整體式葉輪數控加工仿真與應用分析

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摘要：通過分析整體式葉輪的結構特點，確定其復雜曲面特征，從而進行工藝可行性分析，確定加工工藝方案。基于CAM軟件NX8.5環境建立三維模型和刀路軌跡，通過UG/PostBuilder后置處理器生成NC代碼，通過合理規劃整體式葉輪數控加工方案，達到提高加工效率、縮短生產周期的目的。

關鍵詞：整體葉輪；工藝方案；刀路軌跡；后置處理

整體式葉輪屬于復雜曲面體零件，作為系統中的主要動力傳遞零件，在航空航天、汽車、船舶等領域發揮著重要作用。由于整體式葉輪一般多為高速旋轉件，因此葉片結構較為復雜，且為提高產品性能，必須采用薄葉片、增大曲面彎曲弧度、減小葉片間隔等結構，導致其在加工過程中易發生撞刀、干涉等問題，給生產加工帶來很大難度。因此，在正式加工前必須進行數控加工程序仿真，以防止在實際加工過程中產生過切、干涉及碰撞等問題，另外通過優化加工工藝參數，可有效降低生產成本，提高加工效率。本文選用目前應用較為廣泛的NX8.5軟件對整體式葉輪的復雜曲面加工進行仿真研究，可以為合理規劃整體式葉輪數控加工方案、提高加工效率和加工精度提供一定的參考。

1整體式葉輪結構特征與加工方案

1.1結構特征分析。整體式葉輪是航空產品特別是環境控制系統產品中的核心功能性零件之一，整體式葉輪主要由輪轂、葉片、包覆面和葉根圓角等幾部分組成，根據性能需求有若干組葉片均勻分布在輪轂曲面上，如圖1所示。一方面為使葉輪類零件滿足產品整體氣動性要求，葉片多采用大扭角的復雜曲面與根部變圓角相結合的結構；另一方面為提升零件使用壽命，葉片根部過渡圓角表面質量要求較高，這就加大了整體式葉輪的加工難度。根據本文具體示例，其加工難點如下：（1）加工流道窄小、葉片長、剛度低，加工過程極易產生變形；（2）相鄰葉片空間小，導致所用刀具直徑較小，刀具容易折斷；（3）葉片面彎曲較大，呈明顯后仰趨勢，加工過程中極易發生干涉及碰撞。1.2加工工藝方案。1.2.1材料與夾具選用。在保證強度的前提下，建議采用鋁合金棒材，切削性能較好；同時為保證葉輪加工質量和加工效率，需在銑葉形前通過車加工使葉片徑向輪廓達到最終尺寸，以免在葉形銑削過程中因去除余量浪費大量時間，同時也能更好地減少葉片變形。從葉輪整體加工方案、裝夾找正效率及節省換裝時間考慮，夾具主要采用三爪卡盤和定位芯軸。1.2.2刀具選擇。本文選用的葉輪具有六個長葉片和六個短葉片，且葉根圓角R為1.5mm，結合高速銑削小切削、大進給的加工特點，選擇4°R2和4°R1.5錐度球頭銑刀，刃長均為20mm，材料為硬質合金。1.2.3整體葉輪加工工藝方案。根據整體葉輪實際加工需求，通常將葉形銑削分為：流道粗加工→葉片粗加工→葉片半精加工→葉片精加工→流道精加工→葉片圓角清根。

