淺談離心葉輪葉片五軸加工誤差的虛擬測量技術

黃美發　周華榮

摘要：文章針對某企業離心葉輪零件復雜曲面的五軸加工，采用虛擬測量技術，來降低加工誤差，提升葉輪使用性能，介紹了離心葉輪葉片的五軸加工誤差和虛擬測量技術。

關鍵詞：離心葉輪葉片；五軸加工；加工誤差；加工精度；虛擬測量技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG659 文章編號：1009-2374（2015）12-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.036離心葉輪葉片形狀復雜，且多為不可展直的紋面、葉片壁薄。葉片機械加工效率低，難以保證加工質量。本文針對某企業生產的離心葉輪葉片的五軸加工，研究應用虛擬測量技術，以提高離心葉輪葉片加工精度的方法。

1 離心葉輪葉片五軸加工的問題

針對現代企業離心葉輪葉片五軸加工，針對當前機械加工行業，在離心葉輪葉片加工過程中，其具備的測量技術還較為落后，并不能夠有效適應當前的葉片五軸加工的技術需求。對當前企業離心葉輪葉片加工中，應用加工誤差及虛擬測量技術，針對離心葉輪葉片加工銑削力求解方面缺乏對加工誤差的有效測量與補償手段；通過檢查UG干擾，促使刀具定向，最優刀具姿態以及位置，導出其在曲面上源文件，轉換成五軸葉輪NC代碼，用三坐標測量機驗證葉片缺陷，使葉片五軸加工可以具有精確的幾何形狀，提升加工精度。離心葉輪葉片五軸加工中，葉片部分多由曲線組成，是一個復雜空間曲面，且葉身截面相應減薄，型線也變化，加工時極易產生過切；同時，在葉輪葉片五軸加工中，由于加工誤差的存在，大力降低葉輪葉片五軸加工精度，降低葉輪葉片使用壽命。

2 加工誤差的虛擬測量技術

針對離心葉輪的特點，可以根據離心葉輪零件的結構，然后通過UG軟件中的數控編制，降低加工誤差測量中的編程難度，能夠將常用的數控加工方式以及數控中的加工參數集成到UG模塊之中，從而可以制成離心葉輪加工中零件的UG編程模板，有效提升離心葉輪零件在數控程序編制中的質量，也可以加快數控編制效率。并且利用UG編程模板，根據加工中離心葉輪的幾何體形狀，規范毛坯加工的情況，有效提高離心葉輪葉片數控加工質量。提高的工作質量與效率，實現對離心葉輪加工的“無圖化”、“自動化”發展。在離心葉輪葉片五軸加工中，利用多軸機床模型通過虛擬測量技術，能夠有效克服對傳統精密測量設備依賴，也可以通過模擬離心葉輪葉片件加工過程，提出誤差補償方法，進行有限元分析，提取每個位置的彈性變形值，測量其加工誤差分布，有效提高零件加工精度。

3 離心葉輪葉片五軸加工誤差分析

3.1 機床加工誤差

對于機床加工運動中，機床熱變形及幾何誤差，將會降低葉片五軸加工精度。刀心所走過的直線為同一條，但如若改變刀軸方向，那么此時盡管控制系統是進行的線性插補，但事實上刀心與工件所走的是曲線而非直線，于是便形成插補誤差。當車削葉片五軸細長軸時，可以采用跟刀架以及中心架，有效消除以及少工件變形，減少加工誤差。同時，在加工中，若是應用大進給量的反向切削方法，則消除軸向切削彎曲變形問題，降低加工誤差。只有采用輪廓的切向進、退刀方式，評價葉片加工表面主要參數，通過切削試驗，研究切削速度、進給量及對工件粗糙度影響規律，優化葉片加工參數，才可以保證刀路軌跡平滑，保證葉片曲面的加工質量。如下圖1所示：

3.2 工藝誤差

此項誤差主要是指讓刀誤差，它是在切削時，零件或刀具受到切削力而產生變形，最終導致加工誤差的形成，此變形包含零件變形和刀具變形。在加工葉輪時，因為兩片葉中間有寬度很小的通道，并且深度又很大。在葉片五軸零件加工后，其實際的幾何參數與理想參數間，存在的差值就是加工精度。若是此時的加工誤差越小，則零件的符合程度則越高，零件的加工精度也就越高。零件加工誤差的大小可以直接反映出加工精度的高低，故此，在實際離心葉輪葉片加工中，可以通過分析影響這些工藝誤差的因素，并找出其存在規律，找到減小工藝誤差的方法，提高加工精度。

