整体式叶轮数控加工仿真与应用分析

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摘要：通过分析整体式叶轮的结构特点，确定其复杂曲面特征，从而进行工艺可行性分析，确定加工工艺方案。基于CAM软件NX8.5环境建立三维模型和刀路轨迹，通过UG/PostBuilder后置处理器生成NC代码，通过合理规划整体式叶轮数控加工方案，达到提高加工效率、缩短生产周期的目的。

关键词：整体叶轮；工艺方案；刀路轨迹；后置处理

整体式叶轮属于复杂曲面体零件，作为系统中的主要动力传递零件，在航空航天、汽车、船舶等领域发挥着重要作用。由于整体式叶轮一般多为高速旋转件，因此叶片结构较为复杂，且为提高产品性能，必须采用薄叶片、增大曲面弯曲弧度、减小叶片间隔等结构，导致其在加工过程中易发生撞刀、干涉等问题，给生产加工带来很大难度。因此，在正式加工前必须进行数控加工程序仿真，以防止在实际加工过程中产生过切、干涉及碰撞等问题，另外通过优化加工工艺参数，可有效降低生产成本，提高加工效率。本文选用目前应用较为广泛的NX8.5软件对整体式叶轮的复杂曲面加工进行仿真研究，可以为合理规划整体式叶轮数控加工方案、提高加工效率和加工精度提供一定的参考。

1整体式叶轮结构特征与加工方案

1.1结构特征分析。整体式叶轮是航空产品特别是环境控制系统产品中的核心功能性零件之一，整体式叶轮主要由轮毂、叶片、包覆面和叶根圆角等几部分组成，根据性能需求有若干组叶片均匀分布在轮毂曲面上，如图1所示。一方面为使叶轮类零件满足产品整体气动性要求，叶片多采用大扭角的复杂曲面与根部变圆角相结合的结构；另一方面为提升零件使用寿命，叶片根部过渡圆角表面质量要求较高，这就加大了整体式叶轮的加工难度。根据本文具体示例，其加工难点如下：（1）加工流道窄小、叶片长、刚度低，加工过程极易产生变形；（2）相邻叶片空间小，导致所用刀具直径较小，刀具容易折断；（3）叶片面弯曲较大，呈明显后仰趋势，加工过程中极易发生干涉及碰撞。1.2加工工艺方案。1.2.1材料与夹具选用。在保证强度的前提下，建议采用铝合金棒材，切削性能较好；同时为保证叶轮加工质量和加工效率，需在铣叶形前通过车加工使叶片径向轮廓达到最终尺寸，以免在叶形铣削过程中因去除余量浪费大量时间，同时也能更好地减少叶片变形。从叶轮整体加工方案、装夹找正效率及节省换装时间考虑，夹具主要采用三爪卡盘和定位芯轴。1.2.2刀具选择。本文选用的叶轮具有六个长叶片和六个短叶片，且叶根圆角R为1.5mm，结合高速铣削小切削、大进给的加工特点，选择4°R2和4°R1.5锥度球头铣刀，刃长均为20mm，材料为硬质合金。1.2.3整体叶轮加工工艺方案。根据整体叶轮实际加工需求，通常将叶形铣削分为：流道粗加工→叶片粗加工→叶片半精加工→叶片精加工→流道精加工→叶片圆角清根。

