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摘 要： 摘要：以帶有兩級(jí)葉片整體式小型葉輪為例，基于UGNX7.5平臺(tái)建立其三維模型;通過軟件加工模塊中的各類功能，設(shè)計(jì)了全部加工刀路;接著采用符合實(shí)際情況的機(jī)床模型展開了切削仿真試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化;最后在試切環(huán)節(jié)驗(yàn)證了刀軌的正確性。該研究表明：在小型整體
摘要：以帶有兩級(jí)葉片整體式小型葉輪為例，基于UGNX7.5平臺(tái)建立其三維模型;通過軟件加工模塊中的各類功能，設(shè)計(jì)了全部加工刀路;接著采用符合實(shí)際情況的機(jī)床模型展開了切削仿真試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化;最后在試切環(huán)節(jié)驗(yàn)證了刀軌的正確性。該研究表明：在小型整體葉輪零件加工中，刀軌設(shè)計(jì)結(jié)果與機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡不完全一致，通過機(jī)床切削仿真對(duì)刀軌設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠最大程度的發(fā)現(xiàn)和修正刀軌設(shè)計(jì)中存在的問題及錯(cuò)誤，是一種高效、可靠的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：葉輪;加工;可變輪廓銑削;刀軌設(shè)計(jì);切削仿真
0引言
整體式葉輪作為透平類機(jī)械中的核心部件，普遍具有多次自由曲面葉形、葉片間流道具有狹窄變截面特征等特點(diǎn)，同時(shí)具有較高的尺寸公差和形位公差要求，其加工制造對(duì)工藝技術(shù)提出了很高要求，以往依靠人工數(shù)控編程的方式很難滿足其加工要求。
近幾年來，隨著國內(nèi)外CAD/CAM編程技術(shù)的快速發(fā)展，使多軸聯(lián)動(dòng)葉輪銑削加工技術(shù)走向了工程應(yīng)用階段。本文以某種小型整體式葉輪為例，在對(duì)其工藝特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工藝方案，并以UGNX7.5軟件為平臺(tái)進(jìn)行了刀具路徑設(shè)計(jì)、機(jī)床代碼仿真等工作，通過反復(fù)仿真迭代，對(duì)刀具路徑進(jìn)行了多次優(yōu)化，最終加工出復(fù)合要求的葉輪零件。
1葉輪工藝分析
1.1結(jié)構(gòu)工藝性分析
本文選取的葉輪外形如圖1所示。材料選擇2A12-T4鋁材，較易切削。其整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為帶有一級(jí)(較大葉片)、二級(jí)(較小葉片)葉片間隔均布的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，其加工難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：
輪轂外圓上均勻布置有若干多次曲線控制的曲面，構(gòu)成其葉片外形，葉片根部圓角1mm，相鄰兩片葉形之間最小間距3mm，且葉片之間形成了變截面流道，流道深度最大達(dá)到34mm。致使刀具的活動(dòng)空間極小且刀具長徑比較大，對(duì)加工刀路、刀具提出了較高要求;
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葉片平均厚度小于1mm，且葉片長度較長，因此葉片整體剛度較低，切削過程中易發(fā)生形變
綜上分析，該型葉輪加工方案必須從材料、刀具、刀路規(guī)劃、切削參數(shù)等方面綜合考慮，經(jīng)過仿真驗(yàn)證提煉出合理的加工方案。
1.2刀具設(shè)計(jì)方案
針對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們采用球頭錐面硬質(zhì)合金銑刀，分別設(shè)計(jì)定制兩種規(guī)格的銑刀進(jìn)行半精、精加工，錐角5°，球頭直徑分別為Φ3、Φ2，最大直徑Φ10。
2葉輪加工方案
加工設(shè)備選擇DMGDMU-80P五軸單轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心，工藝路線設(shè)定如圖2所示。
由于該產(chǎn)品葉片結(jié)構(gòu)較薄，相鄰兩一級(jí)葉片間還存在二級(jí)葉片，造成流道間距狹窄。而刀具在有限范圍內(nèi)又必須有一定的活動(dòng)空間，以便于聯(lián)動(dòng)加工時(shí)刀具立臥角度調(diào)整和進(jìn)退刀調(diào)整，因此在流道開粗時(shí)必須綜合考慮以上因素，為半精、精加工留出合適的加工余量。本文將粗加工后余量設(shè)定為0.3mm，半精加工后余量設(shè)定為0.1mm;粗加工采用普通硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行開粗，半精加工采用定制Φ3球頭錐面銑刀進(jìn)行加工。
3加工刀路設(shè)計(jì)規(guī)劃
3.1粗銑葉輪
葉輪粗車工序完成后，采用UGNX7.5軟件的CAM模塊，進(jìn)行粗銑刀軌設(shè)計(jì)。軟件具有多種加工模塊，包括通用模塊和專用模塊，以滿足各種階段的加工需求。在粗銑葉輪時(shí)，采用3+2定軸加工即可。采用型腔銑(CAVITY_MILL)模塊進(jìn)行有關(guān)切削參數(shù)設(shè)置，切削模式采用輪廓銑削，每刀切深0.5mm，使用Φ6、Φ4硬質(zhì)合金銑刀依次進(jìn)行流道開粗，余量分別設(shè)置為0.4mm、0.3mm。
