撰文/沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 楊曉東 李海泳 郝樂芳 劉德生

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某葉輪數(shù)控編程及在線測量加工解決方案

撰文/沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 楊曉東 李海泳 郝樂芳 劉德生

一、引言

整體葉輪的制造主要采用五坐標(biāo)數(shù)控加工、電解加工、電化學(xué)加工、鍛接法和線性摩擦焊接等方法，由于五坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)在整體葉輪新產(chǎn)品研制階段具備快速反應(yīng)、工裝夾具簡單和工藝成熟度比較高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為企業(yè)加工整體葉輪的首選。整體葉輪的數(shù)控編程及在線測量在國內(nèi)外大多數(shù)采用專用的數(shù)控加工軟件編程，專用的軟件存在授權(quán)點(diǎn)少且價格昂貴等缺點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍小。本文基于某工具軟件的葉輪模塊和測頭模塊，給出葉輪數(shù)控編程和在線測量的解決方案，實(shí)現(xiàn)葉輪的數(shù)控編程和在線測量。

二、葉輪數(shù)控編程解決方案

本文以葉輪的數(shù)控加工為例，研究其數(shù)控編程的解決方法，葉輪三維模型圖如圖1所示。典型的葉輪加工路線一般分為流道粗開槽、流道精加工、葉片精加工及葉根圓角清根。

圖1　葉輪三維模型

1.葉輪流道粗開槽

采用葉輪流道粗加工模板進(jìn)行葉片與流道之間的粗開槽，由于葉輪葉片之間的空間狹小，粗加工刀具選擇直徑Φ6mm的合金銑刀，在粗加工驅(qū)動方法中，設(shè)定葉片邊緣點(diǎn)沿葉片方向，相切延伸和徑向延伸都設(shè)定0，后緣設(shè)定與前緣相同，選擇加工起始位置，切削模式選擇往復(fù)上升，切削方向選擇順銑，步距選擇恒定，步距設(shè)定為刀具直徑的40%。刀具軸設(shè)定側(cè)傾安全角為2°，初始刀軸定位旋轉(zhuǎn)所繞對象為葉片。切削深度控制選擇切削層，深度模式選擇從包覆偏置，每刀深度設(shè)定為恒定，距離設(shè)定為刀具直徑的20%。在切削參數(shù)中設(shè)定刀軸光順，軸光順百分比為25%，主軸轉(zhuǎn)速選擇3000rpm，進(jìn)給速度選擇200mm/min，葉輪流道粗加工的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真如圖2所示。

圖2　葉輪流道粗加工的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真

2.葉輪流道精加工

采用葉輪輪轂精加工模板進(jìn)行流道表面的加工，流道表面的精加工可以認(rèn)為是5軸流道粗加工的一個特例，根據(jù)葉根圓角的大小選擇加工刀具，加工刀具直徑等于葉根圓角直徑，因此刀具直徑選擇直徑Φ6mm。在葉轂精加工驅(qū)動方法中，設(shè)定葉片邊緣點(diǎn)沿葉片方向，相切延伸、徑向延伸都設(shè)定為0，后緣設(shè)定與前緣相同，選擇加工起始位置，切削模式選擇往復(fù)上升，切削方向選擇順銑，步距選擇恒定，步距設(shè)定為刀具直徑的20%。刀具軸設(shè)定側(cè)傾安全角為2°，初始刀軸定位旋轉(zhuǎn)所繞對象為葉片，在切削參數(shù)中設(shè)定刀軸光順，軸光順百分比為50%，主軸轉(zhuǎn)速選擇2000rpm，進(jìn)給速度選擇100mm/min，葉輪流道精加工的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真如圖3所示。

