五轴机床的叶轮实体建模与加工研究

五轴机床的叶轮实体建模与加工研究

作者：李然 程飞

来源：《科技资讯》 2014年第6期

李然 程飞

(沈阳机床股份有限公司 辽宁沈阳 110142)

摘 要:五轴机床广泛应用在工业生产的各个领域中,包括航空、航天、机械制造等等。叶轮式五轴机床的最关键的部件,在生产加工中需要的精度和安全度较高。因此研究五轴机床的叶轮实体建模与加工对提高工业生产效率,增强产品质量产生至关重要的作用。本文借助Pro/Engineer进行三维实体造型,主要研究具有复杂型面的叶轮。

关键词:叶轮 叶轮建模 轮毂

中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)02(c)-0070-01

近些年来,五轴机床在工业生产中的作用越发重要,国际上对五轴机床的叶轮研究十分广泛。随着我国加入WTO,吸收了国际上先进的生产工具和生产技术,工业生产水平的不断提高,对五轴机床的重视程度不断提高。本文,通过Pro /Engineer进行三维实体造型,运用了PowerMill 对整体叶轮加工轨迹进行了规划。

1 整体叶轮的实体造型

整体叶轮是离心式压缩机最为关键的部分,一般由轮毂和叶片两个部分组成,其中叶片从几何层面上看分为四个曲面,分别是包覆曲线、轮毂曲线、包覆端曲面以及轮毂端曲面四个部分。在设计整体叶轮的外观造型是需要同时考虑轮毂和叶片这两个部分的造型。

1.1 叶片的创建

叶片曲面对整体造型设计的要求较高,其横截面呈现自由变化的趋势,因此，对造型设计和实际加工操作的难度要求很高。

1.1.1 叶片造型方法分析

基于大量的实际生产操作和设计经验,已经形成了一套完整的整体造型设计方案。首先要确定一个截面线,其次根据已经创建的截面线来设计整体叶片的曲面造型。由于叶片的实体造型阶段是整体叶轮造型首先要完成的部分,特别是其曲面特征复杂多变,对设计造型的要求非常高,因此要严格依照叶轮的设计图纸进行操作。根据设计图纸提供的叶片节点作为依托,基于Pro/Engineer的曲面造型操作。

1.1.2 建立叶片空间截面列表曲线点坐标

如何确定叶片空间截面的曲线点左边,现在通常使用的方法分为以下几个步骤。首先是要完善叶片的包括顶部曲面、底部曲面以及前后方曲面在内的四个方面的曲面坐标,从整体上把我叶片的外观造型;其次要根据隐藏的其他坐标量形成叶片的实体造型。

1.2 轮毂的创建

轮毂的创建过程相对叶片来说较为简单,其方法为根据设计图纸首先创建一个截面线串,最后根据旋转的规则旋转截面线串,最终形成轮毂实体。

1.3 创建整体叶轮

叶片创建的最后一个步骤是创建整体叶轮,首先,要将先前创建的叶片实体复制并镜像生成额外六个叶片;其次,要将生成的叶片变倒角;最后,根据设计方案修改不符合要求的部分,最终生成一个叶轮实体。

2 刀位轨迹生成

根据加工要求和对象的不同,加工过程中采取的刀路生成方法也有所不同。通常采用的刀路生成方法有等参数线法、等距截平面法、等距偏置法、等残留高度法和自适应等参数法六种。在实际操作过程中需要参考以下几个方面。

2.1 切削刀具的选择

五轴机床的加工对象一般情况下需要采用的加工刀具有三种,分别是环形刀具、锥形球头铣刀具及圆柱铣刀。环形刀具的加工对象为毛胚粗加工。当进行轮毂精加工时一般采用锥形球头铣刀具,这是由于其加工方式要求降低刀具之间的相互干扰。圆柱铣刀能够有效的提高五轴机床的加工效率和产品品质,因此在需要精加工时,一般采用圆柱铣刀。

2.2 刀具避让及干涉检查

五轴机床的一大优势在于其实现了刀具之间的有效避让功能。一方面其只需要一次安装就能完成全部刀具的装配工作,不但能够节省大量的加工时间,提高加工的效率;另一方面还能实现机器的自动运转,只需要按照程序人员事先设定好的频率自动调整刀具的安装位置和角度,降低了操作人员手工操作发生安全事故的可能性。

3 加工仿真和产生NC 程序文件

3.1 叶轮的模拟加工

进行了刀具避让和干涉检查功能后,再进行另一项检查就是模拟加工检查。按照既定的加工策略和选择好的刀具,以及生成好的走刀路径,可以进行毛坯的粗加工、轮毂的精加工和叶片的精加工。

3.1.1 叶轮的模拟粗加工

叶轮的模拟粗加工阶段的主要目的是切除毛坯的不规则部分,因此在加工完成品的精度方面可以适当降低,为了尽可能的提高加工数量,首先要保证机器加工时加工量的最大数目和切削的最大角度和深度。刀具方面可以使用球刀头来加工出叶轮和轮毂。

3.1.2 叶轮叶片的模拟精加工

叶轮的实体建模的最后一步是对叶轮叶片的精加工。由于叶片在五轴机床中的作用至关重要,对其安全性和精准性的要求最高,因此对叶片的精加工在整个叶轮的加工过程中所占的时间比重、人力比重都最大。

3.2 NC程序文件代码

经过刀具避让、干涉检查和模拟加工,确定无错误和失误后,就可以将加工策略生成为走刀路径,其后就可以将走刀路径生成NC程序文件。PowerMill的后处理文件采用的是文本结构,虽然目前Delcam公司并没有公开其后处理文件的编制方法,但从目前发布的机床后处理文件分析,PowerMill后处理文件采用的是自然语言结构。用户可以根据自己的需要,对后处理程序进行修改和优化。

4 实际加工离心叶轮

完成叶轮叶片和轮毂的实体加工后,最后还需要完成五轴机床的自动化设置。首先需要将NC程序设置到计算机中,并建立TCP/IP协议,创建好联系;其次要在计算机和五轴机床间创建连接,将设置好的NC程序分别连接至计算机和机床间,并导入好程序,将其开启。

5 结语

本文针对具有复杂型面的叶轮,通过Pro/Engineer进行三维实体造型,运用了PowerMill对整体叶轮加工轨迹进行了规划、加工仿真,有效地避免了相邻叶片之间由于空间小而产生的碰撞干涉,并生成NC 程序,在DMU 60P hidyn五轴加工中心完成了某离心式压缩机整体叶轮。该整体叶轮精度较高,可见选取的走刀路径还是比较成功的,加工后的叶轮能满足使用要求,误差在允许范围内。但由于受刀具材料和刀具长度的限制,导致刀具震颤和刀具硬度不够,致使加工时间较长一些。实验结果表明该方法是可行的,对复杂结构的造型、加工具有指导意义。

本文在对叶轮实体建模与加工方面的探讨并不全面,没有设计到叶片加工过程中的变形问题。叶片的变形主要是由于在加工过程中承受一定的加工力。由于其加工过程是一个动态的过程,刀具的误差和受力的不确定性导致叶片会发生无法预估的变形。为了进一步提高机床的生产效率,提高产品质量,在接下来的研究和实际生产生活中,如何克服叶片受力后变形问题是必须要重视的问题。

参考文献

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