趙文明,莊 鵬,鞠崗崗,劉戰(zhàn)強

(山東大學(xué) 機械工程學(xué)院 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061)

基于hyperMILL的半開式整體葉輪五軸數(shù)控編程與加工技術(shù)*

趙文明,莊 鵬,鞠崗崗,劉戰(zhàn)強

(山東大學(xué) 機械工程學(xué)院 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061)

整體葉輪是航空發(fā)動機和各類透平機械的關(guān)鍵零部件。針對整體葉輪因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致數(shù)控編程和加工難度大的特點，首先，以半開式整體葉輪為例，在hyperMILL軟件中進行五軸數(shù)控編程。然后，編程得到的刀具軌跡經(jīng)過內(nèi)部機床仿真驗證，利用后處理器將刀位(CL)文件轉(zhuǎn)換成機床可識別的NC加工代碼。最后，在DMU-70V五軸加工中心上對Al7050鋁合金整體葉輪進行加工。加工過程中沒有出現(xiàn)干涉、過切、欠切等問題。結(jié)果表明hyperMILL可以簡化編程的過程，提高編程和加工的效率，為其它同類復(fù)雜零件的編程加工提供了依據(jù)。

整體葉輪；數(shù)控編程；五軸加工；hyperMILL

0 引言

整體式葉輪已經(jīng)開始應(yīng)用于航空發(fā)動機、燃氣輪機、離心泵等透平機中。葉輪的加工質(zhì)量對于透平機性能有非常大的影響。然而，由于整體葉輪有復(fù)雜的曲面和扭曲的葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得葉輪的加工十分困難，數(shù)控編程軟件生成的NC代碼可能存在過切、欠切和干涉等問題[1]，如何快速準確地生成NC加工程序成為制約葉輪加工的關(guān)鍵。

CAM軟件已經(jīng)在復(fù)雜零件的數(shù)控編程方面得到了廣泛的應(yīng)用，為整體葉輪的數(shù)控編程提供了很大的幫助。目前應(yīng)用較多的數(shù)控編程軟件中以UG最具代表性。利用UG加工模塊進行葉輪的數(shù)控編程，對加工工序進行規(guī)劃，生成加工的刀具軌跡后在VERICUT等軟件中進行刀具路徑的仿真驗證[2-5]。但UG加工模塊對整體葉輪等復(fù)雜零件的數(shù)控編程操作較多，難以掌握，且編程效率相對較低。國內(nèi)外的學(xué)者[6-7]也利用幾何分析計算和程序語言編程等方法獲得加工區(qū)域的刀具路徑，并進行仿真驗證和誤差分析等。實際加工結(jié)果證明，此類方法有效可行，但過程較為繁瑣。因此，為解決整體葉輪加工數(shù)控編程問題，需開發(fā)或應(yīng)用能夠針對其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的軟件或方法。

hyperMILL是德國OPEN MIND公司的一款CAM軟件，其中的葉輪加工模塊給葉輪類零件的數(shù)控編程提供了便利。本文針對整體葉輪數(shù)控編程復(fù)雜和加工難度大的問題，以半開式整體葉輪為例，在hyperMILL軟件中進行編程。將生成的NC代碼導(dǎo)入到DMU-70V五軸加工中心，完成對Al7050鋁合金葉輪的加工。

1 半開式整體葉輪模型

半開式整體葉輪的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉輪主要由葉片和輪轂組成，若干葉片均勻分布在輪轂曲面上，其中葉片可分為長葉片和短葉片，組成葉片的曲面包括吸力曲面、壓力曲面、前緣、后緣和包覆曲面。包覆曲面由包覆曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到，它限定了葉片的外邊界[6]。

圖1 半開式整體葉輪及其主要結(jié)構(gòu)

本文所采用半開式整體葉輪模型在hyperCAD模塊中建模得到，如圖2所示。該葉輪由7個長葉片和輪轂組成，沒有短葉片。葉片的平均厚度為3mm，葉片的最大高度為33mm，相鄰兩葉片間的最短距離為7.5mm，葉輪底部的最大直徑為φ130mm，整體高度為62mm。

