基于PowerMILL的整體葉輪高效數控加工研究

曹著明 郭家田

(①天津職業技術師范大學，天津 300222；②北京電子科技職業學院，北京 100176)

基于PowerMILL的整體葉輪高效數控加工研究

曹著明①②郭家田①

(①天津職業技術師范大學，天津 300222；②北京電子科技職業學院，北京 100176)

整體葉輪廣泛應用于航空航天、水利水電、汽車等行業的關鍵零部件中，它的加工質量和精度直接影響產品的性能和價格，所以對整體葉輪的加工制造研究意義重大。在基于PowerEMILL軟件的基礎上，開發出某型號整體葉輪的高效精密制造技術，包括工藝工裝、刀軌規劃、操作方案等。采用的工裝方案能有效避免干涉，使刀具有充足的加工空間；采用“五軸定位”模式加工流道，大大提高葉輪工件的開粗加工效率；使用“SWARF精加工”策略實現刀具的側刃加工等，經驗證采用該工藝工裝及刀軌策略能有效提高葉輪的加工效率和精度。

PowerMILL；整體葉輪；高效；加工；研究

整體葉輪大都采用復雜曲面，通過三維扭曲形成的，對零件的幾何精度要求高。同時由于整體葉輪工作在高溫高壓環境中，所用的材料都是難加工的合金材料，相鄰兩葉片之間的空間范圍狹小，加工難度大。加工整體葉輪的難點還還包括:葉片屬于薄壁類工件，加工過程很容易產生變形;葉片相對較長，剛度較低；由于相鄰葉片空間極小，使得在清角加工時只能使用直徑較小刀具，刀具容易折斷；葉片扭曲曲率大，加工時容易產生干涉。

目前整體葉輪的主要加工方法有：石蠟精密鑄造法、三坐標仿形銑削法、鑄造成型后修光法、電火花加工法等,然而這些加工方法效率較低,加工出來的葉輪質量也不高。五軸數控加工能保持良好的切削狀態，可以有效地避免干涉,提高葉輪的加工質量和效率。在五軸數控加工中,由于增加兩個旋轉自由度,使得五軸編程中不僅要設計刀具的走刀路徑，同時還需設計刀具在各個切削位置的矢量方向及干涉檢查等，因此五軸編程的計算量大而且復雜，其中刀位軌跡規劃和干涉檢查是五軸編程中的關鍵技術。

現如今在設計整體葉輪的刀位軌跡時，通用方法是采用相關CAD/CAM軟件中的葉輪加工模塊，例如，PowerRMILL軟件中有“葉盤加工”模塊，UG軟件中有“MILL-MULTI-BLADE”模塊等。這些葉輪加工模塊基本都采用參數化設計，只用輸入相關參數和特征圖素就能生成葉輪加工刀路軌跡。雖然操作簡便，但該模式編制的工藝方案必須使用球頭刀，由于球頭刀加工是點接觸，效率比較低，需要比較長的時間。同時采用參數化編程不能控制刀軸矢量的加速度，容易產生機床震動和零件上的振紋。因此開展整體葉輪刀路軌跡的優化研究是提升整體葉輪制造水平的重要研究課題之一。

1 整體葉輪加工工藝工裝

本文要研究的整體葉輪如圖1a所示，該工件為開式整體葉輪，葉片曲面側面為可展直紋面，因此葉片側面可通過刀具側刃進行銑削加工。在加工葉輪時首先進行工件的車削加工，然后完成葉輪底部螺紋孔和銷孔的加工，最后再在五軸機床上完成葉片的銑削。葉片銑削時采用的夾具如圖1b所示，夾具上表面為4個通孔加一個定位銷。通孔目的是為了穿過螺釘將葉輪毛坯鎖定在夾具上；定位銷主要目的是保證毛坯每次安裝位置一樣；夾具底部開口槽主要為方便夾具在機床工作臺的安裝。

本文介紹的整體葉輪工藝流程(表1)為:首先在數控車床上完成工件階梯軸的加工；然后在數控銑床上完成葉輪底部螺紋孔和定位孔的加工；最后在五軸加工設備——DMU MONOBLOCK60上，采用如圖1b所示專用夾具裝夾(避免主軸臥式銑削時主軸頭與工作臺干涉)，完成整體葉輪的加工，CAM軟件采用PowerMILL 2015。整體葉輪在五軸加工中心上的工步內容為：首先采用D12r1圓角立銑刀，使用五軸定位加工策略分別對6個葉輪流道進行開粗；然后采用BN4的球頭刀，使用SWARF精加工策略對6個葉片進行精加工；再采用葉盤模塊中的“輪轂精加工”策略對輪轂進行精加工；最后用SWARF精加工策略分別對葉片的底面和端面進行精加。本文設計的工藝工裝簡便、高效，節約成本。

