基于PowerMILL的叶轮工艺优化与虚拟仿真

1、基于 PowerMILL 的叶轮工艺优化与虚拟仿真摘要：本文首先简单介绍叶轮加工变形分析有关内容， 然后通过对整体叶轮模型进行简化，分析某关键采样点变形， 提出了控制约束变形的条件，也多目标优化的实现提供条件， 通过构建多目标函数，为高速铣削提供一套优化的整体叶轮 高速加工技术方案，最后针对高速铣削加工，对高速铣削时 的刀轨优化进行简单的介绍。关键词：叶轮；实体造型； PowerMILL 软件；刀具路径中图分类号：TH12 文献标识码： A 文章编号：1673-1069（ 2016） 16-153-20 引言 叶轮被广泛地应用于航天航空、汽车、船舶、电力、核 工业等方面，叶轮是发动机、汽轮机、

2、泵、风机、压缩机等 产品上的重要零件，目前需求量相当地大，其形状和精度的 误差对发动机的空气动力性能和机械效率有较大影响。所以 说在设备和加工任务都满足的情况下，如何确定最佳的加工 工艺、提高生产效率、减少经济成本、关键是怎样提高经济 效益的问题所在。目前，人们已经开始考虑改变切削的量， 但有时效果达不到预期的要求。文章待加工叶轮是典型薄壁 部件，刚度相对比较低，工艺性能差，受影响因素较多，因 此，通过变形的控制，对于研究预防和控制叶轮变形在高速 加工过程中具有十分重要的意义。1 叶轮的结构本文研究的叶轮是使用 Delcam的PowerSHAPE软件对叶 轮轴进行实体建模， 采用 PowerM

3、ILL 软件对叶轮轴进行 CAM 加工，产生出叶轮流道、叶片、叶轮轴上槽等刀具路径。根 据实际情况，加工需采用五轴联动数控机床加工，叶轮加工 分粗、半精及精加工。粗加工主要用于快速有效去除每两个 叶片区间的材料。精加工主要用于叶片和叶轮流道的成型。（图 1）由于切削机理的复杂性，目前大部分航空企业实际生产 中广泛采用经验公式计算切削力。利用测力仪测出切削力， 再将实验数据加以适当处理，就可以有效地减少一些变形。 常用控制叶轮加工变形的方法有：1.1 改进切削工艺 可以通过高速切削刀片的措施来进行，以防止减少塑性 变形，增加切削速度 VC,降低它的温度，改变结构，减小切 削力，从而减小变形。1.

4、2 改进工艺方案 采用辅助机械。填充石膏、松香、蜡，或增加受力杆，能在一定范围内的控制塑性变形。1.3 改进工艺路线 先对刚性比较薄弱的叶尖进行加工，然后再对叶根部位加工1.4 改进一些工艺参数 精加工余量减少，采用锋利的刀具，增加后角，因此， 在后文中，我们将整体叶轮加工叶轮加工变形控制优化。获 得切削力的经验公式。2 确定切削刀具及参数 为了保证加工叶片的工艺要求，所选用的刀具刀刃长度 应至少大于30mm ,总长度应不小于 80mm。叶片整体粗加 工时，根据叶片之间的距离大小，选用6mm硬质合金圆角端铳刀，预留0.5mm的精加工余量。精加工时采用 $ 6mm 的球头铣刀。选择合适的切削用量

5、。实际加工中可以根据机 床性能修改主轴转速和进给速度。3 PowerMILL 编程流程 叶轮加工先采用车床加工，然后再在加工中心粗加工、 半精加工、精加工。3.1 叶轮粗加工、半精加工将叶轮轴模型导入 PowerMILL 模块中，进行毛坯设置。 设置毛坯，定义毛坯类型为三角形，选取巳生成的加工三角 （*dmt 文件），将其作为叶轮加工毛坯，毛坯设置。在编程 时，为利于叶轮在机床上定位夹紧后其加工原点的确定，将 加工坐标系原点定在叶轮轴右端面的回转中心点上，坐标轴 的方向与机床坐标系方向保持一致。在 PowerMILL 软件中可通过产生边界，控制叶片的加工 范围。选取两叶片之间的曲面如 2 所示

6、，利用工具栏中“边 界”功能，在所示的“用户定义边界” ，选择“模型” ，完成 叶片加工边界定义。3.2 叶片精加工加工叶片时采用SWARF精加工策略，选择6mm的圆 角端铳刀，利用铳刀的侧刃加工叶片。 采用SWARF加工策略 时，刀轴默认为自动。设置加工参数，在“多重切削”对话 框，完成参数选择与设置。刀具路径如图 3 所示。3.3 叶轮流道精加工 曲面精加工是一种沿已选曲面上的曲面曲线进给的精 加工策略。该策略不能平行于任何裁剪过的曲面边缘运行。 选取叶片与轴相交的圆角曲面，选择“曲面精加工” ，设置 加工参数，将“刀轴”设置为前倾 / 侧倾，刀具路径图略。采用同样方法完成叶轮流道其他两个面的精加工刀具路径，将其添加到“曲面精加工 -BM6 ”刀具路径中，形成一 个完整的叶轮流道精加工刀具路径。可以采用 Vortex 旋风铣， 可使它产生的刀具路径效率更 高。加工效果如图 4 所示。4 结论通过应用PowerS