3.3 側銑加工誤差

針對葉片五軸的側銑加工中，多使用五坐標聯動加工的方式，其中主要是針對非可展直紋面表面的側銑加工，并且從數學的角度來講，不能用半徑大于零的圓柱形成滾動包絡面，否則將會影響刀具的實際操作。葉片五軸加工中，可以解除葉片工件的多次調試裝卡，降低其復雜角度再定位的加工難度，不僅可以解決加工的時間，還可以避免加工誤差。這不但節約了時間，而且還大大降低了誤差，并且節約了安裝工件就位所需的工裝夾具等所需的昂貴費用。在加工中，可以針對葉片五軸運用環面刀具，根據其幾何特點，采取離散點概念，建立其復雜的基于五軸葉片曲面的數學模型，應用刀軸矢量與刀位點表示刀具的具體位置，可以通過考察工件的曲目點與刀具位置關系，得到瞬時刀位的誤差分布算法，然后再據此從宏觀上，分析刀具表面與葉片五軸工件面接觸的狀況，計算出瞬時刀位的誤差分布，并可以據此調整刀位，使其逐步達到優化的刀位，降低誤差。

3.4 轉子誤差分析

把轉子內徑和外徑光車到尺寸，精車軸孔到-0.03～-0.04的尺寸；然后就成為轉子部件，車的時候，外圓、內圓和孔都是一次裝夾；壓軸的時候也有順滑的模的，同軸度不夠，壓好軸后打跳動，一些誤差在0.08，差的更達0.15。如圖2為葉輪葉片轉子：

一般的葉片有葉根、型面和圍帶三部分，最新型的壓氣機葉片只有型面和葉根部分，一般葉根在葉根槽里，看不出來。轉子片不需要單個片子進行熱處理，材料是DW800；轉子是鑄鋁的，就是內外圓要車的。外轉定子壓入鋁座中，鑄鋁的轉子中心壓入軸，保證精度。然后定轉子再配合。根據最優刀具姿態和位置在曲面上的所有切割點，切割位置的源文件導出，可以轉換成NC代碼的五軸機床使各種類型的離心式葉輪。

4 虛擬測量技術的應用

在離心葉輪葉片五軸加工中，對于典型離心葉輪葉片零件加工，應用虛擬測量技術，結合UG編程模板與有限元分析，節省編程時間，具有實際的應用價值。

4.1 生成葉片加工誤差模型

生成葉片加工誤差模型，首先建立UG零件與毛坯的模型，然后再建立基于葉片加工的UG-CAM模型，之后創建葉片五軸加工刀具的軌跡，生成葉片加工的數控程序。在UG軟件里利用加工刀位文件仿真生成。在離心葉輪葉片UG編程模板之中，可以根據葉片五軸零件特征，利用粗加工的工序循環操作，為精加工的工步中留0.5mm的余量。

4.2 構建虛擬測量路徑

建立UG零件和毛坯模型，做好創建刀具軌跡的準備工作，并且在創建UG刀具軌跡中，對于軸頸類零件加工中，可以在工具的節點組之中，創建好粗車程序組和精車程序組，并針對五軸加工的細節設置好工件與毛坯。創建好路基軌跡之后，編輯好葉片加工的切削區域，并設置好五軸加工的切削策略。如下圖3中所示就是設置的粗加工路徑軌跡：

4.3 效益分析

在離心葉輪葉片加工中，分析葉片加工誤差，應用虛擬測量技術，實際對離心葉輪葉片進行加工模擬時，考慮其彈性變形引起誤差、塑性變形等問題，并且應該優化葉片加工工藝參數，以有效提高葉片加工精度。應用有限元分析的方法，分析離心葉輪葉片五軸加工中的變形分布規律，有效補償葉片加工中的誤差?？梢曰谔摂M測量技術的原理，在對實際的離心葉輪葉片五軸加工之中，可以準確應用虛擬測量方法，避免加工誤差的發生，在UG模塊平臺上，實現對葉片加工誤差的分析，確保實際加工精度。針對離心葉輪葉片加工中存在的問題，利用誤差虛擬測量手段，建立加工誤差高效虛擬測量方法，利用UG建立三維實體模型，對離心葉輪葉片加工進行物理仿真，有效提升加工直觀性。

5 結語

綜上所述，在實際離心葉輪葉片五軸加工中，根據離心葉輪葉片的結構特點，采取虛擬測量技術方法，并結合應用軟件實現虛擬測量，不僅可以提升加工精度，還提高離心葉輪加工質量與加工效率，值得在實際加工中推廣應用。

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（責任編輯：黃銀芳）