2 相關概念——刀軸矢量與刀軌規劃

在多軸數控加工中，刀軸矢量指的是從刀具刀尖指向刀具夾持器方向的矢量，如圖2所示。在數控加工過程中，刀軸的控制模式分為固定刀軸矢量和可變刀軸矢量兩種，如圖3a所示。固定刀軸矢量指的是在數控加工過程中，刀具的刀軸矢量始終是固定不變的，如圖3a所示?？勺兊遁S矢量指的是在數控加工過程中刀具的刀軸矢量是連續變化的，如圖3b所示。

表1 工序簡表

序號工序內容刀具設備刀軌策略余量1車削階梯軸外圓車刀數控車床外圓粗精車循環02銑削螺紋孔和定位孔鉆頭等3葉輪頂部開粗D12r1立銑刀三軸聯動加工中心鉆孔循環0模型區域清除0.24葉輪流道粗加工D12r1立銑刀5葉片精加工BN4球頭刀6輪轂精加工BN4球頭刀7葉片底面精加工BN4球頭刀8葉片端面精加工BN4球頭刀五軸聯動加工中心模型區域清除(五軸定位加工)0.2SWARF精加工0輪轂精加工0SWARF精加工0SWARF精加工0

當前多軸CAM軟件中，常用的固定刀軸矢量控制模式有：“I，J，K” 模式、直線端點定義、兩個點定義、與曲線相切、球坐標定義等。常用的可變刀軸矢量控制模式有：刀軸方向遠離點、刀軸方向指向點、刀軸方向指向直線、刀軸方向遠離直線、相對于矢量(前傾側傾)、垂直于部件、4軸-垂直于部件、4軸-相對于部件、雙4軸、插補、垂直于驅動體、側刃驅動、相對于驅動體、4軸-垂直于驅動體、4軸-相對于驅動體、雙4軸在驅動體上。

刀軌規劃指的是在數控加工過程中，設計和規劃刀具的運動路線，包括刀具的走刀路線和刀具在各切削點位置的刀軸矢量方向。五軸編程的主要工作就是要完成工件的刀軌規劃，包括走刀路線、刀軸矢量、進退刀、切削參數等，其主要目的是在保證加工質量的情況下盡量提高工件的加工效率。

3 葉輪流道粗加工刀軌設計

3.1 五軸定位加工

“五軸定位加工”指的是在五軸數控機床上，在兩個旋轉軸固定的基礎上，進行3個直線軸的聯動加工，如圖4所示。五軸定位加工能減少裝夾次數，高效、靈敏地進行各個斜面上的輪廓、型腔、孔等特征的加工。在進行葉輪流道開粗加工時，常用多軸CAM軟件的葉輪加工模塊只能用球頭刀進行銑削，導致切削效率低，若采用“五軸定位加工”則能實現利用立銑刀進行葉輪流道的開粗加工，則能大大提高流道粗加工效率，如圖4b和c所示。五軸定位數控編程與三軸數控編程基本相似，只需要將編程時用的坐標系根據加工需要傾斜一定的角度即可，其他編程與三軸編程一致。由于五軸定位加工時旋轉軸不工作，旋轉軸的使用壽命相對能長一些；但由于五軸定位加工時兩個向量之間存在“加工界限”,則有可能會產生“接痕”,而在五軸聯動加工過程中則可避免該現象。

3.2 葉輪流道刀軌設計

本文介紹的整體葉輪共有6個流道，刀軌規劃思路是先完成一個流道的刀軌設計，然后旋轉生成另外5個流道的加工刀軌。進行葉輪流道五軸定位加工刀軌規劃時，首先選擇要加工的流道；然后旋轉葉輪視圖，將流道空間盡可能顯示出來(流道空間盡可能不被葉片遮擋住)；然后新建坐標系，先使用“用戶坐標編輯器”中的“和幾何形體對其并重新定位”工具確定坐標系位置，后使用“對其查看”工具使坐標系Z軸垂直于屏幕指向外側，如圖5a所示；之后沿著相鄰葉片邊界創建加工邊界(設計加工邊界時，應將加工邊界的4個頂點延伸出被加工流道區域，實現相鄰流道有部分重疊加工區域，從而避免流道粗加工時產生欠切削)，如圖5a灰白線所示。完成編程準備工作后選擇POWERMILL軟件的“模型區域清除”完成一個流道的刀軌設置(選擇設計的坐標系及加工區域)，如圖4b所示：最后通過旋轉陣列工具生成其他5個流道的刀軌，如圖5b所示。

4 葉輪精加工刀軌設計

4.1 SWARF精加工策略

“SWARF精加工策略”是PowerMILL軟件中專門用來規劃直紋面加工刀路的一種策略，這種刀軌規劃策略最顯著的特點就是使用刀具的側刃進行切削，加工過程中刀軸始終與直母線保持平行，因此可以獲得更高精度要求的加工表面質量，如圖6所示。“SWARF精加工策略”可用在復合工件和鈑金工件的精加工上，也可用來加工航空航天中復雜的型腔類工件。同時“SWARF加工策略”支持包括錐形刀在內的多種類型的刀具，這能極大地方便倒勾類特殊型面的加工，避免使用細長刀具，提高加工精度及效率。

