1 引言
整體葉輪指輪轂和葉片在同一金屬毛坯體上,現多采用鍛件毛坯多坐標數控加工來成型[ 1] , 其典型的應用有渦輪式發動機、泵、徑流式渦輪和膨脹機等許多動力機械[ 2] 。從整體葉輪的結構特點也可以看出: 整體葉輪相鄰葉片的空間較小, 而且在徑向上隨著半徑的減小, 通道越來越窄。因此加工葉輪葉片曲面時除了刀具與被加工葉片之間發生干涉外,刀具極易與相鄰葉片發生干涉[ 3] ; 加工整體葉輪時加工軌跡規劃的約束條件比較多, 自動生成無干涉刀位軌跡較困難[ 4] 。總的來說整體葉輪數控加工難點比較多, 因此在多坐標數控機床上加工前通常都要經過仿真, 在此過程中必須解決好整體葉輪數控加工中的過切、干涉與碰撞、降低生產成本、提高加工效率、優化工藝參數等一系列難題, 為真實數控加工做好技術準備。另外對于整體葉輪這樣復雜的三維曲面手工編程根本無法實現, 必須借助于CAM軟件實現自動編程。因此, 研究整體葉輪的數控仿真加工具有較高的工程應用價值。
2 整體
2. 1 結構特點分析與工藝流程制訂
葉片空間曲面形狀較為復雜且剛性較差, 因此葉片加工是整個零件加工難點, 由于葉片之間的間隔距離小, 而葉片的扭曲程度決定了加工時刀具軸的擺動范圍, 因此刀具必須在兩葉片之間的范圍內擺動, 刀具才不會與葉片發生干涉。
根據葉輪的幾何結構特征和使用要求, 其基本加工工藝流程為: 1. 在數控車床上車削加工毛坯的基本形狀, 如圖1 所示; 2. 粗加工葉輪流道曲面; 3.粗加工葉片曲面; 4. 葉片精加工; 5. 葉輪流道精加工。
2. 2 五坐標數控機床結構與選擇
葉輪的毛坯外形可通過數控車床車削成型, 而流道和葉片的成型加工則必須在五軸聯動數控機床上才能完成。由于本文中葉輪的尺寸不大, 重量較輕, 選用立式五軸加工中心即可完成機床模擬加工仿真。
2. 3 定位與夾緊方案的確定
文中加工的葉輪中心處有一圓孔可用于加工時的定位, 只需將毛坯放入與之配合的心軸上, 即限制X、Y 方向的移動自由度, 再用一環形平面與葉輪的底面接觸即可限制兩個轉動自由度和Z 方向的移動自由度, 最后用螺母壓緊工件即可實現零件的裝夾。
2. 4 刀具的選擇與刀具半徑的確定
在使用多個刀具組合的加工過程中, 兩個不同刀具的無干涉加工區域可能重疊。通常采用的方法是, 先用較大的刀具來高速加工其所有可能加工的區域, 較小的刀具則隨后被用來加工較大的刀具無法加工的區域。這樣, 每把刀的有效加工區域就可能小于其原來可以無干涉加工的曲面。
基于上述理論研究, 在進行粗加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀, 但是必須保證刀具直徑D小于葉片間最小距離Lmin , Lmin的大小可以根據U G軟件的分析面與面之最小距離的功能測得, 且U GNX6. 0 可直接觀察所定刀具相關參數是否合適。在精加工過程中, 應在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀, 即保證刀具半徑R1 大于流道和葉片相接部分的最小圓角半徑Rmin, Rmin 的大小可以根據UG 軟件的分析最小半徑功能測得, 同時為了增加刀具剛度設定精加工球頭銑刀的錐角為2b。UG NX6. 0 可直接觀察所定刀具相關參數是否合適, 如圖2 所示。
在單個葉片加工時, 為了保證刀具不與葉片表面發生干涉, 刀具半徑應小于加工表面凹處的最小曲率半徑l/ kmax , kmax 為整個葉片表面上凹處最大法曲率。
