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目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件,主要有美国叶轮制造公司NREC推出的专用软件包:MAX-5,MAX-AB;瑞士Starrag生产的数控机床所带的整体叶轮加工模块,还有Hypermill等专用叶轮加工软件。此外,一些通用的软件如:UG、CATIA、PRO/E、MasterCAM等也能用于整体叶轮的加工。本文选用UG NX4.0对整体叶轮进行加工轨迹规划。
2 加工工艺及装备分析
2.1 加工工艺流程规划
叶轮的一般构成形式是若干组叶片均匀分布在轮毂上,相邻两个叶片间构成流道,叶片与轮毂的连接处有一个过渡圆角,使叶片与轮毂之间光滑连接。叶片曲面为直纹面或自由曲面。整体叶轮的几何形状比较复杂,一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大,容易发生干涉碰撞。因此主要难点在于流道和叶片的加工,刀具空间、刀尖点位和刀轴方位要精确控制,才能加工到其几何形状的每个角落,并使刀具合理摆动,避免发生干涉碰撞。
叶轮加工首先由最初的毛坯——棒料、铸造件或者锻压件采用车床进行外轮廓的车削加工,得到叶轮回转体的基本形状。通过对叶轮结构和加工工艺的分析,叶轮加工主要由粗加工叶片间流道(叶轮开粗)、流道曲面的半精加工、叶片精加工、流道精加工和倒圆部分的清根加工等工序组成。
2.2 刀具选择
刀具刚性和几何形状是叶轮加工刀具选择的主要因素,在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径的刀具。粗加工刀具一般选择圆柱平底铣刀。精加工选择锥柄球头刀具,锥度有利于提高刀具的刚性,但锥度不宜太大,一般3~5度较合适 。为提高加工效率,在不发生碰撞干涉的情况下尽可能选用大直径铣刀,并优先选多刃铣刀。
2.3 机床选择
加工整体叶轮可用五轴联动的机床,还需考虑以下因素:机床各轴的最大行程、工作台的摆动范围、机床功率等。本文加工中使用的MIKRON UCP800 Duro五轴联动加工中心为双回转工作台结构,它带有一个绕Z轴旋转的C轴和绕X轴摆动的A轴。UCP800 Duro配置了20000 r/min主轴,Heidenhain iTNC530数控系统。X轴行程:-400~400mm,Y轴行程:-320~330mm,Z轴行程:105~605mm,A轴摆动角度:-105~120度。
3 叶轮加工编程
UG NX提供了大量多坐标数控加工编程方法及刀轴控制方式,要选择合适的加工方法,并注意合理选择粗精加工余量、切削工艺参数如加工步距、加工深度、主轴转速、机床进给率等,对于提高产品的加工效率和质量是至关重要的。还要根据叶轮的几何特征合理设置进退刀方式,从而避免过切和干涉。
3.1 粗加工流道
粗加工叶轮流道的过程中将去除大量材料,其考虑的重点是加工效率,要求大的进给量和尽可能大的切削深度,以便在较短的时间内切除多的切屑。粗加工对表面质量的要求不高,因此要合理规划刀具路径,提高粗加工效率。开粗加工时可以采用可变轴轮廓铣(Variable Contour),选择流道面为零件面(Part Geometry)和驱动几何面(Drive Geometry),叶片面和轮毂面为干涉检查面。由于叶片高度较大,粗加工时可分层铣削,即给零件留不同的余量,可调整曲面百分比减少切削过程中的空走刀。
开粗时也可采用型腔铣(Cavity Mill)。型腔铣以平面的切削层来切削材料,刀具在每层沿着几何体的轮廓加工。由于开粗时余量大,可以选取两个不同的方向进行开粗,注意选取方向时应使加工范围尽可能大,尽量去除多的材料。这种方法的加工效率高,但剩余的加工余量大且不规则,还需进行补加工,从而使余量均匀。