“SWARF精加工策略”主要參數包括：曲面側(定義刀具路徑產生在曲面的內部還是外部)；徑向偏置(定義刀具直徑方向偏移出曲面的距離)；最小展開距離(限制直母線間的最小允許間距)；在平面末端展開(勾選該選項時，展開只發生在平面的末端，不勾選該選項時，將曲面完全展開)、曲面連接公差(直紋曲面在連接處允許的最大連接距離。超過這個距離時，產生提刀以避免發生過切)、底部位置(定義刀具路徑沿直母線向下銑削的最低位置。包括自動、頂部、底部和用戶坐標系4種位置)。

4.2 葉輪精加工刀軌設計

本文介紹的葉輪在精加工刀軌設計中，葉片精加工、葉片底面精加工以及葉片端面精加工都選用SWARF精加工策略，生成的刀具路徑如圖7所示。刀軌設計時，根據工藝方案，依次設定編程坐標系、毛坯、刀具等；然后再設定SWARF策略中的相關參數。在計算SWARF精加工刀具路徑前，應先選擇要加工的直紋曲面，將非工件圖素特征(輔助曲面等)設定為計算刀路時“忽略”，否則無法計算刀路；同時應根據機床結構設定合理的刀軸界限——方位角和仰角，避免刀軸矢量超行程；同時應合理考慮連接刀路、切入、切除刀路等。

4.3 輪轂精加工刀軌設計

葉輪的輪轂特征位于葉片的根部位置，如圖8a所示。在加工時由于空間狹小，同時要避免與葉片干涉，所以刀軸矢量需要連續變化，是葉輪加工刀軌設計中的一個難點。本文采用PowerMILL軟件的“葉盤加工模塊”完成輪轂精加工的刀軌設計。

刀軌設計時首先應創建包裹葉片的輔助曲面——套(該曲面應是回轉曲面，能將6個葉片的端面包裹住)，如圖8a所示。然后將左葉片、右葉片、輪轂、套分別創建一個圖層；然后打開“葉盤加工模塊”中的“輪轂精加工”策略對話框，選擇正確的坐標系、毛坯、刀具后；導入圖層中的葉片、右葉片、輪轂、套特征；然后在“Hub finishing”選項框中設定相關參數，包括葉片個數、公差、行距等；刀軸仰角設為平均輪轂法線；刀軸設定刀軸界限，根據加工設備特點，設為方位角0°～360°；仰角10°～90°(避免刀軸超行程或欠切削產生)；然后進行切入切出、連接刀路、開始點、結束點位置的設定；最后在計算刀軌前，應在“部件余量”中將“套”特征設定“加工模式忽略”，生成的輪轂精加工刀軌如圖8b所示。

5 小結

該零件的試制在DMU MONOBLOCK60上進行，系統為HEIDENHAIN ITNC530數控系統。在試制前先進行刀軌的后置處理。后置處理時應注意：設定的“輸出用戶坐標系”應為“對刀”時確定的坐標系，輸入正確的刀具編號；后處理程序成功后，根據工藝方案安裝好夾具、工件、刀具；然后在刀具測量儀上測量出刀具長度；然后在數控系統中輸入刀具參數；然后通過“TNC remo NT”在線輸入程序；最后完成工件的加工。經試制，采用該工藝方案及刀軌策略加工整體葉輪，工藝工裝簡單，成本低，粗加工時間由原來的2 h減少為0.5 h，有效提高了工件的加工效率和質量，經檢測達到了零件的尺寸和精度的要求。試制設備及試制件如圖8所示。

整體葉輪的加工是五軸加工技術的典范，它的加工技術是一個國家加工制造發展水平的重要指標之一。本文介紹了航空整體葉輪的功能、作用、加工難點；同時詳細介紹了某開式整體葉輪的高效制造方案，包括各種加工策略的原理、特點、操作流程及注意事項等。經試制，采用五軸定位模式及SWARF精加工策略進行編程，大大提高了整體葉輪的編程效率及加工質量，對該類工件的加工、制造具有很強的指導意義。

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The certain integral impeller high efficiency NC machining research based on PowerMILL

CAO Zhuming①②,GUO Jiatian①

(①Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222 CHN；②Beijing Polytechnic, Beijing 100176，CHN)

Integral impeller is the key parts widely used in aerospace, hydropower, automobile and other industries. The machining quality and accuracy directly affect the performance and price of the products. So the research on the processing and manufacturing of integral impeller is of great significance. Introduced how to developing a type of integral impeller efficient precision manufacturing technology based on PowerMILL software. It includes tooling, cutter-path planning, operation scheme and etc. The frock scheme can effectively avoid the interference of tooling and give the tools plenty of space. Adopt the “five axis positioning” mode processing flow, greatly enhance the efficiency of parts opening. Use "SWARF finishing" strategy implementation tool side edge processing, etc. Using this verified process equipment and tool path strategy can effectively improve the machining efficiency and precision of the impeller.

PowerMILL; integral impeller; high efficiency; machining; research

TG659

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.026

曹著明，男，1981年生，講師，主要從事數控加工技術研究。

(編輯 李 靜)

2016-06-22)

160931