圖2 半開式整體葉輪模型

整體葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其數(shù)控編程和加工的難點主要體現(xiàn)在：①相鄰葉片間的距離較小，加工時易產(chǎn)生干涉，生成無干涉的刀具軌跡較困難；②葉片厚度小，在精加工過程中會出現(xiàn)加工變形和振動等問題，使葉片表面的加工質(zhì)量降低；③葉片的扭曲度較大，使刀具軸線矢量的計算復(fù)雜[8-9]。

2 刀具選擇

選擇合適的刀具材料和刀具類型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質(zhì)量。刀具的選擇需要充分考慮整體葉輪的形狀、材料等各個方面的因素。整體葉輪銑削加工刀具的選取可遵循以下原則：①粗加工時，在流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑刀具，以提高加工效率；②在滿足葉片高度的情況下，為保證刀具有足夠的剛度，其懸伸長度應(yīng)盡可能短；③半精加工和精加工時選擇直徑較小的球頭銑刀，也可選擇帶錐度的刀具[9]。對于鋁合金等易加工材料，可選擇硬質(zhì)合金刀具[10]。

根據(jù)整體葉輪的尺寸、材料等，選擇平底立銑刀和球頭銑刀分別完成各個加工工序。所選刀具的參數(shù)如表1所示。

表1 加工中選用刀具的參數(shù)

3 整體葉輪的數(shù)控編程

3.1 hyperMILL數(shù)控編程過程

在hyperMILL中對整體葉輪加工的各個工序進行數(shù)控編程，其數(shù)控編程與加工的步驟如圖3所示。

圖3 hyperMILL數(shù)控編程及加工過程

將整體葉輪模型導(dǎo)入hyperMILL，并進入加工環(huán)境；新建一個加工工單并在此工單中對刀具、加工區(qū)域、模型和毛坯、加工策略、加工參數(shù)、進退刀以及五軸等進行設(shè)置，然后對刀具路徑進行計算；生成刀位(CL)文件后在軟件中對刀具路徑進行仿真，若出現(xiàn)干涉碰撞，則需重新對工單的設(shè)置進行修改；驗證刀具路徑無誤后，利用后處理器對CL文件進行后處理，得到NC代碼，并導(dǎo)入到機床中進行數(shù)控加工。

3.2 整體葉輪加工工序以及加工參數(shù)確定

根據(jù)所用毛坯的形狀以及整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點，將整體葉輪的加工工序分為毛坯面預(yù)加工、葉輪粗加工、半精加工和精加工。其中，毛坯面預(yù)加工包括毛坯面粗加工和精加工；半精加工過程包括葉片半精加工和葉輪蓋半精加工；精加工過程包括葉片精加工、流道精加工和葉輪蓋精加工。各加工工序所用刀具以及加工參數(shù)如表2所示。

表2 各加工工序使用的刀具及加工參數(shù)

3.3 整體葉輪數(shù)控編程

3.3.1 毛坯面預(yù)加工

毛坯面預(yù)加工的目的是在圓柱形毛坯上加工出葉片的包覆曲面，包覆曲面的加工可以通過車削[11]或者銑削完成。為了減少工件裝夾的次數(shù)，均采用銑削完成。首先采用3D循環(huán)中的“任意毛坯粗加工”的方式進行毛坯面的粗加工，余量0.2mm。然后在3D高級循環(huán)中的“等距精加工”方式下，對毛坯曲面進行精加工，選用螺旋進給方式，避免在包覆曲面上形成垂直進刀的痕跡。生成的刀具路徑如圖4所示。

(a)毛坯面粗加工 (b)毛坯面精加工圖4 毛坯面預(yù)加工刀具路徑

3.3.2 葉輪粗加工

粗加工以去除多余材料為目的，加工出葉片的基本形狀，所以應(yīng)優(yōu)先考慮提高加工效率。本文中的葉輪模型的相鄰兩葉片間的最小距離為7.5mm，若采用直徑較大的刀具則無法加工到葉片的根部或者出現(xiàn)過切現(xiàn)象，若采用直徑較小的刀具則加工效率太低。綜合考慮，可采用不同直徑的刀具進行兩次粗加工的加工方式。在設(shè)置加工策略時，選擇“型腔拆分”功能，對于沒有短葉片的整體葉輪，導(dǎo)入側(cè)較窄，用小直徑的刀具加工，退出側(cè)較寬，用大直徑的刀具加工，如圖5所示。

