汽輪機葉輪曲面加工干涉問題的分析與處理

王安知

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004；2.廣西機電技師學院，廣西柳州545005）

汽輪機葉輪曲面加工干涉問題的分析與處理

王安知1，2

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林541004；2.廣西機電技師學院，廣西柳州545005）

采用五軸聯動加工復雜曲面時，易引起刀具與工作臺、夾具及工件發生干涉，刀具干涉直接影響五軸加工技術的效率，文章以汽輪機葉輪曲面為例，分析和研究五軸加工中干涉的問題，得出一種有效避免五軸加工中出現干涉的方法。

葉輪曲面；加工干涉；五軸加工

在機械加工中，五軸加工技術的優勢性越來越明顯，然而，如圖1所示，對于如汽輪機動葉片這些結構復雜的曲面類零件的加工中，刀具發生干涉是直接影響著其加工的質量和效率，下面通過汽輪機葉輪曲面分析五軸加工中出現的干涉以及處理的方法。

圖1 汽輪機葉輪

1 產生干涉的形式與種類

刀具干涉是指刀具的刀刃切入被加工曲面或刀桿與被加工曲面、夾具等約束表面發生碰撞。在復雜曲面的加工中，刀具與曲面發生干涉的主要表現為三種形式：①刀刃與曲面的干涉即刀刃在垂直與進給方向的平面上的投影曲線的曲率小于在該方向上的法曲率而造成刀具對曲面的過切。②刀具底面與曲面的碰撞干涉。③刀具與曲面或夾具發生碰撞。根據干涉的產生原理可將刀具干涉分為局部干涉和全局干涉兩種。全局干涉是指在加工過程中，刀具、夾具、工件及機床各種機械之間的碰撞，這種碰撞危害性很大，直接影響到后續加工過程的進行，還給人身安全帶來威脅；局部干涉主要是指刀具在對曲面加工對象產生的少切、過切、漏切的現象，容易導致加工零件誤差過大，產品不合格，更有甚者是嚴重損害零件。

2 避免加工干涉的策略

（1）全局干涉的避免策略。全局干涉包含刀具、夾具、工件及機床各種機械之間的碰撞，下面以其中刀軸與工件碰撞為例進行分析，當刀軸到曲面之間的最小距離dmin小于刀具的半徑時，則發生碰撞，如圖2所示，當刀軸到曲面之間的最小距離dmin大于刀具半徑時，則避免發生干涉，如圖3所示。

圖2 發生干涉

圖3 無干涉

（2）局部干涉的避免策略。局部干涉（又稱過切干涉），主要表現為曲率干涉和刀底干涉。①曲率干涉。對于加工曲面的凸區域部分不會出現刀具干涉的現象，因為曲面沿著任何方向的曲率都是負值（如圖4-A面）；而對于非凸區域部分的曲面（如圖4-B面），如果刀具的有效曲率半徑大于曲線的曲率半徑，則該處發生刀具干涉現象，產生過切。對于這種情況，只要找出加工曲面的最小曲率半徑，選擇合理的刀具半徑，通過擺動刀軸或者旋轉工作臺的方式就可以避免刀具的干涉。②瓶頸干涉。在加工過程中，有效的切削刀具半徑小于曲線的曲率半徑可以避免刀具的過切現象，但是在采用平底刀（如圖5所示）加工過程中，可能由于刀具的擺動或葉片的震動等各種因素而導致切削刃切入工件，這種干涉即為瓶頸干涉。

圖4 葉片凹凸區域曲面

圖5 刀底干涉現象

為了避免產生瓶頸干涉，在實際加工中刀具的前傾角要大于保證不發生瓶頸干涉的最小前傾角，即α＞αmin。在局部坐標系圖6中得到該最小前傾角的計算式為：

圖6 局部坐標系

圖7 刀軸的設置

對于采用平頭銑刀進行加工曲面而引起的加工干涉，常用的解決方式是軸向移動法和軸線擺動法（如圖7所示）。采用軸向移動法，由于不能保證刀位點與輪廓線始終保持接觸，在加工中可能出現欠切的現象；而采用軸線擺動法則算法復雜，調整困難。因此，在葉片的加工中選用球頭刀切割圓柱形零件上產生的效果更好，因為刀軸的形態對加工面并沒有多大的影響，容易避免局部干涉的發生且能保證較好的切削性能。文章采用的是五軸機床屬于單擺頭轉臺機床，且采用的是螺旋方式切削加工，前傾角α=0，可通過調整側偏角來控制刀軸矢量即可避免局部干涉的問題。

3 結語

文章通過汽輪機葉輪的加工，得出如何快速調整刀軸的角度解決五軸加工曲面干涉的問題，從而達到提高加工效率和加工質量的目的。

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Analysis and Treatment of Machining Interference of Turbine Impeller Surface

WANG An-zhi1，2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，Guangxi 541004，China；2.Guangxi Institute of Mechanical and Electrical Technologists，Liuzhou，Guangxi 545005，China）

When machining complex surfaces with five axes，it is easy to interfere with the workbench,fixture and workpiece. The tool interference directly affects the efficiency of the five-axis machining technology Taking the turbine impeller surface as an example，the paper analyzes and studies the five-Interference problem，a way to effectively avoid interference in the five-axis machining.

impeller surface；machining interference；five-axis machining

TG659

A

2095-980X（2017）03-0018-02

2017-02-22

王安知（1981-），男，主要研究方向：數控應用技術。