基于HyperMILL的整体叶轮五轴数控加工

基于HyperMILL的整体叶轮五轴数控加工
张文祥;韩江
【摘要】在HyperMILL软件的基础上,对整体叶轮的五轴加工策略进行分析和实现.首先拟定加工路径和工艺方案,确定加工参数,然后计算出叶轮的加工刀轨路径,生成机床加工代码,最后加工出合格的零件.该方法有效地减少了加工循环次数、减少加工步骤、提高加工精度和加工效率.%Five-axis machining strategy for integral impeller was analyzed and realized by HyperMILL software in this paper. Firstly, the machining path, processing scheme and machining parameters were established. Then, machine processing code were generated after processing cutter rail routes were calculated. Finally, the integrated impeller was produced. The methodology in this paper reduced the processing cycle times efficiently, decreased machining steps and improved the cutting accuracy and efficiency.
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2012(000)006
【总页数】4页(P125-128)
【关键词】HyperMILL;五轴加工;整体叶轮
【作者】张文祥;韩江
【作者单位】合肥工业大学工业培训中心国家级示范中心,安徽合肥 230601;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009
【正文语种】中文
【中图分类】TH164
五轴加工技术充分利用刀具的最佳切削点或通过进一步优化刀具和工件的位姿角来进行切削，从而获得更高的切削效率和更好的加工表面质量。

CAM技术是五轴数控加工中关键技术之一，以CAM技术加工高复杂性零件，解决普通三轴数控机床所不能解决或解决不好的加工问题。

1 叶轮五轴加工工艺规划
整体叶轮经常运用于离心压缩机上，作为离心压缩机上转子的主要部件之一，驱动气体的流动。

整体叶轮主要由叶片、轮毂两大部分组成，其中叶片和轮毂交界处即叶根，由于叶轮气动性的需要常加工为变圆角过渡。

本文所研究的叶轮是半开式交错叶片叶轮，如图1所示。

1.1 叶轮加工工艺难点分析
本次所加工的叶轮除了大叶片、小叶片、流道、轮顶以外，锥轴和螺纹连接部分也要进行加工，它们是一个整体，所以在工艺上除了运用五轴削铣以外还要用到车削和攻丝。

此叶轮的最大外径为35 mm，且有9个大叶片和9个小叶片，叶片的厚度约为1 mm，叶片的出口角约为76°，大小叶片的间距约为3 mm，材料为LD5。

可以分析出此叶轮的加工难点为:
（1）叶轮整体尺寸较小，流道较窄，且相邻大叶片之间有小叶片存在，对刀具的尺寸形状要求和刚度要求较高，刀具的成本也随之变高。

（2）不能一次加工成形，要通过两种机床两次装夹才能完成，加工位置精度很难控制。

（3）整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并且有明显的后仰趋势且有副叶片，加工时极易产生干涉，加工难度较大。

（4）其运行效率不能小于75%，对叶片和流道加工表面质量要求较高。

1.2 叶轮加工阶段的划分
毛坯的形状、尺寸越接近整体叶轮的设计造型，所消耗的材料和加工工时越少，但过度追求形状逼近会增加制造毛坯的费用。

因此考虑这些原因，将整体叶轮的毛坯形状选为φ40 mm棒料，长度60 mm。

本次叶轮不能一次加工成形，根据图纸的要求，遵循保证加工效率和加工精度的原则，把此叶轮按照加工的设备划分为:数控车削和攻丝、五轴加工两个加工阶段。

（1）数控车削和攻丝阶段为了使叶轮能够在五轴机床上一次加工成形，减小多次装夹造成的误差，选择数控车床一次把毛坯加工成形，加工过程的参数，如表1所示。

程序
（2）五轴加工阶段此阶段主要分如下几道工序:
①叶轮粗加工:对叶轮进行开粗，主要是去除叶轮叶片和叶片之间的余料也起到对叶片粗加工的作用，为下一步的叶片精加工做准备。

②叶片精加工:对叶片进行精加工。

叶轮的叶片分为长叶片和交错叶片两种形式，如果是交错叶片形式还要分别进行大叶片精加工和小叶片精加工。

③流道精加工:对叶轮进行粗加工时就相当于进行了叶轮的叶片和流道的粗加工，所以最后可以直接进行流道的精加工即可。

（3）叶轮加工设备本叶轮加工运用MIKRON UCP 800机床，数控系统为Heidenhain iTNC 530，机床各结构参数如表2所示，此机床系统功能强大，运算速度极快，程序的预读功能强且可轻松地实现路径优化，提前计算轮廓控制加加
速（Jerk）算法且完全支持高速加工。

