無人機薄壁葉輪五軸高效數控加工技術

付 林

（湖北輕工職業技術學院，湖北 武漢 430070）

1 無人機薄壁葉輪五軸高效數控加工工藝

1.1 設備及材料的選型

機床方面選擇德瑪吉HSC-75linear立式五軸聯動高速機床，主軸最大轉速為24 000 r/min，最大進給速度為100 m/min，配備容量為28刀位的鏈式刀庫。刀具選擇高速銑削專用的銑刀，共分為兩種類型：一種為BN8型，直徑為8 mm，形狀為球頭形，材料為硬質合金，總長為100 mm，最大切削長度為40 mm，主要應用于葉片和輪轂的半精加工；另一種為BN6型，直徑為6 mm，形狀為錐形，材料為硬質合金，總長為80 mm，最大切削長度為40 mm，主要應用于葉片和輪轂的精加工。夾具方面，結合毛坯材料的形狀設計了專用夾具，在保證裝夾穩定的前提下，簡化夾具的結構，操作更加方便。

1.2 工藝路線的確定

在遵循“先面后孔、先粗后精、先主后次”加工順序的前提下，確定無人機薄壁葉片五軸數控加工的工藝路線[1]，一套完整的工件加工流程可以分為粗加工、半精加工和精加工三個階段，部分結構簡單的工件可以在粗加工結束后直接進行精加工處理，以提高加工效率。雖然無人機薄壁葉片的結構比較簡單，葉片扭曲較小，但是對于加工精度要求極其嚴格，因此，在實際加工中不可以省略半精加工工序。在對毛坯材料完成粗加工以后，還需要完成半精加工，方可進入精加工環節。由于粗、精加工的作用不同，對數控加工的工藝參數（如主軸轉速、進給量等）也提出了不一樣的要求[2]。在實際加工中需要根據工藝方案靈活調節具體參數，才能保證加工精度。

1.3 刀具軌跡的規劃

葉輪加工主要分為粗加工、半精加工和精加工三道工序，相應地需要對每一道工序分別規劃刀具軌跡。其中，在粗加工過程中，要求快速去除毛坯上的多余材料，提高整體加工效率[3]。在粗加工刀具的軌跡規劃時，借助于Power Mill軟件提供的“葉輪加工”模塊來實現。啟用該功能后，在彈出的對話框中可以分別設計“快進”“下切”“切削移動”等參數。保存設計參數后，利用葉盤區域清除功能實現對毛坯材料葉盤區域的粗加工。完成第一遍粗加工后，還要采用“3+2”固定軸清除方法，進行二次粗加工。該加工方式的優點在于：一是可以直觀地顯示剩余毛坯的實時變化情況，以便于找出實際加工區域，并尋找最佳的下刀點，減少無效走刀的距離，從而提高加工效率；二是顯著降低刀具切入、切出材料時的沖擊力，對提高切削面的加工精度以及保護刀具、減少刀具磨損有積極幫助[4]。

2 葉輪五軸高效數控加工的仿真

2.1 構建機床模型

以五軸聯動數控機床的實際參數為依據，在VERICUT軟件中構建機床的三維模型。模型框架建成以后，再將提前準備好的機床部件（保存格式為STL）逐個添加到框架中。通過調整部件的位置以及設置部件之間的聯動和約束條件，可以得到具有仿真功能的五軸數控機床模型。設置機床模型的詳細參數，例如主軸轉速、進給量、背吃刀量等[5]。

2.2 創建刀具庫

在VERICUT軟件中創建刀具庫，需要對刀柄和刀桿分別設計參數，這樣可以保證刀具加工面的仿真效果與實際效果更符合。刀具庫中應包含車刀、鏜刀、銑刀等多種常用的刀具[6]。同時，考慮到仿真加工過程中可能存在同一種刀具在多個地方同時使用的情況，因此在刀具庫的設計中增加了一個“讀取刀具”的功能。每次打開刀具庫需要調用刀具模型時，系統會自動讀取“TOOL_HSC75.tsl”文件。只有當前刀具庫中有符合使用需求的刀具，才能被系統正常識別并使用。在創建刀具庫時，也可以對每一種刀具的幾何特征參數進行詳細設置，如刀具的刃數、裝夾點、裝夾方向等。在創建刀具的界面中，左側自定義刀具參數后，在右側的刀具顯示界面可以呈現刀具模型的細節[7]，方便設計者向刀具庫中添加不同類型的刀具，以滿足工件加工的實際需求。

2.3 葉輪五軸加工仿真驗證

由于無人機薄壁葉輪的數控加工過程較為復雜，為了減少工作量，本文在仿真過程中只針對刀具的走刀軌跡和機床的運動軌跡進行仿真。選擇兩臺機床，一臺進行粗加工，另一臺進行精加工。首先將準備好的毛坯葉盤模型放置到粗加工車床上，完成模擬加工后，將葉輪的粗加工模型以STL文件形式保存，然后再將其導入到精加工車床上，系統讀取文件后自動生成葉輪模型，并利用設定好的工藝繼續完成精加工，直到獲得滿足要求的成品。這種仿真加工的優勢在于保證了兩臺數控車床上的模型是完全一致的，從而解決了因為倒換車床而精度降低的問題。還有就是系統可以自動生成和讀取葉輪模型的STL文件，節約了仿真時間[8]。

在仿真過程中，通過導入NC代碼驅動機床做相應的切削動作，在完成切削加工任務的同時，還能將整個加工過程中的詳細參數完整地記錄下來。后期仿真加工完畢后，如果發現葉輪仿真模型的局部存在瑕疵，可以查找切削歷史記錄，然后找出問題所在，方便技術人員及時修改程序及尺寸參數，保證仿真加工產品滿足實際需求。

