整体叶轮五轴数控技术的研究.doc

整体叶轮五轴数控技术的研究整体叶轮是典型的航空航天复杂零件。为了进行整体叶轮的数控加工，用ProE对其进行了参数化建模。在深入分析整体叶轮加工工艺的基础上，确定了五轴数控机床加工叶轮的工艺流程。使用UG软件实现了自动编程，生成了刀路轨迹。通过后置处理生成G代码。并在实际机床上进行了加工验证。整体叶轮是燃气发动机中的一种关键零件，其作用是由外界供给的机械功连续不断地将气体压缩并传输出去。气体经进气管进入工作轮，在工作轮中因受到叶片的作用力而压力升高，速度增加。因此对叶轮的要求：一是气体流过叶轮的损失要小，即气体流经叶轮的效率要高；二是叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。好的外形构造是发挥叶轮性能的保证。在设计过程巾，叶片的数量和外形轮廓需要经过多次的修改，配合发动机试车后的性能优化得以确定。整体叶轮的加工一直是机加工中长期困扰我们的难题。在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这都给叶轮的加工提出了较高的要求。普通的叶轮加工往往采用铸造成形，然后再机械加工成形；或者叶片单独加工，然后将叶片与轮毂焊接，再通过打磨、抛光使之外观平滑。这些方法的技术含量低，做出来的叶轮曲面精度难以保证，表面的质量也差，严重影响了叶轮的使用性能。近几年随着多轴联动数控技术的发展，使得加工整体叶轮类零件成为可能。由于整体叶轮的结构造型的复杂性，其数控加工技术一直是制造业的难点，也是研究的热点。为了解决该问题，本文从以下几个方面展开研究：用ProE对其进行了参数化建模；整体叶轮加工工艺的分析与设计，制定五轴数控机床加工叶轮的工艺流程；使用UG软件实现了自动编程，生成了刀路轨迹；通过后置处理生成G代码；通过实际机床加工进行验证。1 叶轮的参数化建模叶轮是典型航空航天复杂零件，具有重大的应用意义。由于叶片的曲线和曲面形状比较复杂，本文利用ProEngineer软件进行参数化建模，并完成其三维设计。在做整体叶轮的三维造型时，我们需要通过测量得到叶片型面的离散数据点，首先将离散的数据点拟合成叶片上下缘曲线和轮毂曲线；运用“旋转”、“扫描”等建模工具构建出叶片和轮毂曲面；通过“实体化”将曲面转变为实体；最后通过“复制”、“阵列”等命令完成整体造型并作适当的倒圆角修饰。整体叶轮模型如图1所示。图1叶轮的三维实体楱壅2 整体叶轮的加工工艺及CAM自动编程(1)整体叶轮的加工特点分析本文中加工的叶轮直径为208 mm，回转空间较大，在加工的时候要保证加工表面的一致性，以确保加工精度和表面质量，在加工的时候要控制好切削深度以及保证加工效率；叶片的加工是整个零件的加工难点，由于叶片之间的间隔距离小，而叶片的扭曲程度决定了加工时刀具轴的摆动范围，刀具轴必须在两叶片之间的范围内摆动，刀具才不会与叶片发生干涉；加工槽道变窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形，在加工过程中要防止加工残余应力所带来的变形；相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，要注意刀具的选择。(2)整体叶轮的加工工艺分析本文研究对象所采用的整体叶轮，直径为8mm，高为76 mm，共有9组叶片，材料为7075硬铝合金。叶槽通道最小尺寸为18.5 mm，叶片与轮毂之间的倒圆角为R5 mm。根据叶轮的几何结构特征和使用要求，确定基本的加工工艺流程为：在锻铝材料上车削加工回转体的基本形状、粗加工流道部分、粗加工叶片、精加工叶片、精加工流道部分。