浅析离心压气机叶轮高精度五轴数控加工技术

申通

摘要：作为离心压气机最为核心的构件之一，叶轮是一种较为复杂的曲面零件，并且压气机性能受其精度和设计的直接影响。伴随科技的不断进步，在船舶、机车等方面对叶轮的设计和转速也有了更高的要求。文章就离心压气机的叶轮五轴数控加工工艺作为出发点，对叶轮的五轴数控加工误差进行了规划，并对加工试验进行了一番探讨，以期为我国离心压气机叶轮的五轴数控加工，提供可供参考的意见和建议。

关键词：离心压气机叶轮五轴数控加工技术

1 离心压气机的叶轮五轴数控加工工艺分析

1.1 加工顺序

1.1.1 粗加工流道：首先，因为流道中间很窄，而出口和进口部位很宽，因此，为提升加工的效率，在粗加工时可将流道分为三段，并在宽处和窄处分别使用直径较大和较小的刀。其次，因为流道深度很大，所以在铣削时要分若干层来进行，并且对每层切削的深度进行控制。

1.1.2 精加工叶片曲面：为使加工质量得到保证，一定要对刀具切削特点加以考虑，加工时采用顺铣方式。

1.1.3 精加工轮毂曲面：从入口进刀，按照由下至上的形式把流道按照流线方向进行加工。根据图纸要求将轨迹之间的最大残留高度的最大轨迹数得出。

1.2 加工方式及其刀具

1.2.1 加工方式。对叶轮不同曲面采用不同加工形式，对直纹面叶片使用侧铣加工，对轮毂曲面使用端铣加工。

1.2.2 加工刀具。在进行叶轮数控加工时可采用多种刀具，运用较多的则为圆锥球头铣刀、圆环面立铣刀、圆柱平底立铣刀、圆柱球头铣刀，为使加工效率得到提升，也可使用一些特殊的铣刀对其加工。与此同时，根据被加工叶轮材料的不同，需使用不同的刀片材料，通常情况下这些刀片材料由硬质合金、高速钢等材料制造而来。除此之外，对刀具参数进行合理选择也非常重要。为使加工效率以及刀具刚度得到提升，可按照叶片流道大小的不同尽可能选取直径大的粗加工铣刀。为使加工精度和刀具刚度得到提升，在对流道与叶片进行精加工时，可采取直径相对小的球头锥度立铣刀。

1.3 路径生成方式 叶轮加工绝大多数时间都是被轮毂曲面粗加工占据了的，所以，对刀具路径的生成形式进行合理设计，对提高叶轮加工效率的意义是重大的。粗加工轮毂曲面时，可使用不同刀具路径生成形式。其中就包括外援等距生成形式、轮毂等距生成形式、等参数生成形式。等参数形式下的刀具路径在加工时切削连续，但其加工效率低。另两种形式加工效率则要高些，并且切削路径的长度也比较短。

2 离心压气机的叶轮五轴数控的加工误差分析

2.1 机床误差 在机床运动中所形成的误差便是机床误差，就包括机床的热变形和几何误差，以及伺服系统、插补器的跟随误差等。下面就插补误差进行简要介绍：依照理论而言，当刀具在相邻两刀位间运动时，刀心需走一条直线，假如不改变刀具的刀轴方向，而只有三轴联动，这时刀心所走过的直线为同一条，但如若改变刀轴方向，那么此时尽管控制系统是进行的线性插补，但事实上刀心与工件所走的是曲线而非直线，于是便形成插补误差。

2.2 工艺误差 此项误差主要是指让刀误差，它是在切削时，零件或刀具受到切削力而产生变形，最终导致加工误差的形成，此变形包含零件变形和刀具变形。在加工叶轮时，因为两片叶中间有宽度很小的通道，并且深度又很大，所以采用的刀具必须属于细长型的，并且刚度还不能太大，不然极容易在加工时出现变形，进而造成刀具前后端出现让刀量差异，它的最终结果便是导致叶片的根部型值产生改变。除此之外，由于叶轮叶片很薄，在进行加工处理时容易产生形变，进而对叶轮加工精度产生影响，导致实际加工型值与理论编程不一致。