2.4 葉輪切削參數的優化

通過VERICUT軟件仿真可以發現，在葉輪毛坯材料的粗加工中，由于加工曲面受到的周圍約束較小，加上葉輪形狀為中心對稱，粗加工完畢后得到的葉輪半成品形狀比較規則，表面紋理較為均勻，沒有明顯的加工殘余。但是在葉輪的半精加工和精加工中，由于數控機床采用的是五軸聯動的加工模式，加工過程中受到刀具的影響，葉輪工件表面會產生周圍約束，在刀具切削工件時可能會因為殘余應力的影響而導致表面粗糙度增加[9]。因此，本文對葉輪半精加工和精加工中的切削參數進行了進一步的優化。優化方法為：在VERICUT軟件中重新建立一個用于半精加工和精加工的葉輪模型，并啟用該軟件自帶的自適應系統。將模型導入自適應系統后，調節切削速度并觀察在不同速度下刀具切削力的變化，等到刀具獲得相對平穩的切削力后，記錄下此時的切削速度，即為優化后的最佳切削速度。

3 葉輪實際加工及檢測

3.1 葉輪加工實驗環境

為了驗證五軸聯動數控機床在無人機薄壁葉輪加工中的實用效果，本文選擇一臺德瑪吉HSC-75linear立式五軸聯動高速機床進行葉輪加工。該機床配備刀具為山特維克R216型硬質合金4刃球頭銑刀，刀具直徑為6 mm。進給速度0 m/min~100 m/min可調，主軸轉速100 r/min~24 000 r/min可調。

3.2 葉輪加工方案

首先在VERICUT軟件中生成用于葉輪加工的各項參數和程序，然后利用USB接口將數據導入到機床的控制系統中。進行數據加載，保證數據能夠正常讀取、程序可以正常運行后，現場技術人員安裝毛坯，校正坐標后利用夾具固定，然后對刀。完成上述準備工作后，啟動機床，開始對葉輪進行加工，先后完成粗加工、半精加工和精加工后即可得到葉輪成品。成品葉輪的葉片為直紋曲面，直徑為170 mm，高度為62.5 mm，共有12組葉片。葉槽通道的尺寸不一，最大尺寸為9.4 mm，最小尺寸為8.8 mm。葉片和輪轂之間的倒圓角為R3 mm。整個加工過程中刀具的選用和具體參數的設置如表1、表2所示。

表1 葉輪加工刀具的選用

表2 加工工藝參數

3.3 葉輪成品的檢測

3.3.1 葉輪精度檢測結果

使用五軸聯動數控機床完成葉輪加工后，還要對其加工精度進行檢測。本文使用Geromagic Qualify輔助檢測軟件。檢測原理是掃描并獲取葉輪產品的基本參數，然后在軟件中同步建立該產品的三維模型。將設計好的CAD模型與轉化后的實際產品模型進行快速對比。通過計算各個位置點的坐標誤差，可以判斷加工精度[10]。實際產品模型與設計模型的誤差越小，說明加工精度越好。基于Geromagic Qualify的葉輪精度檢測流程如下：

1）采集數據。通過實物模型數字化處理的方式，獲取葉輪的數據。該環節主要是利用三維掃描設備掃描葉輪的表面輪廓，然后獲得大量三維坐標點云數據。

2）處理數據。初步獲取的數據含有較多的冗余點和噪聲點，如果直接使用數據進行對比，會產生較大的誤差。因此，還需要對點云數據進行預處理，包括降噪、去雜等，使得點云數據的質量得到提升。

3）對齊模型。葉輪模型加工精度檢測的關鍵是將實際產品的模型數據與設計模型數據放到同一個坐標系內進行對比。將預處理后的數據和CAD模型數據轉移到一個新建的坐標系中，進行模型對齊。

4）比較分析。兩個模型對齊后，開始進行匹配度檢測并在檢測完成后輸出檢測報告。在檢測報告中提供了若干個特征點的3D偏差值和x、y、z的偏差，部分特征點的檢測結果如表3所示。

表3 部分特征點的檢測結果 單位：mm

結合檢測報告來看，各個特征點的3D偏差值均在0.03 mm以內，滿足葉輪加工精度（≤0.05 mm）的要求。

3.3.2 葉輪表面質量檢測結果

除了檢測葉輪加工精度外，還對其表面質量進行了檢測。使用表面粗糙度儀獲取葉輪表面某處的局部放大圖，然后與表面粗糙度儀Ral.6模塊進行對比。觀察發現葉輪表面粗糙度與Ral.6有較高的匹配度。隨機選擇若干個位置點進行粗糙度值的測量，發現均在0.05 mm以內，符合葉輪加工要求中“表面粗糙度＜0.08 mm”的標準，故基于五軸聯動數控機床的無人機薄壁葉輪加工精度滿足要求。

4 結語

綜上所述，葉輪是無人機的重要組成部件，如果葉輪加工精度達不到要求，葉輪在高速轉動時會出現不均勻振動，進而導致無人機無法保持平穩飛行。相比于傳統的三軸數控機床加工，近年來出現的五軸聯動數控機床在精密、復雜零件加工方面表現出了更為顯著的優勢。將VERICUT軟件與五軸聯動數控機床相結合，首先在該軟件上進行葉輪加工工藝的仿真與優化，在確定最佳的工藝路線后再使用數控機床進行加工。兩者相互配合，既可以提高葉輪加工效率，又能在最大程度上控制加工誤差，為無人機薄壁葉輪的高精度加工提供了一種新模式。