申通

摘要：作為離心壓氣機最為核心的構(gòu)件之一，葉輪是一種較為復(fù)雜的曲面零件，并且壓氣機性能受其精度和設(shè)計的直接影響。伴隨科技的不斷進步，在船舶、機車等方面對葉輪的設(shè)計和轉(zhuǎn)速也有了更高的要求。文章就離心壓氣機的葉輪五軸數(shù)控加工工藝作為出發(fā)點，對葉輪的五軸數(shù)控加工誤差進行了規(guī)劃，并對加工試驗進行了一番探討，以期為我國離心壓氣機葉輪的五軸數(shù)控加工，提供可供參考的意見和建議。

關(guān)鍵詞：離心壓氣機葉輪五軸數(shù)控加工技術(shù)

1 離心壓氣機的葉輪五軸數(shù)控加工工藝分析

1.1 加工順序

1.1.1 粗加工流道：首先，因為流道中間很窄，而出口和進口部位很寬，因此，為提升加工的效率，在粗加工時可將流道分為三段，并在寬處和窄處分別使用直徑較大和較小的刀。其次，因為流道深度很大，所以在銑削時要分若干層來進行，并且對每層切削的深度進行控制。

1.1.2 精加工葉片曲面：為使加工質(zhì)量得到保證，一定要對刀具切削特點加以考慮，加工時采用順銑方式。

1.1.3 精加工輪轂曲面：從入口進刀，按照由下至上的形式把流道按照流線方向進行加工。根據(jù)圖紙要求將軌跡之間的最大殘留高度的最大軌跡數(shù)得出。

1.2 加工方式及其刀具

1.2.1 加工方式。對葉輪不同曲面采用不同加工形式，對直紋面葉片使用側(cè)銑加工，對輪轂曲面使用端銑加工。

1.2.2 加工刀具。在進行葉輪數(shù)控加工時可采用多種刀具，運用較多的則為圓錐球頭銑刀、圓環(huán)面立銑刀、圓柱平底立銑刀、圓柱球頭銑刀，為使加工效率得到提升，也可使用一些特殊的銑刀對其加工。與此同時，根據(jù)被加工葉輪材料的不同，需使用不同的刀片材料，通常情況下這些刀片材料由硬質(zhì)合金、高速鋼等材料制造而來。除此之外，對刀具參數(shù)進行合理選擇也非常重要。為使加工效率以及刀具剛度得到提升，可按照葉片流道大小的不同盡可能選取直徑大的粗加工銑刀。為使加工精度和刀具剛度得到提升，在對流道與葉片進行精加工時，可采取直徑相對小的球頭錐度立銑刀。

1.3 路徑生成方式 葉輪加工絕大多數(shù)時間都是被輪轂曲面粗加工占據(jù)了的，所以，對刀具路徑的生成形式進行合理設(shè)計，對提高葉輪加工效率的意義是重大的。粗加工輪轂曲面時，可使用不同刀具路徑生成形式。其中就包括外援等距生成形式、輪轂等距生成形式、等參數(shù)生成形式。等參數(shù)形式下的刀具路徑在加工時切削連續(xù)，但其加工效率低。另兩種形式加工效率則要高些，并且切削路徑的長度也比較短。

2 離心壓氣機的葉輪五軸數(shù)控的加工誤差分析

2.1 機床誤差 在機床運動中所形成的誤差便是機床誤差，就包括機床的熱變形和幾何誤差，以及伺服系統(tǒng)、插補器的跟隨誤差等。下面就插補誤差進行簡要介紹：依照理論而言，當?shù)毒咴谙噜弮傻段婚g運動時，刀心需走一條直線，假如不改變刀具的刀軸方向，而只有三軸聯(lián)動，這時刀心所走過的直線為同一條，但如若改變刀軸方向，那么此時盡管控制系統(tǒng)是進行的線性插補，但事實上刀心與工件所走的是曲線而非直線，于是便形成插補誤差。

2.2 工藝誤差 此項誤差主要是指讓刀誤差，它是在切削時，零件或刀具受到切削力而產(chǎn)生變形，最終導(dǎo)致加工誤差的形成，此變形包含零件變形和刀具變形。在加工葉輪時，因為兩片葉中間有寬度很小的通道，并且深度又很大，所以采用的刀具必須屬于細長型的，并且剛度還不能太大，不然極容易在加工時出現(xiàn)變形，進而造成刀具前后端出現(xiàn)讓刀量差異，它的最終結(jié)果便是導(dǎo)致葉片的根部型值產(chǎn)生改變。除此之外，由于葉輪葉片很薄，在進行加工處理時容易產(chǎn)生形變，進而對葉輪加工精度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實際加工型值與理論編程不一致。

