柯文場，康曉崇

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

基于PowerMill的機(jī)械增壓器螺旋轉(zhuǎn)子四軸加工技術(shù)

柯文場，康曉崇

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

文章以羅茨泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子的四軸聯(lián)動加工為例，通過研究螺旋轉(zhuǎn)子的成型規(guī)律，以PowerMill軟件為平臺，在羅茨泵的轉(zhuǎn)子三維模型基礎(chǔ)上，利用PowerMill多軸加工策略和刀具路徑的旋轉(zhuǎn)復(fù)制功能、驅(qū)動曲線得到最佳的刀具路徑，介紹了PowerMill四軸數(shù)控加工的方法與技巧。提出采用多軸加工，能簡化工藝工裝，降低由于操作誤差對產(chǎn)品精度的影響，縮短加工時間并獲得更好的加工表面質(zhì)量。

螺旋轉(zhuǎn)子；PowerMill；四軸聯(lián)動數(shù)控加工

1 引言

PowerMill軟件是美國Autodesk公司出品的功能強(qiáng)大，加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件系統(tǒng)。軟件采用全新的中文Windows用戶界面，提供了完善的多軸加工策略。能對2～5軸的數(shù)控加工包括刀柄、刀具進(jìn)行完整的干涉檢查與排除，具有集成一體的加工實(shí)體仿真功能，方便用戶在加工前了解整個加工過程及加工結(jié)果，保證安全、節(jié)省加工時間[1]。

2 五軸加工中心

五軸加工中心的結(jié)構(gòu)是在立式加工中心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加兩個旋轉(zhuǎn)軸，一般旋轉(zhuǎn)軸添加在與 X 軸軸線平行的工作臺面上，此旋轉(zhuǎn)軸定義為 A 軸；繞Y軸旋轉(zhuǎn)的軸為B軸；繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸為C軸[2]。

3 機(jī)械增壓器螺旋轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

羅茨鼓風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，目前較為流行的主要有羅茨式等類型[3][4]，其原理是增壓器內(nèi)部有一組彼此嚙合的葉輪進(jìn)行相反方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將空氣推入到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管里面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子采用的是直葉式，但是隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，螺旋曲面開始大量的應(yīng)用在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)當(dāng)中，其排量和穩(wěn)定性均高于直葉式，逐漸成為轉(zhuǎn)子的主流設(shè)計(jì)方式。制造螺旋齒面的傳統(tǒng)方法為仿型銑削，但該方法存在加工效率不高，齒面光潔度不好的問題。為改善以上問題，本文以使用材料6063#鋁加工螺旋齒面轉(zhuǎn)子（圖2）為例，加工部分長105mm，直徑Φ76mm，右旋螺距153mm。

圖2

4 螺旋齒面加工工藝分析

在螺旋轉(zhuǎn)子中，齒形面為螺旋面如圖2，屬于直紋面，加工精度高，需要一次性對齒面進(jìn)行加工，不能出現(xiàn)接刀或是刀具震顫的情況，因此采用以下裝夾方式（如圖3）。

圖3

4.1 工件安裝

以數(shù)控機(jī)床的工作臺的回轉(zhuǎn)中心為工件中心安裝定位，如圖4所示，可以最大限度的利用機(jī)床自身的定位精度，提高加工質(zhì)量。

圖4

4.2 加工坐標(biāo)系的設(shè)置

編程原點(diǎn)為工件上表面的中心，如圖5所示。

圖5

4.3 工序安排

采用PowerMill自帶的多軸加工策略“線框SWARF精加工”策略進(jìn)行開粗加工；以“曲面精加工”策略進(jìn)行齒面的半精加工和精加工。

4.4 機(jī)床設(shè)備

采用DMG HSC75linear五軸高速加工中心加工轉(zhuǎn)子，用四軸聯(lián)動的加工方式對轉(zhuǎn)子進(jìn)行加工，采用球頭刀銑削螺旋面，其加工過程為：刀具沿著Y軸和Z軸做勻速進(jìn)給的直線運(yùn)動，毛坯料沿著X軸做勻速直線運(yùn)動同時繞Z軸做C軸勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且刀軸始終垂直于螺旋面的軸線，軸的規(guī)律的運(yùn)動，即可加工出螺旋面，如圖6所示。

圖6

5 在PowerMill中具體編程過程

5.1 將模型導(dǎo)入到PowerMill中并建立編程坐標(biāo)系，如圖7所示。

圖7

5.2 在建模軟件（如Powershape）中建立兩條引導(dǎo)線作為刀具路徑的驅(qū)動線，并導(dǎo)入PowerMill中，如圖8所示。

圖8

5.3 創(chuàng)建加工所用球刀，粗加工采用半徑為5mm的球頭刀，精加工采用半徑為3mm的球頭刀。

5.4 創(chuàng)建粗加工程序

5.4.1 采用“線框SWARF精加工”的加工策略，從刀具路徑中調(diào)用出該加工策略（見圖9）。

圖9

5.4.2 設(shè)置相應(yīng)的加工參數(shù)和切削參數(shù)，“驅(qū)動曲線”分別選擇參考線1和參考線2，作為創(chuàng)建刀具路徑的依據(jù)，同時設(shè)置切入和切出為“延伸移動”，計(jì)算刀具路徑，如圖10。

