叶轮产品的五坐标数控加工技术研究

第“卷第ｌ用２００６年３月轻Ｉ梳械ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＶｏｌ２４，ＮｏＩＭａｒｃｈ，２００６［制造・维修］叶轮产品硇五坐标数控加工技市研究沈自林，沈庆云，范彦斌（佛山科学技术学院，广东佛山５２８０００）摘要：介绍了叶轮产品的设计与制造工艺，对叶轮的五坐标数控加工编程中的难点进行了详细的分析，为复杂产品的模型建立和多坐标数控编程提供了设计思路和方法。

关键词：叶轮；实体造型；五坐标数控鳊程；数控加工中图分类号：ＴＰ３９１７３文献标志码：Ａ文章编号：１００５—２８９５（２００６）０１—００８１—０４０引言叶轮类零件是一类具有代表性，且造型比较规范、典型的通用类复杂零件。

它在能源动力、航空航天、石油化工、冶金、轻工等行业中均有广泛应用，如航空发动机上的整体叶轮、坦克发动机增压器叶轮、水泵及压缩机叶轮等。

这类零件形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面的加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大的影响。

传统的叶轮生产一般采用铸造成型后修光的方法，但是随着设计理论的发展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，模具制造的难度加大，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度难以保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集中，产生气蚀，动平衡性能差等。

整体式叶轮的加工是指轮廓和叶片在同一毛坯体上进行的整体加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮廓上的工艺方法，在加工中有很大的难度，被公认为机械加工的难点。

五坐标机床功能强大、加工效率高、质量好，受到制造业内人士的青睐。

由于五坐标机床刀具运动的复杂性，数控编程也较为困难。

因此，复杂曲面的五坐标加工技术一直是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一。

本文基于ＵＧ软件系统，研究了叶轮的造型特点和使用ＵＧＣＡＭ五坐标编程系统对整体式叶轮进行数控编程，为复杂产品的造型和数控编程提供了设计思路和方法。

１叶轮产品的造型叶轮的叶片通常为复杂曲面，轮盘和轮盖为回转面，是一类几何特征明显，在生产实际中有一定代表性的零件。

它的设计与制造相对于常规机械零件，要复杂得多。

设计叶轮时，要对叶轮内部流动进行分析和控制。

设计指标能否得到满足，需要制造环节来保证。

如果制造技术薄弱，叶轮的整体性能必将受到影响。

因此叶轮的设计与制造密不可分。

本文研究的是直径为３００ｍｍ的整体叶轮，此叶轮设计图纸上提供的已知数据为叶片中性面上盖盘和轴盘的２条空间曲线的离散点坐标，这些点是在三坐标测量仪上测量得到的，以及各点处的叶片厚度值。

我们对此叶轮的曲面特征进行了分析，并在已知数据的基础上，对其构型方法进行了研究。

对具有实验数据点和从三坐标测量仪上测量点的曲面，在建立曲线模型时应遵循以下原则：（１）曲线满足精度要求；（２）曲线按照曲面的特征方向构造，尽量达到使用最少的曲线且曲线的曲率变化最为平缓的目的。

同一方向的曲线要有相似的曲率变化趋势；（３）曲线在曲面上分布的密度在允许偏差范围内应尽量降低，增加曲面的可调整性。

曲面曲率变化收穑日期：２００５—０７—１８作者简介：沈自林（１９７１一），男，四川资阳人，硕士，主要研究方向为计算机图形学、模具设计与制造、ＣＡＤ／ＣＡＭ、数控编程与加工。

卅¨州一卅Ｈ＋—ｏ—＋呻州—■－—■——ｆ—■——■—＋斗—０——÷斗—■——｝—■——●——■—■——＋—■—呻斗—●—州—■——｝—■——＋—■—斗种＋ｄ／ｈａｌｙｓｉｓｕｓｉｎｇＭＳＣ．Ｍａｒｃｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｓｔｒｕｃｔｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｌｉｔｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｓａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｅｎｈａｎｃｅｄｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｌｅｖｅｌｏｆｐｌａｓｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｐｌａｓｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｍａｒｃ轻Ｉ扭掇ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ２００６年第ｌ期大处，布置较密的曲线，曲面曲率变化平缓处，布置较少的曲线；（４）曲线主要是通过样条线描述。

在保证精度的前提下，尽量降低样条线的段数和阶数。

同一方向的曲线应具有相同的段数和阶数，一般建议生成３阶或４阶曲线；（５）曲线的光顺性调节是非常重要的，可利用软件的相关功能模块实现。

曲线经过光顺处理后，在数学上保证ｃ２连续，没有多余的拐点，曲率变化均匀；（６）曲线曲率要大于过渡曲面的曲率值。

按照以上原则，首先对叶盆、叶背曲线上离散点进行Ｂ样条曲线插值。

然后根据叶片沿叶轮径向厚度的变化规律，设计出叶片的叶盆、叶背的轮廓面。

由于叶片沿叶轮径向和叶片高度方向的厚度均在变化，在构造叶片曲面时，分别作叶片中性面上盖盘曲线和轴盘衄线的法线，并在此法线上截取相应的叶片厚度的一半，则可形成盖盘曲线和轴盘曲线的变距曲线。

将两条曲线上的对应点相连，运用曲面造型功能可构造叶片曲面。

最后将曲面缝合形成叶片实体，再对轮轴实体进行布尔运算，得到的最终叶轮实体模型如图１所示。

图１叶轮实体模型２五坐标编程与数控加工叶轮的加工质量直接影响整机的动力性能和机械效率。

数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。

整体叶轮的加工难点主要表现在：（１）三元整体叶轮的形状复杂，其叶片多为非可展扭曲直纹面。

（２）整体叶轮相邻叶片问的空间较小，而且在径向上随着半径的减小，通道越来越窄，因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具极易与相邻叶片发生干涉。