圖3　葉輪流道精加工的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真

3.葉輪葉片與分流葉片精加工

采用葉輪葉片精加工模板進(jìn)行葉片表面的精加工，為了減少與流道表面的接刀，加工刀具也與流道精加工的刀具選擇一樣，在葉片精加工驅(qū)動方法中，要精加工的幾何體選擇葉片，如果加工的是分流葉片，要精加工的幾何體就選擇分流葉片，要切削的面選擇左右前面，后緣葉片邊緣點(diǎn)選擇沿葉片方向，切削方式選擇單向，切削方向選擇順銑，起點(diǎn)選擇后緣，刀具軸設(shè)定側(cè)傾安全角為2°，切削深度控制選擇切削層，深度模式選擇從包覆插補(bǔ)至葉轂，每刀深度設(shè)定為恒定，距離設(shè)定為刀具直徑的10%。在切削參數(shù)中設(shè)定刀軸光順，軸光順百分比為60%，主軸轉(zhuǎn)速選擇3000rpm，進(jìn)給速度選擇200mm/min，葉輪葉片的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真如圖4所示。

圖4　葉輪葉片的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真

4.葉根圓角精加工

采用葉輪葉根圓角精加工模板進(jìn)行葉片表面的精加工，葉根圓角精加工的特點(diǎn)與葉片精加工類似，在葉根圓角精加工驅(qū)動方法中，要精加工的幾何體選擇葉片圓角，如果加工的是分流葉片，要精加工的幾何體就選擇分流葉片圓角，要切削的面選擇左右前面，驅(qū)動模式選擇較低的圓角邊，切割條帶選擇偏置，步距設(shè)定為恒定，距離為刀具直徑的20%，切削模式選擇單向，順序選擇由外到內(nèi)，切削方向?yàn)轫樸?，刀軌起點(diǎn)為后緣，刀具軸設(shè)定側(cè)傾安全角為2°，在切削參數(shù)中設(shè)定刀軸光順，軸光順百分比為60%，主軸轉(zhuǎn)速選擇2000rpm，進(jìn)給速度選擇200mm/min，葉輪葉根圓角的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真如圖5所示。

圖5　葉輪葉根圓角的加工刀路軌跡及實(shí)體仿真

三、葉輪在線測量解決方案

通過應(yīng)用機(jī)床上的機(jī)載測頭，實(shí)現(xiàn)零件在不移出工作臺的情況下，完成測頭的校正、平面點(diǎn)2軸測量、曲面點(diǎn)3軸測量、孔圓臺等特征測量以及“3+2”固定軸的5軸測量，實(shí)現(xiàn)加工中測量定制，配置相關(guān)后置處理文件，生成用于執(zhí)行葉輪葉片、葉尖、前緣與后緣的在線測量程序，如圖6所示。

1.測頭的建立

根據(jù)NX軟件的刀具庫文件，建立與機(jī)床匹配的測頭模型，將模型導(dǎo)入到刀具庫文件中。

圖6　測頭的建立

2.測量點(diǎn)的規(guī)劃

根據(jù)NX軟件建模的相關(guān)操作，建立葉片、葉尖和前后緣等模型待測量的理論點(diǎn)，如圖7所示。

3.測量子操作的建立

旋轉(zhuǎn)點(diǎn)矢量移動子操作是針對五軸機(jī)床使用的，需要機(jī)床的擺頭或轉(zhuǎn)臺定位到特定的角度，執(zhí)行“3+2”固定軸測量。探測曲面點(diǎn)子操作是指測頭定位后沿理論點(diǎn)的法矢方向觸碰零件的理論點(diǎn)位置，沿刀軸線性移動是指測量結(jié)束后沿刀軸的方向進(jìn)行退刀，具體過程如圖8所示。

圖7　理論點(diǎn)的建立

圖8　測量子操作的建立

4.后置處理文件的生成

在后置處理器中定義針對測頭的機(jī)床控制事件，編制相應(yīng)機(jī)床控制事件的代碼，生成單點(diǎn)觸碰的程序代碼，具體過程如圖9所示。

圖9　后置處理文件及程序的建立

四、結(jié)語

針對葉輪加工及在線測量，設(shè)計(jì)制定葉輪數(shù)控編程策略，簡化葉輪編程過程。通過實(shí)際驗(yàn)證，葉輪數(shù)控編程和在線測量具有可操作性，能夠滿足加工需要。IM