初始坯料采用215 mm80 mm的棒材，车削加工出回转体基本形状作为铣削毛坯，如图2所示。加工时毛坯由定位轴定位，定位轴安装在机床工作台上，上面用螺母压紧即可。在实际加工中，由于毛坯底部预留有工艺凸台，本文采用自定心三爪卡盘对工件进行装夹。图2叶轮毛坯件加工整体叶轮等曲面复杂类零件时，通常采用球头铣刀。在粗加工中尽可能快地切除叶轮各个表面多余的材料以提高加工效率。由于切削量和切削抗力都很大，要注意考虑刀具的强度、容屑、排屑问题；在精加工中要兼顾加工质量和加工效率这两方面。通过上面对整体叶轮的加工工艺分析，在粗加工时可以采用10 mm的球头刀(刀具类型选用整体合金刀)，这样既可以保证较大的切削量又可以获得足够的排屑空间，精加工时选用10 mm的球头刀(刀具类型选用整体合金刀)。测量知道叶片的最大长度为35 mm，为了保证合适的刀具刚性又不使加工时与叶片发生干涉，选取刀具的刃长为50 mm。具体加工参数如表1所示。表1加工工艺流程(3)整体叶轮加工的刀路轨迹整体叶轮通常采用五轴联动数控加工，五轴联动使得像整体叶轮这类复杂零件的加工得以简化。由于整体叶轮空间型面结构复杂，编程计算繁琐，手工无法顺利编制出程序，本文借助于具有强大CAM功能的UG软件以实现自动编程。将ProEngineer生成的叶轮模型通过格式转换导入到UG中，在UG的加工环境下生成各个加工操作的刀路轨迹。粗加工流道：流道粗加工采用610 mm的球头刀，留03 mm的加工余量。在UG中计算生成的刀路轨迹如图3所示。图3流道粗加工仿真粗加工叶片：叶片粗加工采用10 mm的球头刀，留0.2 mm的加工余量。在UG中计算生成的刀路轨迹如图4所示。图4叶片粗加工仿真精加工叶片：叶片精加工采用8 mm的球头刀。在UG中计算生成的刀路轨迹如图5所示。图5叶片精加工仿真精加工流道：流道精加工采用8 mm的球头刀。在UG中计算生成的刀路轨迹如图6所示。图6流道精加工仿真3 五轴数控加工中心的后置处理 通过UG自动编程生成的刀位轨迹不能直接用于数控机床加工，在这里我们需要用到机床的后置处理，就是根据具体的机床结构和机床数控系统将生成的刀位轨迹转换成数控机床能识别的数控加工程序。本文所用的五轴加工机床为MCV8505五轴加工中心，系统为Heidenhain iTNC530。该机床是双转台型五轴联动数控加工中心，工件装夹在回转工作台上实现五轴加工，主轴头固定不动，工作台绕C轴旋转且绕A轴倾斜，主要参数有：X、Y、Z轴行程分别为：800 mm、500mm、500 mm；A轴回转角度：-30120；C轴回转角度：0360。刀位轨迹文件中保存的是相对于编程坐标系的刀心坐标和刀轴矢量，在后置处理时，需要把这些刀心坐标和刀轴矢量转换为机床的运动坐标。在此用UG自带的后处理编辑器(NXPost Builder)创建后处理文件。在创建后处理文件时需要设置机床参数(Machine T001)、程序和刀具路径(Program&Tool Path)、NC数据格式(NC Data Definitions)以及输出设置(OutputSettings)等。最后，利用创建的后处理文件生成数控加工程序。4 加工与验证为了验证以上的建模设计及工艺规划的可行性，我们在五轴加工中心上进行数控切削加工试验，整个加工过程中没有发生过切、欠切和干涉现象，验证了整个加工程序的正确性；同时，我们优化了相关机床关键的切削参数，对精加工后零件的表面粗糙度、尺寸精度进行了测量，叶片的表面粗糙度达到Ra08 mm，尺寸精度误差达到0.002 mm，符合图纸的设计精度要求，加工过程见图7所示。图7加工与验证5 结语通过对典型航空航天典型复杂零件叶轮的数控加工的研究，本文得到以下结论和成果：(1)运用Pro