需要注意的是，在該工序需要將相鄰葉片間距最小處的材料進(jìn)行去除(Φ4整體銑刀無法清除)，否則在精銑階段將對(duì)小直徑球頭銑刀的切削軌跡產(chǎn)生較大影響，形成障礙，這里采用可變輪廓銑(VARIABLE_CONTOUR)模塊進(jìn)行粗銑階段殘留去除，驅(qū)動(dòng)方法采用曲線驅(qū)動(dòng)，使用Φ3球頭錐面銑刀進(jìn)行殘余去除，這樣便可最大限度的去除余量，同時(shí)巧妙避讓葉片表面區(qū)域。開粗銑刀軌跡及去殘余量去除設(shè)置如圖3所示。
3.2精銑葉輪
在精車工序后，葉輪進(jìn)入精銑工序。在該工序首先采用多軸銑削模塊進(jìn)行半精加工，這里對(duì)單個(gè)流道單元進(jìn)行區(qū)域劃分為兩部分，葉片側(cè)面驅(qū)動(dòng)方法為曲面驅(qū)動(dòng)，步距數(shù)50;底面驅(qū)動(dòng)方法采用流線驅(qū)動(dòng)，流曲線選擇底面長邊界，步距數(shù)15。兩種操作均選擇Φ3球頭錐銑刀進(jìn)行加工，余量設(shè)置為0.1mm。兩種驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置以及刀軌示意如圖4所示。
半精刀軌設(shè)置完成后進(jìn)行精銑刀軌設(shè)置，同樣采用多軸銑削模塊進(jìn)行設(shè)置，此處刀軌設(shè)置與半精加工刀軌設(shè)置類似，但步距數(shù)需加倍，同時(shí)換用Φ2球頭錐銑刀進(jìn)行加工，從而令流道獲得較高的表面質(zhì)量。
4機(jī)床切削仿真研究
在刀路設(shè)計(jì)完成后，以基于DMGDMU-80P加工中心建立的機(jī)床數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用NX7.5帶有的機(jī)床切削仿真功能，可以對(duì)刀軌設(shè)計(jì)的合理性與安全性進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化，這里對(duì)仿真過程進(jìn)行簡要介紹。
首先，在加工模塊中將前期設(shè)計(jì)好的機(jī)床數(shù)字模型進(jìn)行加載，在對(duì)切削條件進(jìn)行測量，對(duì)分度頭位置、形狀尺寸，刀具卡頭尺寸等進(jìn)行確認(rèn)后，就可在機(jī)床模型中進(jìn)行工件的定位，這樣就完成了仿真前的模型加載以及工件定位。加載定位完成后的模型如圖5所示。
機(jī)床加載完成后，即可開始機(jī)床仿真相關(guān)設(shè)置。打開“仿真控制面板”后，勾選“顯示3D材料移除”，可視化中選擇機(jī)床代碼仿真功能，便可以開始仿真過程，在仿真中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤或碰撞，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行提示并記錄，需要注意的是，在仿真過程中，由于本例切削區(qū)域均為片體，在切削過程中，如果存在過切現(xiàn)象，系統(tǒng)并不會(huì)完全進(jìn)行提示，因此在每次仿真結(jié)束后，需將切削結(jié)果與最終模型進(jìn)行比對(duì)，從而找出過切部位，繼而進(jìn)行刀軌優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真相關(guān)設(shè)置面板如圖6所示。
在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)床進(jìn)刀、退刀軌跡在仿真過程中與刀軌設(shè)計(jì)結(jié)果并不完全一致。例如，在可變輪廓銑削葉片流道側(cè)面過程中，刀具退出流道區(qū)域時(shí)，立臥狀態(tài)變化從臥式轉(zhuǎn)為立式，刀軌設(shè)計(jì)為定角度臥式退出，而在仿真中表現(xiàn)為刀具臥式退出時(shí)在流道區(qū)域內(nèi)就開始調(diào)整角度至臥式狀態(tài)，導(dǎo)致刀具側(cè)刃對(duì)流道表面過切。在仔細(xì)調(diào)整退刀相關(guān)設(shè)置后，我們發(fā)現(xiàn)，退刀高度是影響該問題的關(guān)鍵參數(shù)，退刀深度由40mm逐漸調(diào)整至120mm后，過切現(xiàn)象消除。退刀設(shè)置及效果調(diào)整效果對(duì)比如圖7及表1所示。
通過多次的仿真實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)刀軌設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行了局部修正與優(yōu)化，最終得到了較為理想的刀軌設(shè)計(jì)方案。
最后，利用NX中的后置處理程序生成了加工程序。程序代碼示意如圖8所示。
5程序試切驗(yàn)證
通過試切，后處理生成的粗銑、精銑程序得到了完整的試驗(yàn)驗(yàn)證。試切過程中，刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)床仿真過程一致。試切過程如圖9所示。
6結(jié)語
通過刀軌設(shè)計(jì)與機(jī)床仿真相互結(jié)合的研究方法，對(duì)葉輪的加工研究我們得到以下結(jié)論：
1)通過刀軌設(shè)計(jì)生成的刀具移動(dòng)軌跡并不是加工過程中的刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，針對(duì)不同的加工設(shè)備刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)有相應(yīng)變化，這點(diǎn)需要格外注意;
2)通過進(jìn)行機(jī)床仿真，能夠最大程度的反映刀軌設(shè)計(jì)中存在的問題及錯(cuò)誤，有效提高了CAM設(shè)計(jì)的效率，是一種十分有效的仿真試驗(yàn)方法。——論文作者：馬晨，郭志偉，孫建邦，雷仁鵬，劉強(qiáng)