圖10

5.4.3 利用旋轉(zhuǎn)指令將刀具路徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制即可得到另外3個齒槽銑削的刀具路徑，如圖11所示。

圖11

5.5 創(chuàng)建半精加工程序

5.5.1 在PowerMill中選擇“曲面精加工”加工策略，設(shè)置參數(shù)選擇“曲面?zhèn)取睘椤巴狻?，“加工方向”為“U”，切入和切出設(shè)置為“延伸移動”，計(jì)算得到圖12所示的加工刀具路徑。

圖12

5.5.2 采用相同的方法進(jìn)行設(shè)置，將刀具路徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到整個齒面的半精加工程序，如圖13所示。

圖13

5.5.3 由于精加工和半精加工采用的加工策略一樣，故只需改變切削用量，即可得到，這里不再贅述。

5.6 仿真刀具路徑

5.6.1 對粗加工刀具路徑進(jìn)行仿真，得到如圖14所示仿真結(jié)果。

圖14

5.6.2 對半精加工和精加工刀具路徑進(jìn)行仿真，得到圖15、圖16仿真結(jié)果。

圖15

圖16

6 編程方法總結(jié)

基于PowerMill四軸聯(lián)動的加工，是采用其兩個精加工策略，分別完成對螺旋齒面的粗加工、半精加工和精加工[5][6]。

6.1 在“線框SWARF精加工”的編程中，首先應(yīng)做出刀具移動的參考線，即人為設(shè)置刀具所走的加工路徑，這要求編程人員要充分地分析加工模型，找到最佳的走刀路徑。在使用該策略時，需要建立兩條參考線，該加工策略才能使用，一條參考線是控制刀軸的運(yùn)動，另一條參考線用來控制刀具的切削中心的運(yùn)動，這樣PowerMill計(jì)算出的刀具路徑才是正確的。

6.2 在“曲面精加工”的編程中，需遵守2個原則：第1個原則是要加工的曲面必須是直紋面，并且是一張曲面（該策略只能對一張曲面進(jìn)行編程）；第2個原則是在進(jìn)行走刀路徑設(shè)置時，要注意U、V兩個方向的選擇，針對不同擬合角度的曲面，U、V的方向選擇有所不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷，這要求編程人員進(jìn)行數(shù)控仿真和加工經(jīng)驗(yàn)的積累，才能得到最佳的U、V方向設(shè)置。

6.3 加工曲面需要選擇合適的切削刀具和合適的加工參數(shù)，對于要求較高的曲面，需采用高速切削的方法，傳統(tǒng)的重削已無法滿足苛刻的表面質(zhì)量。因此，選擇適合的加工設(shè)備才能加工出合格的曲面。

7 結(jié)語

以上介紹了基于PowerMill的四軸數(shù)控編程方法，包括了工藝編制、加工策略選擇及參數(shù)設(shè)置。只有做出合理的加工方案，才能實(shí)現(xiàn)螺旋齒面的高效、高質(zhì)量加工。當(dāng)前，數(shù)控加工向著高速、高精的方向發(fā)展，采用多軸加工，能簡化工藝工裝，降低由于操作誤差對產(chǎn)品精度的影響，大大縮短了加工時間并獲得更好的加工表面質(zhì)量。

[1] 賴新建,曾昭孟,何華妹.CimatronE多軸數(shù)控加工基礎(chǔ)教程[M].北京∶人民郵電出版社,2009.

[2] 程奎.四軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動分析及加工應(yīng)用研究［D］.西安∶西安理工大學(xué)，2010∶13-17.

[3] 李惠彬,周江偉,孫振蓮.車用渦輪增壓器噪聲與振動機(jī)理和控制[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2012∶20-26.

[4] 謝捷.螺旋槳葉輪自由曲面造型與五軸高速數(shù)控加工技術(shù)的研究[D].合肥∶合肥工業(yè)大學(xué),2008∶50-51.

[5] 巫修海,張寶夫,程子瑜.羅茨真空泵螺旋轉(zhuǎn)子的CAD/CAM技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程,2011(5)∶81-84.

[6] 孔杰,覃嶺,高文博,等.基于MasterCAM的等牙頂寬變螺距螺桿的數(shù)控四軸銑削加工[J].機(jī)床與液壓,2013(4)∶68-70.

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.11.003

TP391.73

A

1007-550X（2017）11-0033-04

2017-09-19

柯文場（1981- ），男，福建晉江人，講師，主要從事數(shù)控加工及模具制造技術(shù)的教學(xué)工作。