0.前言

　　葉輪是一種加工要求非常特殊的零件， 它是由全 3D 自由曲面構(gòu)成的幾何體，并且曲率變化扭曲非常大，無(wú)法使用普通三軸數(shù)控機(jī)床加工，在這樣的前提條件下，由于加工后的曲面質(zhì)量的精度要求特別高，必需采用高精度五軸數(shù)控機(jī)床加工。 此外葉輪在實(shí)際使用中，葉輪的表面紋理與材料的金屬條紋直接影響其使用的壽命與效率、 質(zhì)量，這些因素可以通過(guò)先進(jìn)的 CAM 軟件編寫(xiě)特殊的高效優(yōu)化的程序，以達(dá)到我們所預(yù)期的理想效果。 一般常用軟件 HYPERMILL、Cimatron、Unigraphics、PowerMill 等均具備了葉輪加工能力。本文通過(guò)使用Cimatron 軟件，論述用于深井漩渦壓力機(jī)中的零件———葉輪的工藝編排以及智能 NC 程序編寫(xiě)。

1.深井漩渦壓力機(jī)葉輪工藝分析

　　該葉輪加工難度分析如下：

　　1.1 此葉輪直徑為 260mm，葉片的最高長(zhǎng)度為 160mm，兩葉片之間最短距離為 15mm 如圖所 1 所示。

　　1.2 由于葉片高，整體葉輪需要開(kāi)粗毛坯料比較多，且最大只能使用為 Ф15mm 直徑的刀具開(kāi)粗， 所以我們必需選擇分層使用不同長(zhǎng)度的刀具進(jìn)行開(kāi)粗以提高整體的加工效率;

　　1.3 此葉輪曲面為自由曲面、 流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重，并且有后仰的趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。 有時(shí)為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保證加工表面的一致性也有一定困難;

　　1.4 由于葉輪強(qiáng)度的需要， 輪轂與葉片之間還應(yīng)當(dāng)加工出底部加強(qiáng)圓角。 由于槽道窄，葉片高，圓角的加工也是個(gè)難點(diǎn)。

2.葉輪加工工藝編排

　　2.1 確定毛坯類(lèi)型。 為了提高我們加工效率，我們把坯料通過(guò)車(chē)削加工成為該葉輪最大外形回轉(zhuǎn)體形狀。

　　2.2 粗加工。 在兩葉片之間的毛坯料位置是我們需要粗加工的。 此處位置葉片扭曲較大，為了保證加工時(shí)葉片的偏擺精度，選擇五軸聯(lián)動(dòng)粗加工的策略。 對(duì)于刀具的選擇，我們選擇 D15R2 的牛鼻刀，采用盡量大的刀具進(jìn)行粗加工，提高效率。 由于 D15R2 的刀具不符合熱膨脹帶錐度卡頭的裝夾規(guī)格， 故我們準(zhǔn)備兩把不同長(zhǎng)度的 D15R2 的刀具進(jìn)行粗加工。 由于粗加工時(shí)選用牛鼻刀且粗加工完畢后，需要進(jìn)行半精加工以及精加工。為此，粗加工時(shí)輪轂底部預(yù)留 0.3mm 余量，葉片壁面預(yù)留 0.5mm 余量。

　　2.3 半精加工與精加工。 由于葉輪都是規(guī)則性的零件，所以半精加工與精加工可能只是在于刀具大小的選擇與切削量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給的差異。

　　2.4 葉片根部圓角清根。 對(duì)于葉輪的葉片圓角根部清根加工，一直是葉輪加工中的最大重點(diǎn)之一，此部位加工質(zhì)量的好壞直接影響葉輪的強(qiáng)度與使用質(zhì)量。 加工策略可采用根部隨形清角工藝方案處理該處圓角。 刀具夾頭采用熱膨脹帶錐度夾頭。