(a)僅導(dǎo)入側(cè) (b)僅退出側(cè)圖5 型腔拆分加工

兩次粗加工均采用五軸葉輪循環(huán)中的“5X 葉輪粗加工”。第二次粗加工設(shè)置加工策略時選擇型腔拆分中的“僅導(dǎo)入側(cè)”，只對第一次粗加工未加工到的導(dǎo)入側(cè)狹窄部位進行加工。由于刀具直徑較小，所以適當減小切削參數(shù)，水平步距設(shè)為0.5mm，垂直步距設(shè)為1mm。兩次粗加工中，葉片的余量為1.2mm，流道的余量為0.5mm。

五軸設(shè)置可以對加工過程中的刀軸傾斜和刀具避讓策略等進行設(shè)置。采用五軸聯(lián)動的方式進行加工并選擇繞Z軸的避讓策略，以簡化刀具的運動，使切削過程保持穩(wěn)定。

兩次葉輪粗加工的刀具路徑如圖6所示。

(a)第一次粗加工 (b)第二次粗加工圖6 葉輪粗加工刀具路徑

3.3.3 半精加工

葉輪的半精加工可以平滑粗加工產(chǎn)生的粗糙表面，減少粗加工留下的誤差，包括對葉片曲面和葉輪蓋外圓的加工，分別采用“5X 葉輪點加工”和“5X 等高精加工”的加工方式完成。

對葉片曲面的加工采用點加工或者側(cè)刃加工的方式完成。側(cè)刃加工使用刀具側(cè)刃對葉片曲面進行加工，如果刀具側(cè)刃與葉片曲面擬合結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，則應(yīng)優(yōu)先使用此循環(huán)[12]。與點加工相比，側(cè)刃加工所需的加工時間更短。但是，如果葉片曲面扭曲過大，而無法進行側(cè)刃加工時，應(yīng)優(yōu)先考慮使用點加工。在點加工方式中，葉片曲面采用刀具點接觸法，以連續(xù)的、螺旋形的運動進行加工。考慮到本文中采用的葉輪模型的葉片的扭曲度，采用了點加工方式。

銑削策略設(shè)置為環(huán)繞葉片的螺旋刀具軌跡，進刀位置選擇退出側(cè)，余量為0.3mm。葉片半精加工的刀具路徑如圖7a所示。

葉輪蓋外圓的加工采用“5X 等高精加工”的加工方式。選擇螺旋進刀方式，A/B軸的傾斜角度均為20°，并設(shè)置外圓面的上下邊界以確定加工區(qū)域，余量為0.2mm。葉輪蓋半精加工刀具路徑如圖7b所示。

(a)葉片半精加工 (b)葉輪蓋外圓半精加工圖7 葉輪半精加工刀具路徑

3.3.4 精加工

葉輪精加工過程要達到零件要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。該過程分別對葉片曲面、流道曲面和葉輪蓋外圓進行精加工，采用的循環(huán)方式分別為“5X 葉輪點加工”、“5X 葉輪流道精加工”和“5X 等高精加工”。其中，葉片精加工與葉輪蓋外圓精加工的銑削策略和五軸設(shè)置等與半精加工過程相同，僅將步距減小，如表2所示，余量均為0。

流道精加工在葉片之間逐個進行，銑削策略選擇全部，對流道的全部區(qū)域進行精加工，從導(dǎo)入側(cè)進刀，橫向進給策略采用平行雙向加工，余量為0。

葉輪精加工的刀具路徑如圖8所示。

圖8 葉輪精加工刀具路徑

3.4 刀具路徑仿真

生成刀具路徑后需要對其進行仿真模擬，以檢查刀具、工件、機床、夾具和刀柄等各部分之間有無干涉碰撞。在hyperMILL中可以采用內(nèi)部模擬、內(nèi)部機床模擬和hyperVIEW三種方法對生成的刀具路徑進行仿真。

表3 三種刀具路徑模擬方式對比

本文采用內(nèi)部機床模擬驗證生成的刀具路徑。內(nèi)部機床模擬需要考慮加工中所用的機床模型及其各部分的運動學(xué)信息、刀柄和夾具的外形尺寸等參數(shù)，以模擬真實的加工過程，在驗證刀具路徑的同時，檢查各部分是否會出現(xiàn)干涉碰撞。

