小直径铝合金叶轮的编程、仿真与高速加工

范世平

沈阳机床(集团)有限责任公司

1 引言

叶轮是空气压缩机的核心零件，是典型需要五轴联动加工的零件，其加工质量直接影响到空气压缩机的性能，所以研究叶轮加工对于评价五轴机床的性能具有重要意义。目前国内用于叶轮加工的五轴加工中心主要依赖进口，自主研发适用于叶轮加工的五轴加工中心是解决卡脖子问题的重要内容。

2 被加工叶轮的研究过程

叶轮材料为7075铝合金。如图1所示，该叶轮直径最大处只有50mm，叶片厚度为0.13～0.8mm，极易受力变形。叶轮流道空间较小，铣刀与叶片容易产生干涉与碰撞。需要用直径为1mm的小铣刀加工，小铣刀的强度与刚性较差，非常容易折断。

2.1 确定加工工艺

加工机床：所用机床结构为A、C双摆台式五轴立式加工中心，机床型号为VMC0656mu，搭载自主研发的i5数控系统。主要参数见表1。

表1 机床主要参数

加工工艺与所用刀具：根据该叶轮的薄壁窄流道结构特点，制定了高转速、小切深及适量进给的工艺参数方案(见表2)。

表2 刀具与切削参数表

2.2 数控编程和加工仿真

2.2.1 数控编程

利用UG NX8.5软件的叶轮模块生成粗加工刀路(见图2)并进行优化，以达到在加工稳定的前提下空走刀时间最短、单位时间内金属去除率最高的目的。为了增加精加工时叶片的刚性，粗加工叶片两面各留有0.5mm的余量，粗加工后的叶片厚度为1.8mm。

图1

由于此叶轮叶片较薄，为了降低切削力和叶片受力变形，叶片精加工只能采用点铣法(见图3)。最后一步是精铣流道底面。采用单向铣削方式，目的是保证良好的表面质量(见图4)。

图3

图4

由NX8.5软件生成的刀具轨迹信息不能直接被数控系统所采用，必须将其转化为数控系统能够识别的代码，该过程称为后置处理。利用NX8.5软件自带的后置处理构造器构建A、C双摆台式机床，配置适用于i5数控系统的后置处理文件，利用构建好的后置处理器生成NC程序，部分代码示例为

N1 T3 M6

N2 D1

N3 RTCPON

N4 G40 G90 G54

N5 S12000M3

N6 G01 X-6.322 Y26.611 Z5.A-30.459 C=DC(348.849) F1200.

N7 Z-12.263

N8 X-5.841 Y24.67 Z-12.217

N9 X-5.606 Y23.719 Z-12.194 A-30.454 C=DC(348.858)

N10 X-5.473 Y23.23 Z-12.171 A-30.579 C=DC(349.081)

N11 X-5.378 Y22.894 Z-12.135 A-30.787 C=DC(349.348)

N12 X-5.266 Y22.524 Z-12.077 A-30.983 C=DC(349.657)

N13 X-5.162 Y22.196 Z-12.008 A-31.131 C=DC(349.946)

2.2.2 加工过程仿真

加工过程仿真是用来检验加工程序与加工工艺合理性的方法。利用加工仿真可以验证加工程序是否存在过切与欠切、刀具与工件是否干涉、刀具与夹具、机床是否干涉以及机床是否超程等重要信息。加工仿真是加工复杂五轴零件必不可少的步骤，VERICUT软件在数控加工行业有着广泛应用，利用该软件进行加工过程仿真。

将机床导入VERICUT软件，配置机床的运动学关系模型，添加虚拟数控系统，设置机床行程等参数；在虚拟机床工作台上添加工件毛坯(见图5)，设置加工坐标系，建立刀具模型，导入加工程序；将干涉检查选项设置为检查刀具、主轴与工件、转台及基座是否干涉。软件在仿真过程中会自动检查干涉，有干涉会报警并暂停程序。得到的仿真结果见图6。

图5

图6

3 实际加工与检测

利用A、C双摆台式五轴立式加工中心实际加工小叶轮，冷却方式为水冷，加工用时10h，精加工后的叶轮见图7。

图7

加工后的样件表面完整，无明显过切、欠切现象，说明程序中刀具轨迹正确。零件表面质量基本良好，说明控制系统与机械结构能够满足加工叶轮曲面的需要。用千分尺在叶片上取10个点测量其厚度，误差在±0.03mm范围内，满足零件的公差要求，说明加工薄壁件所选择的刀具、工艺参数与装夹方式合理，机床的插补精度良好。

在切削过程中发现，机床实际进给速度与编程值略有差别，可能是数控系统的原因导致，下一步需要继续对数控系统进行研究和补充完善。叶片曲面有个别地方表面质量略差，这是由于转台涡轮蜗杆反向间隙所致，通过调整反向间隙可以解决问题。

4 结语

研究与仿真分析，掌握了小直径叶轮的工艺和编程方法，找到了机床的机械结构和控制系统中存在的问题，为下一步研究指明了方向。

研究发现，加工小直径铝合金叶轮需要高转速和高进给速度的高精度机床。虽然上述机床可以加工出合格零件，但加工效率还有很大提升空间，未来需要研究适用于小直径铝合金叶轮加工的高速五轴机床。