整體葉輪產品造型和數控加工

許海童

摘 要：基于大型CAD/CAM軟件系統，完成復雜產品整體葉輪產品實體造型和五坐標數控加工工藝規劃，為復雜產品的模型建立和多坐標數控編程提供了設計思路和方法。

關鍵詞：整體葉輪；實體造型；數控加工工藝規劃

1.前言

本文基于MasterCAM軟件系統，研究了葉輪的造型特點，對整體式葉輪產品進行數控加工工藝規劃，為復雜產品的造型和數控編程提供了設計思路和方法。

2.整體葉輪產品造型

葉蓋和葉軸為回轉體，是一類幾何特征明顯，在生產實際中有一定代表性的結構圖形，它的設計與造型相對比較簡單。但葉輪的葉片通常為復雜曲面，設計與造型過程比較復雜，需要空間構造點，（這些點在三坐標測量儀上測量得到）將這些點連接成合適的B樣條線，再以B樣條線生成自由曲面，葉片曲面經過縫合形成葉片實體，通過與葉蓋和葉軸實體的布爾運算，畫好整個葉輪如圖1所示。設計葉輪整個產品需進行詳細的分析，滿足設計指標也需要制造環節來保證，如果制造技術薄弱，葉輪的整體性能必將受到影響，因此葉輪的設計與制造是密不可分。

本文研究直徑為φ200mm的整體葉輪（如圖1所示），此葉輪設計圖樣提供的已知數據，為葉片中性曲面上邊和葉蓋表面的下邊兩條空間曲線的離散點坐標如圖2所示，（這些點是在三坐標測量儀上測量得到），以及葉蓋和葉軸的直徑、高度和葉輪各部位的厚度值（這些數據由表卡測量）。筆者通過對此葉輪的曲面特征進行分析并在已知數據的基礎上，對其構造方法進行了如下研究。

2.1葉蓋和葉軸造型

葉蓋和葉軸的造型比較簡單，只需要建立葉蓋和葉軸的截面線，通過中心軸旋轉360度即可完成（如圖3所示），這里就不再詳細講解。

2.1葉片造型

葉片的建立主要是要控制好兩條曲線的扭曲程度，運用合理的生成曲面方法建立曲面。要建立好曲線以及曲面的扭曲效果，應滿足以下幾點要求：

（1）曲線滿足葉輪實體產品的精度要求。

（2）曲線按照曲面的特征方向構造，盡量達到少使用曲線、且曲線的曲率變化以最平緩為目的。同一方向的曲線要有相似的曲率變化趨勢。

（3）曲線在曲面上分布的密度在允許范圍內應盡量降低。在曲面曲率變化大處，布置較密的曲線；曲面曲率變化平緩處，布置較少的曲線。

（4）曲線主要是通過樣條線描述，在保證精度的前提下，盡量降低樣條線的段數和階數，一般建議生成三階或四階曲線。

（5）曲線的光順性調節是非常重要的，利用軟件的相關功能模塊進行調節。曲線經過光順處理后，在數學上保證連續，沒有多余拐點，曲率變化均勻。

按照上述原則，將圖2 所示的點連接起來，通過MasterCAM軟件調節光順后的兩條曲線。再將曲線的兩端用直線連接起來，使用MasterCAM軟件的昆式曲面生成葉片中性曲面。

由于葉片沿葉輪的徑向和葉片的高度方向的厚度均在變化，在構造葉片兩側的曲面時，分別做葉片中性曲面曲線1和曲線2沿葉輪軸線方向作葉蓋表面的法線，并在此法線上偏移相應的葉片厚度的一半，則可形成四條變距曲線，將四條變距曲線上的對應點相連接起來，再使用曲面造型功能形成封閉曲面。

葉片曲面經過縫合形成葉片實體，將單個葉片實體以葉輪中心軸線旋轉36度，形成10個葉片，最后與回轉的葉蓋和葉軸實體進行布爾運算相加，得到整體葉輪的實體造型。

3.數控加工

數控加工是目前國內外廣泛采用的加工葉輪的方法。整體葉輪的加工難點主要表現如下。

（1）整體葉輪的形狀復雜，其曲面多為非可展扭曲直紋面，只能采用五坐標或以上坐標的機床進行加工。

（2）整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上隨著半徑的減小，通道越來越窄，因此加工葉輪葉片曲面時除了刀具與被加工葉片之間發生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發生干涉。

（3）刀位規劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡不是很理想。由于五坐標機床刀具運動的復雜性，數控編程也較為困難。對于五坐標機床，不管是哪種類型，由于均具有兩個回轉坐標軸（C軸和A軸），相對于靜止的工件來說，其運動合成可使刀具軸線的方向在一定空間內（受機構結構限制）任意控制，從而具有保持最佳切削狀態及有效避免刀具干涉的能力，五坐標加工可以獲得比三坐標加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜母線類零件或異型復雜零件的高效、高質量加工。

3.1數控加工的刀軸控制

五坐標加工與三坐標加工的本質區別在于：在三坐標加工情況下，刀具軸線在工件坐標系中的方向是固定的，它始終平行于Z軸；而在五軸加工中，刀具軸線在工件坐標系中一般是不斷變化如所示。這就涉及到刀軸控制方式的確定問題。常用的刀軸控制方式有以下幾種。

（1）垂直于表面方式。所謂垂直于表面方式是使刀具軸線始終平行于各切削點處的表面法矢，由刀具底面緊貼加工表面，對切削行程間殘余高度作最大限度的抑制，以減少走刀次數和獲得高的生產效率。該方式一般用于大型平坦的無干涉凸曲面端銑加工。

