基于HyperMILL的整體葉輪五軸數(shù)控加工*

張文祥 韓 江

（①合肥工業(yè)大學工業(yè)培訓中心國家級示范中心，安徽合肥230601;②合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009）

五軸加工技術(shù)充分利用刀具的最佳切削點或通過進一步優(yōu)化刀具和工件的位姿角來進行切削，從而獲得更高的切削效率和更好的加工表面質(zhì)量。CAM技術(shù)是五軸數(shù)控加工中關(guān)鍵技術(shù)之一，以CAM技術(shù)加工高復雜性零件，解決普通三軸數(shù)控機床所不能解決或解決不好的加工問題。

1 葉輪五軸加工工藝規(guī)劃

整體葉輪經(jīng)常運用于離心壓縮機上，作為離心壓縮機上轉(zhuǎn)子的主要部件之一，驅(qū)動氣體的流動。整體葉輪主要由葉片、輪轂兩大部分組成，其中葉片和輪轂交界處即葉根，由于葉輪氣動性的需要常加工為變圓角過渡。本文所研究的葉輪是半開式交錯葉片葉輪，如圖1所示。

1.1 葉輪加工工藝難點分析

本次所加工的葉輪除了大葉片、小葉片、流道、輪頂以外，錐軸和螺紋連接部分也要進行加工，它們是一個整體，所以在工藝上除了運用五軸削銑以外還要用到車削和攻絲。此葉輪的最大外徑為35 mm，且有9個大葉片和9個小葉片，葉片的厚度約為1 mm，葉片的出口角約為76°，大小葉片的間距約為3 mm，材料為LD5。可以分析出此葉輪的加工難點為:

（1）葉輪整體尺寸較小，流道較窄，且相鄰大葉片之間有小葉片存在，對刀具的尺寸形狀要求和剛度要求較高，刀具的成本也隨之變高。

（2）不能一次加工成形，要通過兩種機床兩次裝夾才能完成，加工位置精度很難控制。

（3）整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴重，并且有明顯的后仰趨勢且有副葉片，加工時極易產(chǎn)生干涉，加工難度較大。

（4）其運行效率不能小于75%，對葉片和流道加工表面質(zhì)量要求較高。

1.2 葉輪加工階段的劃分

毛坯的形狀、尺寸越接近整體葉輪的設計造型，所消耗的材料和加工工時越少，但過度追求形狀逼近會增加制造毛坯的費用。因此考慮這些原因，將整體葉輪的毛坯形狀選為φ40 mm棒料，長度60 mm。本次葉輪不能一次加工成形，根據(jù)圖紙的要求，遵循保證加工效率和加工精度的原則，把此葉輪按照加工的設備劃分為:數(shù)控車削和攻絲、五軸加工兩個加工階段。

（1）數(shù)控車削和攻絲階段 為了使葉輪能夠在五軸機床上一次加工成形，減小多次裝夾造成的誤差，選擇數(shù)控車床一次把毛坯加工成形，加工過程的參數(shù)，如表1所示。

程序

（2）五軸加工階段 此階段主要分如下幾道工序:

①葉輪粗加工:對葉輪進行開粗，主要是去除葉輪葉片和葉片之間的余料也起到對葉片粗加工的作用，為下一步的葉片精加工做準備。

②葉片精加工:對葉片進行精加工。葉輪的葉片分為長葉片和交錯葉片兩種形式，如果是交錯葉片形式還要分別進行大葉片精加工和小葉片精加工。

③流道精加工:對葉輪進行粗加工時就相當于進行了葉輪的葉片和流道的粗加工，所以最后可以直接進行流道的精加工即可。

（3）葉輪加工設備 本葉輪加工運用MIKRON UCP 800機床，數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC 530，機床各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，此機床系統(tǒng)功能強大，運算速度極快，程序的預讀功能強且可輕松地實現(xiàn)路徑優(yōu)化，提前計算輪廓控制加加速（Jerk）算法且完全支持高速加工。

（4）葉輪加工CAM軟件 本葉輪的五軸加工部分采用專業(yè)的多軸加工軟件HyperMILL進行加工。HyperMILL具有葉輪加工的專用模塊，具有很高的智能性，減少了大量繁鎖的設置過程，使用者只要按照提示進行少量的設置即可得到葉輪從五軸粗加工到精加工的安全、高效率的刀具路徑。可以大幅度提高葉輪的編程和加工效率［2］。

（5）葉輪加工刀具選擇 在進行粗加工和流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑的刀具，在滿足葉片長度的情況下刀具伸出部分應盡可能的短。精加工時選擇帶錐度的球頭刀，錐度有利于提高刀具的剛性，但錐度不宜太大。在加工葉片時為獲得較好的表面粗糙度，一般采用讓刀具與曲面成一定角度的側(cè)銑法進行加工，所以刀具的刃長一定要大于葉片的長度。根據(jù)以上原則，本次葉輪的外形輪加工時選擇了φ6 mmR0.5 mm 8°硬質(zhì)合金錐銑刀。

表1 數(shù)控車削工藝參數(shù)表

表2 MIKRON UCP 800主要參數(shù)

表3 葉輪五軸加工工藝參數(shù)表

2 葉輪五軸加工

2.1 葉輪五軸加工的工藝參數(shù)

由于葉輪的葉片太薄，吃刀量過大容易造成葉片的變形與斷裂，太慢又嚴重影響加工效率;而切削速度太慢容易造成表面擠壓變形，過快又容易造成表面的顫紋;進給速度太快容易造成表面應力過大，太慢則達不到加工的目的。本文的切削參數(shù)是根據(jù)刀具的材料、機床性能、加工材料及操作者的多年工作經(jīng)驗和多次切削試驗得來。加工過程的工藝參數(shù)，如表3所示。

2.2 葉輪五軸加工軌跡生成

本葉輪的五軸部分由HyperMILL軟件進行加工，通過對葉輪模型的處理，對加工方法的選擇，對刀具的選擇，對軟件參數(shù)的設定和對高速加工路徑的規(guī)劃，葉輪五軸加工軌跡生成過程和加工方法，如表4所示［3］。

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2.3 葉輪加工代碼生成

在HyperMILL后置處理構(gòu)造器中根據(jù)機床的特性設定好機床的坐標參數(shù)與旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的各命令功能設置編輯后置處理器。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和對Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)命令的翻譯，可把加工得到的刀軌文件轉(zhuǎn)換成符合MIKRON UCP 800 NC機床的NC代碼，如圖2所示。

2.4 葉輪加工結(jié)果與精度檢驗

通過MIKRON UCP 800 NC機床完成零件加工，如圖3、圖4所示。最后通過三坐標測量儀進行檢測附合加工精度要球且實際運行效率高于所要求的75%。

3 結(jié)語

葉輪是在高旋轉(zhuǎn)速度下工作的零件，對制造要求的水平非常高，制造質(zhì)量對葉輪的性能有著重要的影響，因此要制造出與設計要求相符的葉輪，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證。

［1］任濤.整體葉輪的五軸數(shù)控編程與加工［J］.現(xiàn)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］黃正浩.用HyperMILL進行葉輪加工［J］.航空精密制造技術(shù)，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.