2UGNX8.5環境下加工路徑規劃及后處理

2.1幾何體和刀具設置。UGNX8.5中已有葉輪編制模塊，只需依次選擇輪轂、包覆、葉片、葉根圓角等即可，軟件會自行計算。但需注意以下幾點：（1）保證模型Z軸方向和安裝零件后刀軸方向一致；（2）X、Y軸原點處于回轉中心，Z軸原點應設定在加工時方便對刀的平面。在試加工過程中發現精加工后的葉片尖邊有明顯的凹形圓角，這是葉輪模塊中出于清理毛刺的刀路考慮而由球頭刀自動形成的，且無法消除，因此需要打開“高級”角色，找到“偏置面”選項，將包覆增厚一定尺寸（和精加工分層尺寸有關），并形成新的回轉體作為毛坯，消除其影響。2.2輪轂（流道）和葉片粗加工。為提高加工效率，粗加工采用大切深、慢進給的切削方式，本文中葉輪葉片最深處12.9mm，加工中分兩層，轉速25000r/min，進給速度2000mm/min，葉片側面和輪轂余量0.5mm。需注意以下幾點：（1）由于零件采用芯軸裝夾，粗加工時力量相對較大，容易造成芯軸拉斷和芯軸螺紋磨損加快，可以通過設置起始位置（小端面處向內）和切削模式（單向），使切削力一直處于擠壓芯軸狀態。（2）由于高速加工中心在運行過程中要避免急停急轉，因此在設置非切削移動時需打開“光順”移刀類型，實現設備高速運行時的平緩。（3）在進刀和退刀的過程中，應沿設定的方向進入、退出工件型面，避免刀具和工件及芯軸的碰撞，進退刀盡量采用“沿刀軸”方向，以避免刀具與夾具、機床發生碰撞。2.3輪轂（流道）和葉片半精加工。（1）葉片扭轉角大且呈波浪形，粗加工后余量不均勻，影響精加工質量的情況下，需設置半精加工工序，以保證精加工時加工余量均勻。輪轂（流道）半精加工采用葉輪模塊中的精加工模塊，本文實例中切削參數設置如下：葉片余量設為0.2mm，葉轂余量設為0.2mm，其余默認。驅動方法設置中，設置前緣、葉片邊緣點沿葉片方向，相切延伸設為2mm，后緣與前緣相同。驅動設置中，切削模式設為往復上升，步距設為恒定，最大距離設為0.5mm。刀具選擇錐角為4°的D4R2錐度球頭銑刀，刀軸設為自動。（2）葉片半精加工時，精加工幾何體選擇葉片，切削層設置中，深度模式設為從包覆插補至葉轂，每刀深度設為0.4mm。切削參數設置中，包覆余量設為0，葉片余量設為0.4mm，葉轂余量設為0.5mm。切削面選擇左面、右面、前緣，切削模式設為單向，其余默認。刀具選擇錐角為4°的D4R2錐度球頭銑刀，刀軸設為自動。2.4輪轂（流道）和葉片精加工。（1）流道精加工驅動方法中步距最大距離設為0.2mm。切削參數中將葉片余量設為0.2mm，葉轂余量設為0，其余默認。其他設置與半精加工相同。（2）葉片精加工切削層中將每刀的深度距離設為0.2mm，切削參數中將葉片余量設為0，其余默認。其他設置與半精加工相同。（3）圓角精加工選用圓角精加工模塊，刀具選擇錐角為4°的D3R1.5錐度球頭銑刀。為保證葉根圓角、葉片及輪轂三者之間光滑連接，具備較高的表面質量，在刀路設置上將輪轂和葉片各偏置0.2mm，步距設為0.1mm，其余默認。2.5基于UG/PostBuilder的后處理。待切削參數及刀具軌跡設定完成后，即可生成刀軌文件（CFL），可以較好地模擬出刀尖點相對于加工坐標系加工零件的整個過程，再根據數控設備的運動結構和控制指令格式，將刀軌文件后續處理為NC代碼，從而控制機床進行工件加工。

3結語

本文通過對整體式葉輪葉片部分加工方案進行研究，分析了整體式葉輪的結構特點和加工特性，選定了整體式葉輪數控加工刀具及加工程序。針對整體式葉輪的結構特征進行了加工程序的創建，根據實際情況設置了相應加工參數，生成了刀路軌跡和機床數控加工NC代碼，極大地提升了葉輪加工效率和表面質量。

［參考文獻］

[1]秦錄方，孫濤，時四強，等.基于UG的整體葉輪數控加工仿真研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015（11）：98-102.

[2]曾強.葉輪類零件的五軸聯動數控加工與仿真[D].成都：西南交通大學，2009.

作者:孔祥茹 黃 鹿 趙 康 雷新生 華 峰 單位:中國航空工業集團公司金城南京機電液壓工程研究中心