（2）平行于表面方式。平行于表面方式是指刀具軸線或母線始終處于各切削點的切平面內，對應的加工方式一般為側銑。這種方式主要應用于直紋面的加工，由圓柱或圓錐形銑刀側刃與直紋面母線接觸可以一刀加工成形，效率高而且表面質量好。

（3）傾斜于表面方式。該方式由刀軸矢量在局部坐標系中與坐標軸和坐標平面所成的兩個角度α和γ，該方式在五軸加工中常用。

3.2整體葉輪數控加工工藝

傳統的葉輪加工方法是葉片和輪盤采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪盤上。此方法不僅費時費力，且葉輪的各種性能難以保證。多坐標數控技術的發展使得葉輪的整體加工日益普及。葉輪整體加工是指輪盤與葉片在同一毛坯上加工成形。其數控加工過程大致包括以下幾個主要工序：①粗加工； ②半精加工；③精加工。下面對葉輪五坐標數控加工工藝進行規劃。

（1）用φ16 R0.8的合金刀把對葉輪整體進行粗加工。

（2）用φ10 R5的合金球頭圓柱銑刀對葉輪整體進行半精加工。

（3）用φ8的合金銑刀對葉輪的葉輪外形和葉軸孔精加工。

（4）用φ6 R3的合金球頭圓柱銑刀對葉輪的葉蓋表面、葉片前、后背面、葉片的上表面和夾角清角精加工。

3.2.1粗加工

曲面零件的加工一般都需經過粗、半精和精加工過程。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點是加工效率，要求大的進給量和盡可能大的背吃刀量。以便在較短的時間內切除盡可能多的材料，對表面質量的要求不高，當零件毛坯與最終零件形狀存在較大差別時，其粗加工時間可能為精加工的5～10倍，以至更多。因此，提高粗加工效率對曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。

曲面粗加工一般可采用兩種方法：偏置法和層切法。偏置法適合于毛坯形狀與零件形狀相似的情況，如鑄造與鍛造的毛坯，否則將產生較多的空行程而影響加工效率。而對于沒有經過預處理或加工的毛坯常采用層切法加工比較合理。層切法是用一系列假象水平面與零件面和毛坯邊界截交，得到一系列二維切削層。然后用平底刀對各切削層進行分層加工的原理。

在MasterCAM軟件中利用曲面挖槽粗加工對葉輪進行開粗（既為層切法）。編制程序前要分析葉輪的相關參數，工件的材質，考慮采用多大的刀具和刀具類型比較合適，建立加工的區域線，以及在加工過程中的進給速度、主軸轉速、吃刀用量和進刀方法等。通過對葉輪的分析，粗加工時采用φ16 R0.8的合金刀把加工，粗加工刀具軌跡。

3.2.2半精加工

由于很多曲面粗加工都是采用層切法，往往在粗加工以后都留有很多的殘余量，如果在這種情況下就直接采用精加工，是達不到加工質量的要求，而且對刀具的磨損會很嚴重，所以在執行粗加工以后，通常會設計一個半精加工的刀路，以保證精加工后產品的質量。葉輪在粗加工時采用的刀具直徑比較大，所以夾角處還留有很多的殘余量，即可采用φ10 R5的球頭圓柱銑刀對其進行半精加工，由于葉片和葉蓋之間形成一個小余90°的夾角，所以利用可變軸曲面輪廓銑對夾角進行開槽加工，開槽加工的位置選在氣流通道的中間位置。為了使開槽加工時，刀具不會與葉片曲面發生干涉，刀軸矢量應為氣流通道兩側葉片曲面的矢量和，并從葉輪中心向外緣分段銑削加工。

采用球頭圓柱銑刀，從兩葉片中間開始向兩側擴槽。擴槽刀具路徑取決于葉輪氣道出口處輪廓表面的殘留余量的允許值，應盡可能少一點吃刀量，以防崩刀，經開槽半精加工時的葉輪道路軌跡。

3.2.3精加工

精加工是保證零件質量的關鍵。要合理安排精加工的刀具路徑和刀具類型，在保證零件質量的前提下以較短時間內順利完成，而且保證加工尺寸和設計時的尺寸在允許公差范圍之內。精加工通常也分為兩種加工方法：偏置法精加工和沿面精加工。偏置法是指刀具沿加工外形輪廓分層加工，這種加工適合加工直紋面或外形輪廓線；沿曲面精加工則是刀具沿曲面特征依次加工，通常是對復雜曲面的精加工。葉輪在半精加工以后，表面還留有0.1mm的余留量，除葉輪的最大外形和軸孔是直身面以外，其它面都是扭曲的曲面。所以在加工最大外形和軸孔時采用φ8的圓柱銑刀用偏置法精加工以外，其它曲面都采用φ6 R3的球頭圓柱銑刀用可變軸曲面輪廓銑精加工，刀軸隨曲面的變化而改變，通過控制刀具軸、投射方向和驅動方法，可變軸曲面輪廓銑可以順利完成葉輪實體曲面精加工。

在葉輪加工中，有時過切是不能完全避免的。這里有多方面的原因，除了刀具選擇、驅動面的選擇以及邊界約束條件的定義等方面的原因之外，常常是由于葉輪設計造型、葉片扭轉較大，引起刀具軸的擺角變化很劇烈，在刀具中心的線位移很小時，若擺角變化值很大，就往往造成過切。如果不能完全消除過切，就只能反復調整參數，把過切量調到最小，最好限制在工程允許的誤差之內，減小誤差。

4.結束語

目前，使用大型CAD/CAM軟件對復雜曲面進行設計和數控加工，是現代制造技術研究中不可或缺的重要內容，代表著制造業的發展方向和趨勢，同時也只有通過五軸數控加工才能保證整體葉輪類零件的順利生產。

參考文獻：

[1]唐榮錫.CAD/CAM技術.北京：北京航空航天大學出版社，1994