基于HyperMILL環境下五軸聯動葉輪加工技術的實踐教學研究

夏 雨

(浙江工商職業技術學院 機電學院, 浙江 寧波 315012)

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基于HyperMILL環境下五軸聯動葉輪加工技術的實踐教學研究

夏 雨

(浙江工商職業技術學院 機電學院, 浙江 寧波 315012)

在HyperMILL軟件環境下,以整體葉輪為例,利用TOPNC VMC-C50五軸高速機床,提出一套對整體葉輪五軸數控加工工藝整體方案，并設計了加工路線、刀路軌跡、切削方式的等工藝參數,生成了整體葉輪的后置處理程序。加工結果表明:通過刀軌的檢查與實際加工及時發現刀具跟零件之間有無過切,提高了葉輪加工的質量,提高了生產效率,對整體葉輪零件加工工藝方案制定具有實際指導意義。

整體葉輪； 數控加工； 五軸聯動； HyperMILL

1 五軸聯動數控機床

整體葉輪是高端裝備制造中極為核心的部件,涉及軍工、船舶、航空等各個行業中應用廣泛,是典型的復雜的管道類復雜零件,整體葉輪的制造反映整個國家裝備制造的整體水平,因此整體葉輪的制造水平衡量一個國家工業水平的發展。傳統的葉輪加工方法是將葉片和輪轂采用不同的毛坯分別制造加工,最后通過焊接在輪轂上,用這種方法加工的輪轂技術落后,尺寸和精度難以保證。以工作界面涉及到空氣和液體等介質,因此對工作面的加工精度和表面質量有較高的要求[1-3]。整體葉輪具有加工刀具路徑約束較多、葉輪之間空間小等特點,造成刀具和工件容易干涉,是典型的難加工復雜曲面零件。本文以典型的整體葉輪的加工實例介紹基于HyperMILL的五軸數控加工技術,對復雜曲面整體葉輪進行加工仿真研究,并運用五軸機床完成實際整體葉輪加工,為合理規劃整體葉輪加工工藝,提高葉輪的加工效率和加工精度提供實際參考[4-6]。圖1為五軸聯動數控機床照片。

圖1 五軸聯動數控機床照片

2 整體葉輪加工工藝方案

2.1 實例模型分析

葉輪的主要結構有葉轂、主葉片、分流葉片、葉根圓角等(見圖2),整體葉輪的加工主要是針對這些結構的粗加工和精加工。葉輪的加工主要由五軸聯動加工中心完成,若直接選用圓柱形毛坯加工,去除余量的時間太久,高檔機床加工的用時太久、成本較高,所以先用數控車床去除大部分余量后,再安裝到五軸聯動加工中心上進行加工[6]。葉輪在五軸聯動機床上的裝夾可通過葉輪中心的孔和底平面用一個圓柱銷和平臺進行定位,在上部用螺栓和螺母進行夾緊。采用此方式固定裝夾方式安全可靠,可以提高生產效率,且可以保證零件的位置精度,加工時間也大幅減少。

圖2 整體葉輪模型

2.2 整體葉輪加工工藝分析

整體葉輪在切削的過程中容易變形,因葉片之間的距離很小,葉片整體太薄,切削用量的大小關系到整體葉輪表面質量，切削速度的快慢容易造成加工區域變形。根據以上原因,結合機床性能、刀具的性能、加工材料以及試切過程得出加工工藝參數[7]，再結合HyperMILL中葉輪加工模塊的刀路類型制定的加工工藝見表1。

表1 加工工藝表

3 模型加工編程過程安排

3.1 毛坯的建立

(1) 設定毛坯類型為圓柱體,零件材料為LY12鋁棒,尺寸為Φ60×40 mm,零件長度和直徑尺寸已在數控車床加工完成,在具體的加工過程中應根據零件的實際尺寸和毛坯來確定。整體葉輪的加工過程中,首先是葉輪流道粗加工,除了預留給半精加工的余量外,其他的加工余量全部去除,接著對葉片和輪轂半精加工和精加工,完成葉輪的全部加工。

(2) 五軸聯動加工工序。采用HyperMILL軟件加工葉輪,加工工藝必須符合加工刀路生成的要求,利用HyperMILL加工模塊主要有3個加工策略:第一個加工策略是流道的粗加工,第二個策略是葉片精加工,主要包括主葉片和分流葉片,第三個策略是輪轂的精加工[8]。對葉輪進行整體粗加工,去除葉輪流道葉片之間的多余材料,留出半精加工和精加工的余量,接著對葉片和輪轂進行半精加工和精加工,直至完成整個葉輪的加工[9]。

(3) 整體葉輪加工運用TOPNC VMC-C50五軸高速機床。TOPN CVMC-C50為高速機床,數控系統為廣州數控系統,該系統是為了實現數控加工所要求的高速、高精度和高效加工開發的高可靠性數控系統,該系統運算速度快,程序傳輸準確可靠,采用高速處理器、伺服系統及CNC模塊,完全支持五軸機床高速加工,具有很高的機械加工效率。

3.2 整體葉輪加工步驟的劃分

按零件圖紙尺寸的要求,確定毛坯的尺寸,盡可能節約材料,去除多余材料使加工時間越少；依據保證加工精度和效率的原則,把整體葉輪按照加工的設備劃分為數控車加工、鉆孔、攻絲和五軸聯動加工等幾個加工步驟[10]。

(1) 數控車加工、鉆孔和攻絲階段。為了使葉輪能夠在五軸聯動機床上一次加工成形,減小多次裝夾造成的誤差,利用數控車床把毛坯加工成形,加工過程的程序為:

