發布時間：2021-03-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：以帶有兩級葉片整體式小型葉輪為例，基于UGNX7.5平臺建立其三維模型;通過軟件加工模塊中的各類功能，設計了全部加工刀路;接著采用符合實際情況的機床模型展開了切削仿真試驗研究與設計優化;最后在試切環節驗證了刀軌的正確性。該研究表明：在小型整體
摘要：以帶有兩級葉片整體式小型葉輪為例，基于UGNX7.5平臺建立其三維模型;通過軟件加工模塊中的各類功能，設計了全部加工刀路;接著采用符合實際情況的機床模型展開了切削仿真試驗研究與設計優化;最后在試切環節驗證了刀軌的正確性。該研究表明：在小型整體葉輪零件加工中，刀軌設計結果與機床實際運動軌跡不完全一致，通過機床切削仿真對刀軌設計進行驗證，能夠最大程度的發現和修正刀軌設計中存在的問題及錯誤，是一種高效、可靠的設計方法。
關鍵詞：葉輪;加工;可變輪廓銑削;刀軌設計;切削仿真
0引言
整體式葉輪作為透平類機械中的核心部件，普遍具有多次自由曲面葉形、葉片間流道具有狹窄變截面特征等特點，同時具有較高的尺寸公差和形位公差要求，其加工制造對工藝技術提出了很高要求，以往依靠人工數控編程的方式很難滿足其加工要求。
近幾年來，隨著國內外CAD/CAM編程技術的快速發展，使多軸聯動葉輪銑削加工技術走向了工程應用階段。本文以某種小型整體式葉輪為例，在對其工藝特點進行仔細分析的基礎上，設計了相應的工藝方案，并以UGNX7.5軟件為平臺進行了刀具路徑設計、機床代碼仿真等工作，通過反復仿真迭代，對刀具路徑進行了多次優化，最終加工出復合要求的葉輪零件。
1葉輪工藝分析
1.1結構工藝性分析
本文選取的葉輪外形如圖1所示。材料選擇2A12-T4鋁材，較易切削。其整體結構呈現為帶有一級(較大葉片)、二級(較小葉片)葉片間隔均布的回轉體結構，其加工難點主要有以下幾點：
輪轂外圓上均勻布置有若干多次曲線控制的曲面，構成其葉片外形，葉片根部圓角1mm，相鄰兩片葉形之間最小間距3mm，且葉片之間形成了變截面流道，流道深度最大達到34mm。致使刀具的活動空間極小且刀具長徑比較大，對加工刀路、刀具提出了較高要求;
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葉片平均厚度小于1mm，且葉片長度較長，因此葉片整體剛度較低，切削過程中易發生形變
綜上分析，該型葉輪加工方案必須從材料、刀具、刀路規劃、切削參數等方面綜合考慮，經過仿真驗證提煉出合理的加工方案。
1.2刀具設計方案
針對葉輪的結構特點，我們采用球頭錐面硬質合金銑刀，分別設計定制兩種規格的銑刀進行半精、精加工，錐角5°，球頭直徑分別為Φ3、Φ2，最大直徑Φ10。
2葉輪加工方案
加工設備選擇DMGDMU-80P五軸單轉臺加工中心，工藝路線設定如圖2所示。
由于該產品葉片結構較薄，相鄰兩一級葉片間還存在二級葉片，造成流道間距狹窄。而刀具在有限范圍內又必須有一定的活動空間，以便于聯動加工時刀具立臥角度調整和進退刀調整，因此在流道開粗時必須綜合考慮以上因素，為半精、精加工留出合適的加工余量。本文將粗加工后余量設定為0.3mm，半精加工后余量設定為0.1mm;粗加工采用普通硬質合金銑刀進行開粗，半精加工采用定制Φ3球頭錐面銑刀進行加工。
3加工刀路設計規劃
3.1粗銑葉輪
葉輪粗車工序完成后，采用UGNX7.5軟件的CAM模塊，進行粗銑刀軌設計。軟件具有多種加工模塊，包括通用模塊和專用模塊，以滿足各種階段的加工需求。在粗銑葉輪時，采用3+2定軸加工即可。采用型腔銑(CAVITY_MILL)模塊進行有關切削參數設置，切削模式采用輪廓銑削，每刀切深0.5mm，使用Φ6、Φ4硬質合金銑刀依次進行流道開粗，余量分別設置為0.4mm、0.3mm。
