上冠流道面開槽的數(shù)控加工研究

司亮， 李樹偉， 陳梓萱

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪是重要的部件，加工精度要求高。采用分體的結(jié)果，由上冠、葉片和下環(huán)3種部件組裝而成，為了保證葉片的裝配精度，在上冠流道面開出配合槽，葉片上加工出配合的上冠部分，進(jìn)行嵌入上冠完成精確葉片的定位。針對(duì)這種空間槽要求進(jìn)行數(shù)控編程加工。

1 加工工藝分析

上冠的理論形狀（如圖1）。在流道面上均勻地加工出配合用的深槽。槽的立面于軸線平行，外端的立面矮，內(nèi)端的立面高，底面是空間的曲面。要求進(jìn)行配合，立面必須進(jìn)行精修與葉片配合。

對(duì)于這種空間槽型，必須采用數(shù)控加工完成。槽是沿著圓周分布，槽深并且數(shù)量多。工藝上是先進(jìn)行車削完成上冠的輪廓，然后，通過數(shù)控加工完成整體摳出深槽，最后進(jìn)行精修實(shí)際配合葉片。

圖1 上冠的理論形狀

2 數(shù)控加工方法的研究

2.1 粗加工的數(shù)控加工方法

通過拔模角陰影分析，槽是沿軸線方向的深度（見圖2）紅色部分說明該面是垂直方向，沒有倒扣角的存在，可以用三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工，整體摳出的數(shù)控加工工藝方案。粗加工的目的是快速去除多余材料，我們通過三維區(qū)域清除策略來實(shí)現(xiàn)高速加工。

有關(guān)高速加工技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代，由德國物理學(xué)家索羅門博士所提出并獲得德國專利的高速切削技術(shù)，有的資料也稱為索羅門原理，即每一種被加工材料都有一個(gè)臨界切削速度，在切削速度達(dá)到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大，而當(dāng)切削速度達(dá)到普通切削速度的5~6倍時(shí)，切削刃口的溫度開始隨著切削速度的增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減?。?］。

到目前為止，理論上對(duì)高速切削加工沒有形成一致的概念。一般可以用兩個(gè)指標(biāo)來衡量：1）高轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速在1200 r/min；2）快進(jìn)給量，每分鐘幾十米甚至幾百米。早期我們采用的是常規(guī)的數(shù)控編程方法，使用區(qū)域加工策略，由于空間槽存在上高下矮的立面，使用區(qū)域加工會(huì)產(chǎn)生大量的空走刀路（見圖3），浪費(fèi)加工時(shí)間嚴(yán)重，上冠上有圓周分布的15~30個(gè)槽，數(shù)量多，批量大，對(duì)于提高加工效率是很有意義的工作。

在這里采用了專業(yè)的數(shù)控編程軟件進(jìn)行數(shù)控加工編程，使用了三維模型區(qū)域清除的策略，依據(jù)毛坯的大小，通過小切削深度和大進(jìn)給量來實(shí)現(xiàn)高速加工，輪廓和賽車線光順，刀路連接也處理光順，沒有切削力突變和尖角轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象，給定主軸轉(zhuǎn)速1500 r/min，切削進(jìn)給率2000 mm/min，下切進(jìn)給率300 mm/min，掠過進(jìn)給率5000 mm/min，粗加工完成所用時(shí)間是24 min46 s。而早期的區(qū)域加工的時(shí)間是1 h6 min3 s，主要是常規(guī)方法存在大量的尖角轉(zhuǎn)向和空走刀路，切削速度無法提高。為了進(jìn)一步提高效率，使用了賽車線加工技術(shù)，隨著刀具路徑切離主形體，粗加工刀具路徑將變得越來越平滑，這樣可以避免刀具路徑突然轉(zhuǎn)向，從而降低機(jī)床負(fù)載，減少刀具磨損，實(shí)現(xiàn)高速切削，可以計(jì)算出符合高速加工工藝要求的高效的刀具路徑，大大減少了刀具路徑的空行程，因而也減少了不安全的切入和切出刀具路徑段，在提高效率的同時(shí)保證了刀具安全。

2.2 半精加工、精加工的數(shù)控編程方法研究

在半精加工、精加工中，采用了SWARF精加工的策略，使用驅(qū)動(dòng)曲線來進(jìn)行控制刀位軌跡，可以求出非常優(yōu)化的軌跡，使得刀路軌跡光順，而且，切削點(diǎn)分布均勻，有效提高了表面質(zhì)量。由于SWARF精加工策略的條件是合并和偏置向上兩種。使用偏置向上，依據(jù)上限條件是頂部，這樣計(jì)算出的刀具路徑在流道面自動(dòng)中斷，用連接方式將每段刀具路徑直接連接起來（見圖4），這樣的刀具路徑安全可靠，優(yōu)化處理效果好，可以大幅度提高加工效率。

圖3 平行刀路存在大量空走的刀路

圖4 偏置向上的刀具路徑

由于是配合的槽，要求進(jìn)行精修加工，進(jìn)行實(shí)際配合葉片，這時(shí)要求高精度的數(shù)控加工，就要采用SWARF精加工中的合并條件，去掉了每段的連接，形成連續(xù)不斷的路徑，確保刀具路徑連續(xù)沒有斷點(diǎn)，行程完全封閉的路徑，這樣加工處理的槽表面質(zhì)量高，非常適合配合面的加工。

3 數(shù)控加工的仿真模擬

數(shù)控編程都要求進(jìn)行模擬仿真操作，刀具路徑、刀具、夾具進(jìn)行過切和碰撞性檢查。在計(jì)算生成刀具路徑時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了自動(dòng)檢查，并提示刀具路徑當(dāng)前的狀態(tài)。在數(shù)控編程軟件內(nèi)部也可以進(jìn)行ViewMill，檢查激活刀具路徑的碰撞或過切，可以計(jì)算出碰撞的深度，調(diào)節(jié)刀具。計(jì)算過切區(qū)域，進(jìn)行分割刀具路徑。在碰撞和過切檢查完畢，可以確定刀路安全（見圖 5）。

圖5 仿真模擬檢查

4 結(jié)論

通過對(duì)上冠流道面配合槽的數(shù)控加工，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。使用了高速加工的理論指導(dǎo)數(shù)控加工，保護(hù)了數(shù)控機(jī)床，減少了刀具的模式，提高了加工的效率，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，有效保證了轉(zhuǎn)輪模型的質(zhì)量。

［1］ 朱克億.PowerMill高速數(shù)控加工編程導(dǎo)航［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.