檢查幾何只選擇干涉曲面，將流道左右的葉片及圓角選擇上即可，并且避讓余量要設(shè)置為0.1mm，防止在加工底面時(shí)刀桿碰到葉片。干涉檢查的設(shè)置如圖9所示，流道的半精加工刀路如圖10所示。

圖9 流道干涉檢查設(shè)置

圖10 流道半精加工刀路

3.5 四軸聯(lián)動(dòng)精加工

（1）四軸聯(lián)動(dòng)精加工葉片 精加工葉片依然選用半精加工時(shí)的策略，只需要將行距設(shè)置為0.1mm，余量設(shè)置為0mm即可，0.1mm的行距可滿足該零件的表面粗糙度要求。由于半精加工還預(yù)留了0.05mm，因此余量少的同時(shí)又比較均勻，刀具切削時(shí)不容易發(fā)生振動(dòng)和讓刀，可以滿足精度要求。

（2）四軸聯(lián)動(dòng)精加工流道 加工流道也選取半精加工流道時(shí)的策略，將行距設(shè)置為0.1mm，余量設(shè)置為0mm。由于輪轂面剛性強(qiáng)，且半精加工后余量少且均勻，所以可以滿足零件的精度要求。由于該6mm的球頭銑刀所切削出的最小圓角為3mm，軌跡起始位置的進(jìn)給路線與圓角位置很近，所以在精加工底面后，葉片根部的圓角余量很少，直接精加工圓角即可。

（3）四軸聯(lián)動(dòng)精加工根部圓角 四軸聯(lián)動(dòng)精加工圓角的刀路如圖11所示，實(shí)體仿真的結(jié)果如圖12所示。打開(kāi)“五軸限制線”加工策略，根據(jù)刀具分析選取6mm的球頭銑刀，加工曲面選擇單一葉片的根部圓角，第一限制線及第二限制線分別選擇圓角的上下邊緣線。加工參數(shù)和聯(lián)動(dòng)精加工葉片的參數(shù)一致，刀軸選用背離點(diǎn)的方式，這里干涉檢查需要同時(shí)選取圓角部分及葉輪外圓面。做好一份精加工圓角的刀路以后使用陣列功能繞著X軸復(fù)制8等份，一次性生成聯(lián)動(dòng)精加工圓角的刀具路徑，之后選中全部刀路進(jìn)入實(shí)體仿真。通過(guò)仿真功能中的分析功能，檢查葉輪是否過(guò)切。

圖11 圓角精加工刀路

圖12 實(shí)體仿真

4 四軸加工葉輪的應(yīng)用

將刀路選中后處理生成G代碼，控制系統(tǒng)使用FANUC 0iMD。生成的部分G代碼如圖13所示。在機(jī)床上加工的裝夾如圖14所示，加工的成品如圖15所示。零件加工完成后，檢驗(yàn)相關(guān)尺寸，公差全部在0.015mm以內(nèi)，完全滿足尺寸精度要求。

圖13 部分G代碼

圖14 四軸裝夾示意

圖15 四軸聯(lián)動(dòng)加工成品

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)整體式葉輪的零件分析，設(shè)計(jì)了工藝流程，合理選擇了四軸加工中心以及相應(yīng)的刀具，利用CAXA制造工程師2022軟件對(duì)整體式葉輪的各個(gè)部位生成了刀路，并且進(jìn)行了實(shí)體仿真。對(duì)于曲率不大的葉輪，可以通過(guò)優(yōu)化刀具路徑的方式，使用四軸加工中心來(lái)加工葉輪，通過(guò)搭建輔助面及輔助線、干涉檢查的方式來(lái)達(dá)到四軸精加工葉輪的目的。經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證了其可行性，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。