基于PowerMILL的葉輪工藝優化與虛擬仿真

鄒左明

摘 要：本文首先簡單介紹葉輪加工變形分析有關內容，然后通過對整體葉輪模型進行簡化，分析某關鍵采樣點變形，提出了控制約束變形的條件，也多目標優化的實現提供條件，通過構建多目標函數，為高速銑削提供一套優化的整體葉輪高速加工技術方案，最后針對高速銑削加工，對高速銑削時的刀軌優化進行簡單的介紹。

關鍵詞：葉輪；實體造型；PowerMILL軟件；刀具路徑

中圖分類號： TH12 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-153-20 引言

葉輪被廣泛地應用于航天航空、汽車、船舶、電力、核工業等方面，葉輪是發動機、汽輪機、泵、風機、壓縮機等產品上的重要零件，目前需求量相當地大，其形狀和精度的誤差對發動機的空氣動力性能和機械效率有較大影響。所以說在設備和加工任務都滿足的情況下，如何確定最佳的加工工藝、提高生產效率、減少經濟成本、關鍵是怎樣提高經濟效益的問題所在。目前，人們已經開始考慮改變切削的量，但有時效果達不到預期的要求。文章待加工葉輪是典型薄壁部件，剛度相對比較低，工藝性能差，受影響因素較多，因此，通過變形的控制，對于研究預防和控制葉輪變形在高速加工過程中具有十分重要的意義。

1 葉輪的結構

本文研究的葉輪是使用Delcam的PowerSHAPE軟件對葉輪軸進行實體建模，采用PowerMILL軟件對葉輪軸進行CAM加工，產生出葉輪流道、葉片、葉輪軸上槽等刀具路徑。根據實際情況，加工需采用五軸聯動數控機床加工，葉輪加工分粗、半精及精加工。粗加工主要用于快速有效去除每兩個葉片區間的材料。精加工主要用于葉片和葉輪流道的成型。（圖1）

由于切削機理的復雜性，目前大部分航空企業實際生產中廣泛采用經驗公式計算切削力。利用測力儀測出切削力，再將實驗數據加以適當處理，就可以有效地減少一些變形。常用控制葉輪加工變形的方法有：

1.1 改進切削工藝

可以通過高速切削刀片的措施來進行，以防止減少塑性變形，增加切削速度VC，降低它的溫度，改變結構，減小切削力，從而減小變形。

1.2 改進工藝方案

采用輔助機械。填充石膏、松香、蠟，或增加受力桿，能在一定范圍內的控制塑性變形。

1.3 改進工藝路線

先對剛性比較薄弱的葉尖進行加工，然后再對葉根部位加工。

1.4 改進一些工藝參數

精加工余量減少，采用鋒利的刀具，增加后角，因此，在后文中，我們將整體葉輪加工葉輪加工變形控制優化。獲得切削力的經驗公式。

2 確定切削刀具及參數

為了保證加工葉片的工藝要求，所選用的刀具刀刃長度應至少大于30mm，總長度應不小于80mm。葉片整體粗加工時，根據葉片之間的距離大小，選用Φ6mm硬質合金圓角端銑刀，預留0.5mm的精加工余量。精加工時采用φ6mm的球頭銑刀。選擇合適的切削用量。實際加工中可以根據機床性能修改主軸轉速和進給速度。

3 PowerMILL編程流程

葉輪加工先采用車床加工，然后再在加工中心粗加工、半精加工、精加工。

3.1 葉輪粗加工、半精加工

將葉輪軸模型導入PowerMILL模塊中，進行毛坯設置。設置毛坯，定義毛坯類型為三角形，選取巳生成的加工三角（*dmt文件），將其作為葉輪加工毛坯，毛坯設置。在編程時，為利于葉輪在機床上定位夾緊后其加工原點的確定，將加工坐標系原點定在葉輪軸右端面的回轉中心點上，坐標軸的方向與機床坐標系方向保持一致。

在PowerMILL軟件中可通過產生邊界，控制葉片的加工范圍。選取兩葉片之間的曲面如2所示，利用工具欄中“邊界”功能，在所示的“用戶定義邊界”，選擇“模型”，完成葉片加工邊界定義。

3.2 葉片精加工

加工葉片時采用SWARF精加工策略，選擇Φ6mm的圓角端銑刀，利用銑刀的側刃加工葉片。采用SWARF加工策略時，刀軸默認為自動。設置加工參數，在“多重切削”對話框，完成參數選擇與設置。刀具路徑如圖3所示。

3.3 葉輪流道精加工

曲面精加工是一種沿已選曲面上的曲面曲線進給的精加工策略。該策略不能平行于任何裁剪過的曲面邊緣運行。選取葉片與軸相交的圓角曲面，選擇 “曲面精加工”，設置加工參數，將“刀軸”設置為前傾/側傾，刀具路徑圖略。

采用同樣方法完成葉輪流道其他兩個面的精加工刀具路徑，將其添加到“曲面精加工-BM6”刀具路徑中，形成一個完整的葉輪流道精加工刀具路徑。

可以采用Vortex旋風銑，可使它產生的刀具路徑效率更高。加工效果如圖4所示。

4 結論

通過應用PowerSHAPE軟件實現葉輪軸的實體建模，PowerMILL軟件完成葉輪的五軸數控編程加工，改善了三軸數控加工多次定位問題，簡化了加工方法，提高了葉輪加工精度，為葉輪的五軸數控加工提供了切實可行的方法。