3. Cimatron葉輪數(shù)控加工程序編寫(xiě)設(shè)計(jì)

　　3.1 根據(jù)以上工藝的分析與加工思路的整理，在 Cimatron 軟件 NC環(huán)境下建立所需要用到的刀具卡頭與刀具庫(kù)。

　　3.2 建立五軸的 ToolPath，并確定編程坐標(biāo)系。 選擇葉輪作為加工的 part，定義車(chē)削完畢的葉輪最大外形回轉(zhuǎn)體作為加工毛坯。

　　3.3 葉輪兩葉片之間的粗加工程序編寫(xiě)。 由于葉輪的外形復(fù)雜，決定了這個(gè)葉輪不能用五軸 3+2 定位加工。 故我們采用五軸聯(lián)動(dòng)粗加工。 在 Cimatron 軟件中，采用 Areospeace 的五軸航空銑功能可以快速實(shí)現(xiàn)程序的編制。

　　3.3.1 進(jìn)入五軸航空銑，選擇 D15R2L60 的刀具 ，在 Patten 中選擇Parallel to surface 策略。 選擇輪轂面作為參考曲面，兩邊也片面作為驅(qū)動(dòng)曲面。 設(shè)定驅(qū)動(dòng)曲面余量 0.5mm，并控制所加工的深度為 45mm。

　　3.3.2 在 Sorting 設(shè)定走刀方式為順銑單向走刀。

　　3.3.3 在葉輪編程中， 刀軸的控制是非常重要的。 在這個(gè)葉輪里面， 我們?cè)?Tool Axis control (刀軸控制) 選擇為 Be tilted relative to cutting direction，Lead angle to cutting direction (前傾角 )為-10 度 ，Tiltangle at side of the cutting direction(側(cè)傾角)為 90 度，在刀具加工中選擇 smooth 光順?biāo)庸さ能壽E。

　　3.3.4 在處理葉輪加工時(shí)所產(chǎn)生的碰撞干涉中，Cimatron 有很好的解決方法。 在 Gouge Check 中，選擇刀具與兩邊葉片之間的干涉，自動(dòng)處理為刀具一旦與葉片在 0.5mm 以?xún)?nèi)發(fā)生干涉， 在±180 度以?xún)?nèi)自動(dòng)偏擺傾斜刀軸避開(kāi)干涉。

　　3.3.5 在 Link 里面合理地設(shè)定進(jìn)退刀方式， 該零件需要設(shè)定垂直圓弧進(jìn)刀。

　　3.3.6 參數(shù)設(shè)定完畢，計(jì)算刀路程序。 粗加工程序分別由D15R2_L60mm，D15R2_L125mm 的刀具分兩部分完成。

　　3.4 葉片半精加工與精加工。葉輪上葉片的曲面為 3D 自由曲面且有后仰倒扣，在加工中有相當(dāng)難度，編寫(xiě)的導(dǎo)軌路徑需要達(dá)到五軸等高隨形螺旋的效果才能更好控制葉片的加工表面質(zhì)量。 具體步驟如下：

　　3.4.1 進(jìn)入五軸航空銑 ， 選擇 D16R8 的刀具 ， 在 Patten 中選擇Morph between 2 curves 策略。 選擇葉片面作為驅(qū)動(dòng)曲面，葉片上端部分邊界為第一驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)，葉片下端部分邊界為第二驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)，設(shè)定刀路軌跡延伸 10mm，設(shè)定驅(qū)動(dòng)曲面余量為 0.2mm。

　　3.4.2 在 Sorting 設(shè)定走刀方式為順銑螺旋走刀，步距為 1mm。

　　3.4.3 葉片加工時(shí)，我們?cè)?Tool Axis control(刀軸控制)選擇為 Betilted relative to cutting direction， 設(shè) 定 有 利 的 Lead angle to cutting direction (前傾角) 為-3 度與 Tilt angle at side of the cutting direction(側(cè)傾角)為 89.2 度，在刀具加工中選擇 By two vectors 光順刀具運(yùn)行的軌跡。