2.3 側(cè)銑加工誤差 因為此葉輪的葉片曲面屬于不可展直紋面，但它又不同于可展直紋面的加工，因為它端點位置的兩法矢不相同，所以，使用側(cè)銑加工便會導(dǎo)致出現(xiàn)過切現(xiàn)象，此外，過切量受兩法矢和刀具半徑間夾角的影響。根據(jù)幾何理論可知，可展直紋面采用圓柱銑刀進行側(cè)銑加工時，它的接觸線屬于直線，假如是不可展直紋面，那么它的接觸線便是曲線，在加工時便會出現(xiàn)過切的情況。

2.4 其它加工誤差 其余形式的加工誤差，包括工件裝夾時形成的同軸度誤差及三維建模時產(chǎn)生的曲面模型逼近誤差等。

3 離心壓氣機的葉輪五軸數(shù)控的加工試驗

3.1 分析葉輪數(shù)控加工的工藝 伴隨三元流技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，葉輪的葉片形狀愈發(fā)復(fù)雜，要想完成此項工作就必須使用五坐標數(shù)控加工?，F(xiàn)以315mm直徑的分流長短葉片離心壓氣機的葉輪為例，它的數(shù)控加工工藝包括如下工序：

3.1.1 粗加工葉輪：對相鄰葉片間的流道進行分區(qū)、分層粗銑。

3.1.2 精加工和清根加工葉輪：葉型的清根加工和精加工都是在一次加工過程中完成的，它包含短葉片吸力面、短葉片壓力面、長葉片吸力面、長葉片壓力面精加工和輪轂曲面的精加工。

3.2 壓氣機葉輪的三維建模 在葉輪的數(shù)控程序中，使用曲面模型來生成刀具的軌跡，先對典型零件的葉輪實行曲面建模，然后按照求教算法和曲面等距，將葉輪刀位數(shù)據(jù)得出。在對葉輪零件實行曲面建模時，需遵循點到線到面的規(guī)則，然后再對幾何建模過程加以確定。①對旋轉(zhuǎn)曲面加以利用，使葉片曲面外的表面得以生成。②對樣條曲線命令加以利用，使直紋曲面的葉片準線得以生成。③對直紋曲面命令加以利用，使葉片曲面得以生成。④對陣列命令加以利用，使其它葉片得以生成，從而使葉輪曲面模型能夠保持完整。經(jīng)由上述幾何建模過程對葉輪曲面模型加以繪制，在進行葉輪的加工仿真時使用零件實體模型，在進行曲面模型的建模時，經(jīng)由布爾運算和曲面縫合等操作，便能使葉輪的實體模型得以生成。

3.3 葉輪數(shù)控加工的計算機仿真 要想確保葉輪數(shù)控的加工質(zhì)量就必須保證生成刀具的軌跡是合理的。在數(shù)控加工復(fù)雜零件時，運用編程工具形成的加工程序在加工中有無過切，選用的刀具和工件有無彼此干涉，走刀線路合理與否等狀況都是編程人員不能事先預(yù)料到的。零件加工過程可通過刀位仿真來實現(xiàn)，并且它還能對刀位軌跡合理性進行檢查。在仿真之前需要先處理文件，確保刀位的格式要求與文件相符。

3.4 機床試切的加工試驗 為對刀具軌跡的生成算法和后處理算法準確性加以驗證，可使用石蠟?zāi)Ｐ蛠磉M行試加工實驗。首先，對加工坐標系進行選擇。因為壓氣機的葉輪關(guān)于回轉(zhuǎn)軸對稱，所以葉輪裝夾位置為C軸回轉(zhuǎn)軸和葉輪回轉(zhuǎn)軸同軸。如此一來，便只需對流道加工程序進行編寫，接著對C軸轉(zhuǎn)角度數(shù)的設(shè)置加以調(diào)整，如此便能將其他流道加工出來了。所以，在進行編程時，需選取葉輪回轉(zhuǎn)軸和Z軸同軸的坐標系。其次，刀位文件的后處理。在確保刀具路徑無誤之后便可對刀位文件實行后處理，并獲取數(shù)控程序。然后再對葉輪短葉片及其相鄰長葉片數(shù)控程序?qū)嵭性嚽序炞C。通過測量可知，加工出的葉輪與設(shè)計精度要求相符。結(jié)果表明，所提出方法在葉面質(zhì)量和加工精度上都起到了一定的改善作用，同時也將五軸數(shù)控的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來了，從而使五軸數(shù)控機床加工的潛能得到了進一步提升。

4 結(jié)語

五軸數(shù)控加工作為數(shù)控加工中極為重要的研究方向，它也是制造領(lǐng)域非常重要的研究內(nèi)容。通過以離心壓氣機的葉輪作為出發(fā)點，對五軸數(shù)控加工技術(shù)進行了一番研究。其研究內(nèi)容包括：三維建模、后處理、工藝分析、誤差補償和分析。文中就其實現(xiàn)方式進行了大致論述，并在軟件基礎(chǔ)和實踐中對其算法的有效性和正確性進行了一番驗證。

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