3.5 后處理

數(shù)控編程生成的CL文件不能直接進行數(shù)控加工。后處理可以對前置處理中生成的CL文件進行轉(zhuǎn)換，生成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的控制指令。不同于三軸聯(lián)動機床，五軸聯(lián)動機床由于回轉(zhuǎn)工作臺或擺動主軸的加入，導(dǎo)致機床結(jié)構(gòu)多樣，運動軌跡坐標變換算法不盡相同，在加工表面曲率變化較大時，也需要動態(tài)調(diào)整進給速度以確保加工件表面質(zhì)量[12]。

在hyperMILL中，利用后處理定制工具hyperPOST創(chuàng)建.oma格式的后處理器，并對生成的CL文件和加工信息進行后處理，生成機床可識別的.h格式的NC加工代碼。圖9所示為葉輪粗加工的部分NC代碼。

圖9 葉輪粗加工過程的部分NC代碼

4 實際加工

在DMU-70V五軸加工中心上完成葉輪零件的加工，機床的部分參數(shù)如表4所示。選用圓柱形的Al7050鋁合金毛坯進行加工，其直徑為φ130mm，高度為180mm。用四爪卡盤固定在機床的工作臺上，如圖10所示。

表4 DMU-70V五軸加工中心部分參數(shù)

圖10 毛坯在工作臺上的裝夾

加工過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過切、欠切等現(xiàn)象。加工完成后利用線切割將整體葉輪與剩余的圓柱毛坯分離，最終的加工結(jié)果如圖11b所示。

(a)加工完成的葉輪 (b)與毛坯分離后的葉輪圖11 加工完成的半開式整體葉輪

5 結(jié)論

(1)基于hyperMILL數(shù)控編程軟件，利用葉輪加工模塊對半開式整體葉輪進行數(shù)控編程。將整體葉輪的加工分為毛坯面預(yù)加工、葉輪粗加工、半精加工和精加工四個加工階段，每一階段包含對不同曲面的加工。其中葉輪粗加工分為兩次加工完成，既避免了過切或欠切，又提高了粗加工效率。

(2)生成的刀具路徑經(jīng)過內(nèi)部機床仿真驗證后，利用特定后處理器得到相應(yīng)的NC加工代碼。

(3)在DMU-70V五軸加工中心上對Al7050鋁合金葉輪進行了加工，整個加工過程經(jīng)過一次裝夾完成，避免了多次裝夾造成的加工誤差。加工過程平穩(wěn)，加工完成的葉輪沒有出現(xiàn)過切、欠切等現(xiàn)象。研究結(jié)果對整體葉輪等復(fù)雜零件的編程加工具有一定的意義。

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(編輯 李秀敏)

Five-axis NC Programming and Machining for Semi-open Integral Impeller Based on HyperMILL

ZHAO Wen-ming, ZHUANG Peng, JU Gang-gang, LIU Zhan-qiang

(Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education, School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

Integral impellers are the key parts of the aero engines and all kinds of turbine machines. There have some difficulties in NC programming and machining of integral impellers, due to their complicated structure. In this paper, taking a semi-open integral impeller as an example, NC program is conducted in hyperMILL. The generated tool paths are simulated with internal machine simulation. Then, a specific postprocessor is used to transform the cutter location (CL) files into NC codes which can be identified by the machine tool. Finally, an Al7050 aluminum alloy integral impeller is processed in DMU-70V five-axis universal milling machine. There are no problems such as interference, overcut and undercut during the machining process. The result indicates that hyperMILL can simplify the NC programming and improve the efficiency of the programming and machining, which provides reference for programming and machining of other same kind of complex parts.

integral impeller; NC programming; five-axis machining; hyperMILL

1001-2265(2017)01-0070-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.019

2016-04-14；

2016-05-04

國家自然科學(xué)基金(51425503) 和高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家科技重大專項(2014ZX04012014)

趙文明(1991—)，男，山東濰坊人，山東大學(xué)碩士研究生，研究方向為切削加工，(E-mail)zhwmgy12@163.com;通訊作者：劉戰(zhàn)強(1991—)，男，濟南人，山東大學(xué)教授，博導(dǎo)，研究方向為高效加工，(E-mail)melius@sdu.edu.cn。

TH164;TG659

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