2.3 侧铣加工误差 因为此叶轮的叶片曲面属于不可展直纹面，但它又不同于可展直纹面的加工，因为它端点位置的两法矢不相同，所以，使用侧铣加工便会导致出现过切现象，此外，过切量受两法矢和刀具半径间夹角的影响。根据几何理论可知，可展直纹面采用圆柱铣刀进行侧铣加工时，它的接触线属于直线，假如是不可展直纹面，那么它的接触线便是曲线，在加工时便会出现过切的情况。

2.4 其它加工误差 其余形式的加工误差，包括工件装夹时形成的同轴度误差及三维建模时产生的曲面模型逼近误差等。

3 离心压气机的叶轮五轴数控的加工试验

3.1 分析叶轮数控加工的工艺 伴随三元流技术和计算机技术的发展应用，叶轮的叶片形状愈发复杂，要想完成此项工作就必须使用五坐标数控加工。现以315mm直径的分流长短叶片离心压气机的叶轮为例，它的数控加工工艺包括如下工序：

3.1.1 粗加工叶轮：对相邻叶片间的流道进行分区、分层粗铣。

3.1.2 精加工和清根加工叶轮：叶型的清根加工和精加工都是在一次加工过程中完成的，它包含短叶片吸力面、短叶片压力面、长叶片吸力面、长叶片压力面精加工和轮毂曲面的精加工。

3.2 压气机叶轮的三维建模 在叶轮的数控程序中，使用曲面模型来生成刀具的轨迹，先对典型零件的叶轮实行曲面建模，然后按照求教算法和曲面等距，将叶轮刀位数据得出。在对叶轮零件实行曲面建模时，需遵循点到线到面的规则，然后再对几何建模过程加以确定。①对旋转曲面加以利用，使叶片曲面外的表面得以生成。②对样条曲线命令加以利用，使直纹曲面的叶片准线得以生成。③对直纹曲面命令加以利用，使叶片曲面得以生成。④对阵列命令加以利用，使其它叶片得以生成，从而使叶轮曲面模型能够保持完整。经由上述几何建模过程对叶轮曲面模型加以绘制，在进行叶轮的加工仿真时使用零件实体模型，在进行曲面模型的建模时，经由布尔运算和曲面缝合等操作，便能使叶轮的实体模型得以生成。

3.3 叶轮数控加工的计算机仿真 要想确保叶轮数控的加工质量就必须保证生成刀具的轨迹是合理的。在数控加工复杂零件时，运用编程工具形成的加工程序在加工中有无过切，选用的刀具和工件有无彼此干涉，走刀线路合理与否等状况都是编程人员不能事先预料到的。零件加工过程可通过刀位仿真来实现，并且它还能对刀位轨迹合理性进行检查。在仿真之前需要先处理文件，确保刀位的格式要求与文件相符。

3.4 机床试切的加工试验 为对刀具轨迹的生成算法和后处理算法准确性加以验证，可使用石蜡模型来进行试加工实验。首先，对加工坐标系进行选择。因为压气机的叶轮关于回转轴对称，所以叶轮装夹位置为C轴回转轴和叶轮回转轴同轴。如此一来，便只需对流道加工程序进行编写，接着对C轴转角度数的设置加以调整，如此便能将其他流道加工出来了。所以，在进行编程时，需选取叶轮回转轴和Z轴同轴的坐标系。其次，刀位文件的后处理。在确保刀具路径无误之后便可对刀位文件实行后处理，并获取数控程序。然后再对叶轮短叶片及其相邻长叶片数控程序实行试切验证。通过测量可知，加工出的叶轮与设计精度要求相符。结果表明，所提出方法在叶面质量和加工精度上都起到了一定的改善作用，同时也将五轴数控的优势充分发挥出来了，从而使五轴数控机床加工的潜能得到了进一步提升。

4 结语

五轴数控加工作为数控加工中极为重要的研究方向，它也是制造领域非常重要的研究内容。通过以离心压气机的叶轮作为出发点，对五轴数控加工技术进行了一番研究。其研究内容包括：三维建模、后处理、工艺分析、误差补偿和分析。文中就其实现方式进行了大致论述，并在软件基础和实践中对其算法的有效性和正确性进行了一番验证。

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