需要注意的是，在該工序需要將相鄰葉片間距最小處的材料進行去除(Φ4整體銑刀無法清除)，否則在精銑階段將對小直徑球頭銑刀的切削軌跡產生較大影響，形成障礙，這里采用可變輪廓銑(VARIABLE_CONTOUR)模塊進行粗銑階段殘留去除，驅動方法采用曲線驅動，使用Φ3球頭錐面銑刀進行殘余去除，這樣便可最大限度的去除余量，同時巧妙避讓葉片表面區域。開粗銑刀軌跡及去殘余量去除設置如圖3所示。
3.2精銑葉輪
在精車工序后，葉輪進入精銑工序。在該工序首先采用多軸銑削模塊進行半精加工，這里對單個流道單元進行區域劃分為兩部分，葉片側面驅動方法為曲面驅動，步距數50;底面驅動方法采用流線驅動，流曲線選擇底面長邊界，步距數15。兩種操作均選擇Φ3球頭錐銑刀進行加工，余量設置為0.1mm。兩種驅動方法設置以及刀軌示意如圖4所示。
半精刀軌設置完成后進行精銑刀軌設置，同樣采用多軸銑削模塊進行設置，此處刀軌設置與半精加工刀軌設置類似，但步距數需加倍，同時換用Φ2球頭錐銑刀進行加工，從而令流道獲得較高的表面質量。
4機床切削仿真研究
在刀路設計完成后，以基于DMGDMU-80P加工中心建立的機床數字模型為基礎，利用NX7.5帶有的機床切削仿真功能，可以對刀軌設計的合理性與安全性進行驗證并優化，這里對仿真過程進行簡要介紹。
首先，在加工模塊中將前期設計好的機床數字模型進行加載，在對切削條件進行測量，對分度頭位置、形狀尺寸，刀具卡頭尺寸等進行確認后，就可在機床模型中進行工件的定位，這樣就完成了仿真前的模型加載以及工件定位。加載定位完成后的模型如圖5所示。
機床加載完成后，即可開始機床仿真相關設置。打開“仿真控制面板”后，勾選“顯示3D材料移除”，可視化中選擇機床代碼仿真功能，便可以開始仿真過程，在仿真中出現任何錯誤或碰撞，系統都會進行提示并記錄，需要注意的是，在仿真過程中，由于本例切削區域均為片體，在切削過程中，如果存在過切現象，系統并不會完全進行提示，因此在每次仿真結束后，需將切削結果與最終模型進行比對，從而找出過切部位，繼而進行刀軌優化設計。仿真相關設置面板如圖6所示。
在仿真過程中發現，機床進刀、退刀軌跡在仿真過程中與刀軌設計結果并不完全一致。例如，在可變輪廓銑削葉片流道側面過程中，刀具退出流道區域時，立臥狀態變化從臥式轉為立式，刀軌設計為定角度臥式退出，而在仿真中表現為刀具臥式退出時在流道區域內就開始調整角度至臥式狀態，導致刀具側刃對流道表面過切。在仔細調整退刀相關設置后，我們發現，退刀高度是影響該問題的關鍵參數，退刀深度由40mm逐漸調整至120mm后，過切現象消除。退刀設置及效果調整效果對比如圖7及表1所示。
通過多次的仿真實驗，我們對刀軌設計中的問題進行了局部修正與優化，最終得到了較為理想的刀軌設計方案。
最后，利用NX中的后置處理程序生成了加工程序。程序代碼示意如圖8所示。
5程序試切驗證
通過試切，后處理生成的粗銑、精銑程序得到了完整的試驗驗證。試切過程中，刀具實際運動軌跡與機床仿真過程一致。試切過程如圖9所示。
6結語
通過刀軌設計與機床仿真相互結合的研究方法，對葉輪的加工研究我們得到以下結論：
1)通過刀軌設計生成的刀具移動軌跡并不是加工過程中的刀具實際運動軌跡，針對不同的加工設備刀具實際運動軌跡會有相應變化，這點需要格外注意;
2)通過進行機床仿真，能夠最大程度的反映刀軌設計中存在的問題及錯誤，有效提高了CAM設計的效率，是一種十分有效的仿真試驗方法。——論文作者：馬晨，郭志偉，孫建邦，雷仁鵬，劉強
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