（4）叶轮加工CAM软件本叶轮的五轴加工部分采用专业的多轴加工软件HyperMILL进行加工。

HyperMILL具有叶轮加工的专用模块，具有很高的智能性，减少了大量繁锁的设置过程，使用者只要按照提示进行少量的设置即可得到叶轮从五轴粗加工到精加工的安全、高效率的刀具路径。

可以大幅度提高叶轮的编程和加工效率［2］。

（5）叶轮加工刀具选择在进行粗加工和流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径的刀具，在满足叶片长度的情况下刀具伸出部分应尽可能的短。

精加工时选择带锥度的球头刀，锥度有利于提高刀具的刚性，但锥度不宜太大。

在加工叶片时为获得较好的表面粗糙度，一般采用让刀具与曲面成一定角度的侧铣法进行加工，所以刀具的刃长一定要大于叶片的长度。

根据以上原则，本次叶轮的外形轮加工时选择了φ6 mmR0.5 mm 8°硬质合金锥铣刀。

表1 数控车削工艺参数表序号工序名称刀具号刀具名称刀具材料主轴转速s/
（r/min）mm 1 外形粗加工 T01 R0.8外圆93°偏刀涂层硬质合金进给量fn/（mm/r）背吃刀量ap/1 000 0.2 1 2 外形精加工 T02 R0.4外圆93°偏刀涂层硬质合金1 200 0.1 0.3 3 切槽 T03 切槽刀宽3 mm 硬质合金500 0.08 4 攻丝 M6
左旋手攻丝锥5 切断 T03 切槽刀宽3 mm 硬质合金500 0.08
表2 MIKRON UCP 800主要参数工作行程X轴 Y轴 Z轴 A轴 C轴800 mm
650 mm 500 mm +120°～－100° 360°主轴转速 0～20 000 rad/min 进给速度0～30 m/min 工作台尺寸600 mm×600 mm
表3 叶轮五轴加工工艺参数表序号工序名称刀具名称刀具材料转速/（r/min）XY进给/（m/min）残留高度/mm 1 叶轮粗加工φ6 mmR0.5 mm 8°锥铣刀硬质合金16 000 1.6 0.01 2 大叶片精加工φ6 mmR0.5 mm 8°锥铣刀硬质合金18 000 1.2 0.01 3 小叶片精加工φ6 mmR0.5 mm 8°锥铣刀硬质合金18 000 1.2
0.01 4 流道精加工φ6 mmR0.5 mm 8°锥铣刀硬质合金18 000 1.2 0.02
2 叶轮五轴加工
2.1 叶轮五轴加工的工艺参数
由于叶轮的叶片太薄，吃刀量过大容易造成叶片的变形与断裂，太慢又严重影响加工效率;而切削速度太慢容易造成表面挤压变形，过快又容易造成表面的颤纹;进给
速度太快容易造成表面应力过大，太慢则达不到加工的目的。

本文的切削参数是根据刀具的材料、机床性能、加工材料及操作者的多年工作经验和多次切削试验得来。

加工过程的工艺参数，如表3所示。

2.2 叶轮五轴加工轨迹生成
本叶轮的五轴部分由HyperMILL软件进行加工，通过对叶轮模型的处理，对加工方法的选择，对刀具的选择，对软件参数的设定和对高速加工路径的规划，叶轮五轴加工轨迹生成过程和加工方法，如表4所示［3］。

2.3 叶轮加工代码生成
在HyperMILL后置处理构造器中根据机床的特性设定好机床的坐标参数与旋转轴，根据Heidenhain iTNC 530数控系统的各命令功能设置编辑后置处理器。

经过数据转换和对Heidenhain iTNC 530数控系统命令的翻译，可把加工得到的刀轨文件转换成符合MIKRON UCP 800 NC机床的NC代码，如图2所示。

2.4 叶轮加工结果与精度检验
通过MIKRON UCP 800 NC机床完成零件加工，如图3、图4所示。

最后通过三坐标测量仪进行检测附合加工精度要球且实际运行效率高于所要求的75%。

3 结语
叶轮是在高旋转速度下工作的零件，对制造要求的水平非常高，制造质量对叶轮的性能有着重要的影响，因此要制造出与设计要求相符的叶轮，不仅要有良好的制造方法，还要有良好的工艺作保证。

参考文献
［1］任涛.整体叶轮的五轴数控编程与加工［J］.现代制造，2009（2）:122－125.
［2］JAE－WOONG YOUN.Interference－free tool path generation in fiveaxis machining of a marine propeller［J］.INT.J.PROD.RES.，2003，41（18）:4383－4402.
［3］黄正浩.用HyperMILL进行叶轮加工［J］.航空精密制造技术，2009（2）:40－41.
［4］Roth，David，Bedi，et al.Generation of swept volumes of toroidal end mills in five－ axis motion using space curves［A］.Proceedings of the Symposium on Solid Modeling and Applications［C］，1999:306 －311.。