3 基于UG NX6. 0 的整體葉輪數控加工仿真校驗與后置處理
3. 1 整體葉輪數控加工路徑規劃
3. 1. 1 粗加工葉輪流道曲面和葉片曲面
通過可變輪廓銑程序控制驅動方法和刀具軸根據葉輪流道曲面的加工要求創建多軸聯動粗加工程序。設定合適的參數, 即可生成的葉輪流道粗加工刀具軌跡如圖3a 所示。
葉片的粗加工創建類型、刀具、幾何體均與粗加工葉輪流道曲面設置相同; 考慮到葉片曲面空間比較復雜, 提高加工效率應允許刀具側刃參與切削, 因此/ 刀軸0 設置為側刃驅動體, 側刃加工側傾角為2b; 切削參數設置中/ 部件余量偏置02mm, / 刀路數04 條, 留0. 2mm 的精加工余量, 內外公差均為0. 02mm; 非切削移動參數設置中/ 進刀類型0為線性,長度為80%刀具, 其它設置與粗加工葉輪流道曲面設置相同; 主軸轉速為2000r pm, 切削進給速度為1500mmpm。其它相關參數選取系統默認值。生成的葉輪葉片粗加工刀具軌跡如圖3b 所示。
3. 1. 2 精加工葉片曲面和流道曲面
與葉片曲面和流道曲面的粗加工相比, 精加工刀具的路徑規劃一致, 只需要修改相關參數即可, 因此先復制粗加工創建的操作, 然后再修改有關參數和設置, 生成的葉輪葉片和流道曲面精加工刀具軌跡分別如圖4a 和圖4b。
3. 1. 3 編輯加工程序, 獲得所有刀具軌跡
單個葉片的多軸加工程序編制完成后, 可以利用UG 旋轉復制功能生成其余葉片和流道的粗加工和精加工程序, 此功能可大大縮短程序的編制時間。
具體如下:
a. 修改程序名稱。將前面已經產生的流道和葉片的粗加工共計四個程序重新命名, 名稱最好具有一定的次序規律, 便于編輯。修改程序名稱的目的是為了更好的管理程序, 不致于編輯后次序產生混亂。
b. 利用UG 的/ 變換0命令繞ZC 旋轉產生其余葉片和流道加工程序和刀具軌跡。旋轉變換獲得的剩余流道和葉片的刀具軌跡分別如圖5a 和圖5b 所示。
3. 2 程序模擬仿真
對于已經生成的刀具路徑, 可在圖形區中以線框形式或實體形式仿真刀具路徑, 以便于用戶直觀地觀察刀具的運動過程, 進而驗證各操作參數定義的是否合理。刀具路徑驗證的可視化仿真是通過刀具軌跡和創建動態毛坯來實現的。
利用U G NX6. 0 對已編寫的程序進行模擬仿真, 仿真加工2D 結果如圖6 所示。
3. 3 NX/ POST 后置處理
刀具位置源文件( CLSF) 包含GOTO 點位和控制刀具運動的其他信息, 需要經過后置處理( Postpro cessing) 才能生成NC 指令。U G NX6. 0 后置處理( NX POST ) 讀取NX 的內部刀具路徑, 生成適合指定機床的NC 代碼, 研究成功得到整體葉輪流道、精粗加工和葉片粗加工NC 程序( 略) 。
4 結論
本文為整體葉輪的仿真加工提供了一般方法和步驟。在充分做好整體葉輪數控加工工藝分析的基礎上, 提出五坐標機床、裝夾方式、刀具幾何參數、切削用量以及非切削移動參數的擬定原則并確定了數控加工仿真工藝主要參數。基于上述分析的基礎上, 應用U G NX6. 0 進行整體葉輪的刀具軌跡仿真實驗, 解決了如刀具與葉片易發生干涉等諸多難點,成功得到正確的刀具軌跡仿真結果并輸出可用于真實五軸數控加工的NC 程序。
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