叶轮加工工艺研究

0 引言

叶轮是涡轮式发动机、涡轮增压发动机等的核心部件。现在比较常见的就是汽车的涡轮增压器。整体叶轮的形状比较复杂，叶片的扭曲大，极易发生加工干涉，因此其加工的难点在于流道、叶片的粗、精加工。本文将利用UG NX、UG/Post Builder、VERICUT对五轴编程中的三大难点（刀路轨迹的编写、后置POST的编写、仿真验证）进行详细的说明。

1 加工工艺分析

考虑到整体叶轮实际的工作情况，一般整体叶轮的曲面部分精度高，工作中高速旋转，对动平衡的要求高等诸多要求，结合叶轮的形状、结构特点、材料安排工艺路线如下：1、铣出整体外形，钻、镗中心定位孔；2、精加工叶片顶端小面；3、粗加工流道面；4、精加工流道面；5、精加工叶片面；6、清角。作者主要研究了流道开粗、精加工和叶片精加工加工轨迹规划。对于整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件，应选择它的底面圆心作为工件的原点，进而简化工件的找正和后处理过程。根据整体叶轮的几何模型特征，可以基本上确定例如加工所使用机床型号、刀具参数、夹具和装夹方式等。叶轮的加工使用DMG 75V 的机床，SIEMENS 840D的控制器。该机床配备有X、Y、Z三个线性轴，B、C两个回转轴构成了一台标准的TH（Table_Head）结构的五轴联动加工中心。刀具的使用方面，五轴联动加工中优先使用球头刀和圆角R刀加工，这样可以最大程度上减少由刀具引起的过切和干涉。对于流道较窄的叶轮，在加工窄流道处时，可以适当选择锥度球头铣刀，可以有效的提高刀具的刚性。

流道开粗加工过程去除主要加工余量，直接影响着精加工的效率和质量，提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布，切削过程中切削深度不断变化，刀具受力变化较为剧烈，大大缩短了刀具寿命，降低了加工质量，这需要合理规划加工轨迹。流道开粗加工通常需分成若干层渐进开粗。顺着流道面的方向分割流道区域，可使粗加工的各层厚度比较均匀，加工过程稳定。另外除以上方法之外还有三轴开粗的方式，即3+2方式。具体的方法是先按某一方向以三轴的方式开粗，完成后工件转动一个角度继续完成未加工到的区域。两种方法各有优缺点，五轴开粗后余量均匀，但刀轨的编写比较困难；三轴开粗方法简单，程序编写容易，但开粗后余量不均匀，还需做半精加工，均匀化余量。

2 加工轨迹的编制

五轴切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了五轴切削机床和切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的五轴加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、刀具轨迹编辑优化功能、加工残余分析功能等。数控编程时应首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。此整

体叶轮的叶片薄，扭曲大，发生加工干涉的概率很高，这主要是影响五轴编程质量的因素；即便很好的解决了以上的问题，还有一个比较重要的就是要控制刀轴在运动过程中的突然变化，因为刀轴的突变带来的直接影响就是机床在加工过程中坐标轴方向的位移突然加大，甚至超出机床的运动极限，这是另一个比较重要的地方。UG NX五轴程序的编写，绝大部分依赖辅助驱动曲面的构建。这其中最重要的就是流道面开粗分层辅助曲面的建立。

3 后置处理的编写（POST）

后置处理（POST）编写是多轴加工中极其重要的一个环节。编写后处理首先要求对机床的控制器有很深入的了解，对UG的多轴编程很熟练，对UG/Post Builder的结构、程序处理过程、相关设置要熟练，对TCL语言要有很深入的了解，这些都要熟练掌握。这样才具备了编写后处理的基本条件。五轴编程常采用RTCP来进行编程，RTCP功能对机床的运动精度和数控编程的难度进行了简化，对于其它传统的数控系统而言，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移；而对于SIEMENS数控系统（当RTCP选件起作用时），是坐标旋转中心的位移，保持刀具中心始终处于同一个位置上。在这种情况下，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不需考虑转轴中心，这个转轴中心是独立于编程的，是在执行程序前由显示终端输入的，与程序无关。通过计算机编程或通过选件被记录的三坐标程序，可以通过RTCP逻辑，以五坐标方式被执行。对于这种特殊的应用方法，必须要求使用球形刀具。

4 VERICUT仿真验证

VERICUT是美国CGTECH公司的一种运行于Windows或UNIX平台的计算机上的先进的专用数控加工仿真软件，可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。VERICUT采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，以检测加工过程中可能存在的问题，为用户挽回不必要的损失！

参考文献：

[1]曹利新.三元整体叶轮曲面造型及其计算机辅助制造技术[J].大连理工大学学报.

[2]UGS PLM应用指导系列丛书.清华大学出版社.

[3]孙春华，陈皓晖，刘华明.复杂曲面整体叶轮CAD/ CAM 技术研究.

[4]李云龙.加工仿真系统VERICUT.西安交通大学出版社.