數控車程序

O0010；

M03 S1200；

T0101；

G00 X65 Z2；

G73 U20 R5；

G73 P1 Q2 U1.5 W0.02 F0.15；

N1 G01 G41 X20 F0.2；

Z0；

……

N2；

G00 X100 Z150；

M30；

(2) 整體葉輪工序安排。運用HyperMILL在整體葉輪五軸聯動加工中心的粗加工方案一般為五軸模塊化,加工過程中注意刀具和工裝方向,裝夾位置要合理,避免刀具與夾具碰撞。同時注意進刀和退刀的方向,退刀要退出工件模型之外,避免撞刀。在對葉輪根部清角加工過程中,要設置合理的進刀和退刀方向以及距離，裝夾位置合理,避免刀具與夾具碰撞[11-12]。

HyperMILL在五軸聯動加工中有專門的葉輪加工模塊,在進行粗加工中葉片之間的流道尺寸盡可能選用尺寸大的刀具,伸出的長度也不宜過長,只要滿足加工深度要求就可以。本整體葉輪選用Φ6R1mm的錐型銑刀,使用葉輪加工模塊對整體葉輪進行開粗,去除多余材料。

整體葉輪切削加工中精加工針對4個區域:葉轂、主葉片、分流葉片和葉根圓角。葉轂、主葉片、分流葉片部分選用ΦD3R1.5和ΦD2R1.的選擇帶錐度的球頭刀進行加工,錐度有利于提高刀具的剛性,葉根圓角采用ΦD3R1.5、ΦD2R1的球頭刀進行加工。

(3) 整體葉輪五軸加工刀路軌跡。整體葉輪由HyperMILL軟件完成加工,通過對整體葉輪模型的分析,按照軟件葉輪加工模塊設定加工策略和加工方法,合理選取刀具和切削用量,優化加工刀路軌跡,對整體葉輪生成軌跡圖[13-14]，見表2。

表2 HyperMILL整體葉輪加工軌跡圖

(4) 葉輪加工代碼生成。HyperMILL提供了一個專門的后處理定制工具軟件模塊——hyperPOST,它可以方便地幫助用戶定制某些特有的NC控制系統的后處理驅動,根據本機床的坐標系和旋轉軸的模式,根據廣州數控系統的機床模塊設置后置處理器,轉換成廣州數控控制系統格式的后置處理,將刀路文件轉化成機床識別的NC代碼。

(5) 葉輪仿真加工與實體驗證。通過軟件仿真可以模擬加工真實環境、刀具加工路徑和切除材料完成后的零件,并與實際零件圖對比,檢驗程序是否正確與可靠。在HyperMILL-CAM環境下對刀路軌跡仿真,對刀具選擇、走刀路線的正確性做出判斷[15]。通過刀具干涉和碰撞檢查,可以提高程序和機床的安全性。由于五軸加工中心機床旋轉部件多,運動復雜,程序后置完成后對加工的驗證十分關鍵。為了提高五軸加工的應用水平和編程效率,必須提高仿真加工的實際應用水平,對于當前市面上很多的五軸機床,型號不同,機床尺寸也不同,HyperMILL自帶仿真模塊難以完成實際仿真。集成專業的數控加工仿真軟件Vericut集合了市面上主流的機床型號,并且可以根據機床實際尺寸量身創建一臺機床模型,實現機床加工過程的運動仿真。整體葉輪的仿真加工可劃分為4個工序,數控車床—鉆孔—攻絲—葉輪加工,在加工過程中應注意先后順序,按照工藝表中進行加工。

通過TOPNC VMC-C50機床完成零件的加工,如圖3所示。通過精度測量表明:運用HyperMILL-CAM軟件編制程序與加工路徑,并運用仿真加工，加工結果與實際加工出的零件結果一致,經檢測零件精度符合圖紙要求,經檢驗合格。

圖3 葉輪加工圖

4 結語

整體葉輪零件是特殊的零件,其特點是結構復雜,加工難度大,尺寸、位置、表面粗糙度等加工精度要求較高,整體葉輪工作環境對制造的水平要求較高,加工質量直接影響整體葉輪的工作性能。因此,要制造出性能與質量很高的整體葉輪,不僅取決于毛坯的材料性能,加工工藝和制造方法也同樣重要。

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Practical teaching research on processing technology of five axis linkage impeller based on HyperMILL environment

Xia Yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhejiang Bussiness and Technology Institute, Ningbo 315012, China)

Under the environment of HyperMILL software, taking integral impeller as an example, it forwards a set of general scheme of five axis NC machining technology of integral impeller by using VMC-C50 TOPNC five axis high speed machine tool. It also devises the processing route, tool path, cutting process and other technological parameters to generate the post processing program of integral impeller. The result of the test shows that it can improve the production efficiency by improving the quality of impeller machining through the examination of the tool path and timely discovery of whether there exists over cut between the tool and the part. The test result mentioned above has practical guide for the formulating of the processing technology program for integral impeller.

integral impeller; NC machining; five-axis linkage; HyperMILL

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.018

2016-04-19

浙江省軟科學項目(2013C35083)；浙江工商職業技術學院科研項目(2015Z02)；浙江工商職業技術學院教改項目(Ktjg201522)

夏雨(1979—)，男，江蘇蘇州，學士，講師，主要研究方向為先進制造業、高等職業教育研究.

E-mail：xyzjnb@163.com

G642.0；TG519.1

B

1002-4956(2016)11-0071-04