（３）刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。

从以上分析可以看出，叶轮加工必须使用五坐标数控加工中心完成。

２．１五坐标数控机床结构五坐标是指在３个平动坐标轴基础上增加２个转动坐标轴（Ａ，Ｂ或Ａ，Ｃ或Ｂ，ｃ）且５个轴可以联动。

由于具有２个转动轴，五坐标机床可以有很多种运动轴配置方案，它们可以归于如下３大结构类型。

（１）刀具摆动型这种结构类型是指２个转动轴都作用于刀具上，由刀具绕２个互相正交的轴转动，以使刀具能指向空间任意方向。

这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂。

一般剐性较差，但其运动灵活，机床使用操作（如装卡工件）较方便。

（２）工作台回转／摆动型这种结构类型是指２个转动轴都作用于工件上。

根据运动的相对性原理，它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的。

这种结构也是定、动轴结构，只是其动轴紧靠工件。

这类机床的主要特点是其回转／摆动工作台刚性容易保证、工艺范围较广，而且容易实现。

但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构主要适合于中小规格的机床，用于加工体积不大的零件。

（３）刀具与工作台回转／摆动型这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运动。

这种结构不是定、动轴结构，２个回转轴在空间的方向都是固定的。

对于其２个转动轴的配置情况，这类机床的特点介于上述２类机床之间。

对于五坐标机床，不管是哪种类型，由于他们具有２个回转坐标，相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内（受机构结构限制）任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。

因此，五坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于大型或直母线类零件的高效、高质量加工以及异型复杂零件的加工。

２．２数控加工的刀轴控制多坐标加工与三坐标加工的本质区别在于：在三坐标加工情况下，刀具轴线在工件坐标系中的方向是固定的，它始终平行于ｚ轴。

而在多轴加工中，刀具轴线在工件坐标系中一般是不断变化的。

这就涉及到刀轴控制方式的确定问题。

常用的刀轴控制方式有以下几种：（】）垂直于表面方式所谓垂直于表面方式是使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢，由刀具底面紧贴加工表面来对切削行间残余高度作最大限度的抑止，以减少走刀次数和获得较高的生产效率。

该方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面的端铣加工。

（２）平行于裘面方式平行于表面方式是指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，对应的加工方式一般为侧铣。

这种方式的重要应用是直纹面的加工，由圆柱或圆锥形刀其侧刃与直纹面母线接触可以一刀加工成型，效率高而且表面质量好。

（３）倾斜于表面方式该方式由刀轴矢量ｉ在局部坐标系中与坐标轴和坐标平面所形成［研究・设计］沈自林，等叶轮产品的五坐标数控加工技术研究的２个角度ｎ和ｒ定义，如图２所示。

图２相对于曲面的刀轴控制其中，ｎ为曲面上切削点处的单位法矢，ａ为曲面上切削点处沿进给方向的单位切矢，口一ｌｌａ（＆，ｖ，ｎ）为曲面在切削点处的局部坐标系。

ａ为前倾角，是刀轴矢量与垂直于进给方向的平面所成角度，可在端铁加工凹面时防止干涉。

ｒ为倾斜角，定义为刀轴与曲面法矢的夹角，不属某个截面，位于以法矢为轴线，ｒ为顶角的圆锥上，但可由“角及指定沿走刀方向的左右侧来确定刀轴的空间方向。

倾斜方式是多坐标加工的一般控制方式，表面方式和平行于表面方式均可看作它的特殊情况。

例如，垂直于表面方式即等价于ａ＝ｒ＝Ｏ。

２．３叶轮的数控加工传统的叶轮加工方法是叶片与轮廓采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮廓上。

此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。

近年来，多坐标数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能，并日益普及。

叶轮整体加工是指轮廓与叶片在同一毛坯上加工成形。

其加工过程大致包括以下几个主要工序：（１）粗加工；（２）开槽及扩槽；（３）叶片曲面精加工。

下面对其路径规划方法分别讨论如下。

（１）粗加工曲面零件的加工一般需经过粗、半精和精加工过程。

粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，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，以便在较短的时闻内切除尽可能多的切屑。

粗加工对表面质量的要求不高，因此，提高粗加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。

曲面粗加工一般可采用２种方法；偏置法和层切法。

偏置法适合于毛坯形状与零件形状相似的情况，如铸造与锻造毛坯，否则将产生较多的空行程而影响加工效率。

层切法用一系列假想水平面与零件面和毛坯边界截交，得到一系列二维切削层，然后用平底刀对各切削层进行分层加工。

对于型腔等边界受到约束的情况，还需考虑垂直进刀问题及相邻切削层的走刀轨迹过渡问题。

在此，毛坯是零件的包罗体，采用层切法的型腔铣进行粗加工，刀具为ｐ１６Ｒ０．８平底圆角铣刀。

粗加工刀具轨迹如图３所示。

图３粗加工刀具轨迹（２）开槽及扩槽通常开槽加工的位置选在气流通道的中间位置，为了使开槽加工时，刀具不会与叶片曲面发生干涉。

刀轴矢量应为气流通道两侧叶片曲面的矢量和，如图４所示。

并从叶轮中心向外缘分段铣削加工。

扩槽加工与精铣轮廓表面在一次加工中完成，采用球头锥铣刀或球头圆柱铣刀，从开槽位置开始从轴盘曲线向两侧扩槽。

扩槽刀具路径取决于叶轮气道出口处轮廓表面的残留高度的允许值。