2UGNX8.5环境下加工路径规划及后处理

2.1几何体和刀具设置。UGNX8.5中已有叶轮编制模块，只需依次选择轮毂、包覆、叶片、叶根圆角等即可，软件会自行计算。但需注意以下几点：（1）保证模型Z轴方向和安装零件后刀轴方向一致；（2）X、Y轴原点处于回转中心，Z轴原点应设定在加工时方便对刀的平面。在试加工过程中发现精加工后的叶片尖边有明显的凹形圆角，这是叶轮模块中出于清理毛刺的刀路考虑而由球头刀自动形成的，且无法消除，因此需要打开“高级”角色，找到“偏置面”选项，将包覆增厚一定尺寸（和精加工分层尺寸有关），并形成新的回转体作为毛坯，消除其影响。2.2轮毂（流道）和叶片粗加工。为提高加工效率，粗加工采用大切深、慢进给的切削方式，本文中叶轮叶片最深处12.9mm，加工中分两层，转速25000r/min，进给速度2000mm/min，叶片侧面和轮毂余量0.5mm。需注意以下几点：（1）由于零件采用芯轴装夹，粗加工时力量相对较大，容易造成芯轴拉断和芯轴螺纹磨损加快，可以通过设置起始位置（小端面处向内）和切削模式（单向），使切削力一直处于挤压芯轴状态。（2）由于高速加工中心在运行过程中要避免急停急转，因此在设置非切削移动时需打开“光顺”移刀类型，实现设备高速运行时的平缓。（3）在进刀和退刀的过程中，应沿设定的方向进入、退出工件型面，避免刀具和工件及芯轴的碰撞，进退刀尽量采用“沿刀轴”方向，以避免刀具与夹具、机床发生碰撞。2.3轮毂（流道）和叶片半精加工。（1）叶片扭转角大且呈波浪形，粗加工后余量不均匀，影响精加工质量的情况下，需设置半精加工工序，以保证精加工时加工余量均匀。轮毂（流道）半精加工采用叶轮模块中的精加工模块，本文实例中切削参数设置如下：叶片余量设为0.2mm，叶毂余量设为0.2mm，其余默认。驱动方法设置中，设置前缘、叶片边缘点沿叶片方向，相切延伸设为2mm，后缘与前缘相同。驱动设置中，切削模式设为往复上升，步距设为恒定，最大距离设为0.5mm。刀具选择锥角为4°的D4R2锥度球头铣刀，刀轴设为自动。（2）叶片半精加工时，精加工几何体选择叶片，切削层设置中，深度模式设为从包覆插补至叶毂，每刀深度设为0.4mm。切削参数设置中，包覆余量设为0，叶片余量设为0.4mm，叶毂余量设为0.5mm。切削面选择左面、右面、前缘，切削模式设为单向，其余默认。刀具选择锥角为4°的D4R2锥度球头铣刀，刀轴设为自动。2.4轮毂（流道）和叶片精加工。（1）流道精加工驱动方法中步距最大距离设为0.2mm。切削参数中将叶片余量设为0.2mm，叶毂余量设为0，其余默认。其他设置与半精加工相同。（2）叶片精加工切削层中将每刀的深度距离设为0.2mm，切削参数中将叶片余量设为0，其余默认。其他设置与半精加工相同。（3）圆角精加工选用圆角精加工模块，刀具选择锥角为4°的D3R1.5锥度球头铣刀。为保证叶根圆角、叶片及轮毂三者之间光滑连接，具备较高的表面质量，在刀路设置上将轮毂和叶片各偏置0.2mm，步距设为0.1mm，其余默认。2.5基于UG/PostBuilder的后处理。待切削参数及刀具轨迹设定完成后，即可生成刀轨文件（CFL），可以较好地模拟出刀尖点相对于加工坐标系加工零件的整个过程，再根据数控设备的运动结构和控制指令格式，将刀轨文件后续处理为NC代码，从而控制机床进行工件加工。

3结语

本文通过对整体式叶轮叶片部分加工方案进行研究，分析了整体式叶轮的结构特点和加工特性，选定了整体式叶轮数控加工刀具及加工程序。针对整体式叶轮的结构特征进行了加工程序的创建，根据实际情况设置了相应加工参数，生成了刀路轨迹和机床数控加工NC代码，极大地提升了叶轮加工效率和表面质量。

［参考文献］

[1]秦录方，孙涛，时四强，等.基于UG的整体叶轮数控加工仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术，2015（11）：98-102.

[2]曾强.叶轮类零件的五轴联动数控加工与仿真[D].成都：西南交通大学，2009.

作者:孔祥茹 黄 鹿 赵 康 雷新生 华 峰 单位:中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心