　　3.4.4 在處理葉片加工時(shí)所產(chǎn)生的碰撞干涉中 ， 同樣在 GougeCheck 中，選擇刀具與葉片曲面之間的干涉 ，自動(dòng)處理為刀具一旦與葉片發(fā)生干涉，在±90 度以?xún)?nèi)自動(dòng)偏擺傾斜刀軸避開(kāi)干涉;另選擇輪轂面作為刀具軸向殘余毛坯干涉的保護(hù)面，設(shè)定干涉余量為 0.2mm。

　　3.4.5 在 Link 里面合理地設(shè)定水平圓弧相切進(jìn)退刀方式。

　　3.4.6 參數(shù)設(shè)定完畢，計(jì)算刀路程式。

　　3.5 輪轂曲面半精加工與精加工。 輪轂曲面半精加工時(shí)，注意前面粗加工預(yù)留輪轂面 5mm 的余量，需要分層加工。 半精加工后輪轂面預(yù)留 0.2mm 余量作為后續(xù)的精加工。

　　3.5.1 半精加工程序與 D15R2_L125mm 刀具粗加工策略是相同的。 此時(shí)只是需要改變刀具的類(lèi)別，重新選擇 D12R6mm 的刀具;按工藝分析中參數(shù)設(shè)定切削量，余量與轉(zhuǎn)速，進(jìn)給等參數(shù)。

　　3.5.2 為了更加優(yōu)化刀路軌跡， 在 Sorting 設(shè)定走刀方式為順銑單向，從輪轂加工范圍間下刀，向兩邊偏置走刀方式，以提高輪轂面的質(zhì)量。

　　3.5.3 刀軸控制 。 我們?cè)?Tool Axis control ( 刀軸控制 ) 選擇為T(mén)ilted through curve，選擇兩葉片空間平分曲線(xiàn)作為刀軸控制線(xiàn) ，刀具將沿 3D 空間曲線(xiàn)移動(dòng)加工，大大降低刀軸的擺動(dòng)幅度。

　　3.6 葉輪清根程序編寫(xiě)。

　　3.6.1 進(jìn)入五軸航空銑 ， 選擇 D10R5 的刀具 ， 在 Patten 中選擇Morph between 2 curves 策略。 選擇圓角面作為驅(qū)動(dòng)曲面，圓角上端部分邊界為第一驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)，圓角下端部分邊界為第二驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)，設(shè)定刀路軌跡延伸 10mm，設(shè)定驅(qū)動(dòng)曲面余量為 0，其他加工參數(shù)按照工藝分析的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)設(shè)定。

　　3.6.2 刀軸控制由程式根據(jù)曲面的曲率自動(dòng)計(jì)算一個(gè)合理的偏擺角度。

　　3.6.3 在干涉檢查中的設(shè)定最關(guān)重要。 為了讓刀具在清角加工過(guò)程中，與旁邊的葉片不發(fā)生干涉，故我們需要把所有的葉片曲面選擇做為干涉檢查面，當(dāng)?shù)毒吲c曲面發(fā)生干涉，刀具將自動(dòng)前傾/側(cè)傾自動(dòng)偏擺傾斜刀軸避開(kāi)干涉區(qū)域。 同時(shí)，選擇圓角面與輪轂面作為刀具軸向干涉的保護(hù)面，設(shè)定干涉余量為 0.005mm。

4.在五軸機(jī)床加工

　　通過(guò) Cimatron 的五軸后處理器輸出加工 NC 代碼。 只需要局部一個(gè)葉輪六分之一的程序即可，代碼傳輸?shù)綑C(jī)床以后，在機(jī)床控制系統(tǒng)通過(guò)程序的旋轉(zhuǎn)陣列加工即可。

5.結(jié)束語(yǔ)

　　在 Cimatron 軟件中，結(jié)合實(shí)際工藝的分析可以高效，安全，智能地把復(fù)雜的異型葉輪在實(shí)際生產(chǎn)中得心應(yīng)手地編寫(xiě)程序，輸出安全的 G—CODE。 該程序已經(jīng)在MIKRON UCP710 五軸加工中心上試切成功，在幾何精度，尺寸精度，表面光潔度等各方面均達(dá)到客戶(hù)所要求的范圍內(nèi)如圖 2 所示。