小直徑鋁合金葉輪的編程、仿真與高速加工

范世平

沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

葉輪是空氣壓縮機(jī)的核心零件，是典型需要五軸聯(lián)動(dòng)加工的零件，其加工質(zhì)量直接影響到空氣壓縮機(jī)的性能，所以研究葉輪加工對(duì)于評(píng)價(jià)五軸機(jī)床的性能具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)用于葉輪加工的五軸加工中心主要依賴(lài)進(jìn)口，自主研發(fā)適用于葉輪加工的五軸加工中心是解決卡脖子問(wèn)題的重要內(nèi)容。

2 被加工葉輪的研究過(guò)程

葉輪材料為7075鋁合金。如圖1所示，該葉輪直徑最大處只有50mm，葉片厚度為0.13～0.8mm，極易受力變形。葉輪流道空間較小，銑刀與葉片容易產(chǎn)生干涉與碰撞。需要用直徑為1mm的小銑刀加工，小銑刀的強(qiáng)度與剛性較差，非常容易折斷。

2.1 確定加工工藝

加工機(jī)床：所用機(jī)床結(jié)構(gòu)為A、C雙擺臺(tái)式五軸立式加工中心，機(jī)床型號(hào)為VMC0656mu，搭載自主研發(fā)的i5數(shù)控系統(tǒng)。主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)床主要參數(shù)

加工工藝與所用刀具：根據(jù)該葉輪的薄壁窄流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了高轉(zhuǎn)速、小切深及適量進(jìn)給的工藝參數(shù)方案(見(jiàn)表2)。

表2 刀具與切削參數(shù)表

2.2 數(shù)控編程和加工仿真

2.2.1 數(shù)控編程

利用UG NX8.5軟件的葉輪模塊生成粗加工刀路(見(jiàn)圖2)并進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在加工穩(wěn)定的前提下空走刀時(shí)間最短、單位時(shí)間內(nèi)金屬去除率最高的目的。為了增加精加工時(shí)葉片的剛性，粗加工葉片兩面各留有0.5mm的余量，粗加工后的葉片厚度為1.8mm。

圖1

由于此葉輪葉片較薄，為了降低切削力和葉片受力變形，葉片精加工只能采用點(diǎn)銑法(見(jiàn)圖3)。最后一步是精銑流道底面。采用單向銑削方式，目的是保證良好的表面質(zhì)量(見(jiàn)圖4)。

圖3

圖4

由NX8.5軟件生成的刀具軌跡信息不能直接被數(shù)控系統(tǒng)所采用，必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的代碼，該過(guò)程稱(chēng)為后置處理。利用NX8.5軟件自帶的后置處理構(gòu)造器構(gòu)建A、C雙擺臺(tái)式機(jī)床，配置適用于i5數(shù)控系統(tǒng)的后置處理文件，利用構(gòu)建好的后置處理器生成NC程序，部分代碼示例為

N1 T3 M6

N2 D1

N3 RTCPON

N4 G40 G90 G54

N5 S12000M3

N6 G01 X-6.322 Y26.611 Z5.A-30.459 C=DC(348.849) F1200.

N7 Z-12.263

N8 X-5.841 Y24.67 Z-12.217

N9 X-5.606 Y23.719 Z-12.194 A-30.454 C=DC(348.858)

N10 X-5.473 Y23.23 Z-12.171 A-30.579 C=DC(349.081)

N11 X-5.378 Y22.894 Z-12.135 A-30.787 C=DC(349.348)

N12 X-5.266 Y22.524 Z-12.077 A-30.983 C=DC(349.657)

N13 X-5.162 Y22.196 Z-12.008 A-31.131 C=DC(349.946)

2.2.2 加工過(guò)程仿真

加工過(guò)程仿真是用來(lái)檢驗(yàn)加工程序與加工工藝合理性的方法。利用加工仿真可以驗(yàn)證加工程序是否存在過(guò)切與欠切、刀具與工件是否干涉、刀具與夾具、機(jī)床是否干涉以及機(jī)床是否超程等重要信息。加工仿真是加工復(fù)雜五軸零件必不可少的步驟，VERICUT軟件在數(shù)控加工行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，利用該軟件進(jìn)行加工過(guò)程仿真。

將機(jī)床導(dǎo)入VERICUT軟件，配置機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系模型，添加虛擬數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)置機(jī)床行程等參數(shù)；在虛擬機(jī)床工作臺(tái)上添加工件毛坯(見(jiàn)圖5)，設(shè)置加工坐標(biāo)系，建立刀具模型，導(dǎo)入加工程序；將干涉檢查選項(xiàng)設(shè)置為檢查刀具、主軸與工件、轉(zhuǎn)臺(tái)及基座是否干涉。軟件在仿真過(guò)程中會(huì)自動(dòng)檢查干涉，有干涉會(huì)報(bào)警并暫停程序。得到的仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5

圖6

3 實(shí)際加工與檢測(cè)

利用A、C雙擺臺(tái)式五軸立式加工中心實(shí)際加工小葉輪，冷卻方式為水冷，加工用時(shí)10h，精加工后的葉輪見(jiàn)圖7。

圖7

加工后的樣件表面完整，無(wú)明顯過(guò)切、欠切現(xiàn)象，說(shuō)明程序中刀具軌跡正確。零件表面質(zhì)量基本良好，說(shuō)明控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足加工葉輪曲面的需要。用千分尺在葉片上取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量其厚度，誤差在±0.03mm范圍內(nèi)，滿(mǎn)足零件的公差要求，說(shuō)明加工薄壁件所選擇的刀具、工藝參數(shù)與裝夾方式合理，機(jī)床的插補(bǔ)精度良好。

在切削過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)床實(shí)際進(jìn)給速度與編程值略有差別，可能是數(shù)控系統(tǒng)的原因?qū)е?，下一步需要繼續(xù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和補(bǔ)充完善。葉片曲面有個(gè)別地方表面質(zhì)量略差，這是由于轉(zhuǎn)臺(tái)渦輪蝸桿反向間隙所致，通過(guò)調(diào)整反向間隙可以解決問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

研究與仿真分析，掌握了小直徑葉輪的工藝和編程方法，找到了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，為下一步研究指明了方向。

研究發(fā)現(xiàn)，加工小直徑鋁合金葉輪需要高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度的高精度機(jī)床。雖然上述機(jī)床可以加工出合格零件，但加工效率還有很大提升空間，未來(lái)需要研究適用于小直徑鋁合金葉輪加工的高速五軸機(jī)床。