关于四轴数控铣机床加工整体叶轮的方法

四轴数控铣机床加工整体叶轮的方法

描述

本发明是关于采用四轴数控铣机床加工整体叶轮的数控铣加工方法。

背景

整体叶轮是指将传统叶轮结构的叶片和轮盘设计成整体结构。整体叶轮因为叶型复杂，精度要求高，刀具加工可达性差。叶片薄，扭曲大，叶片间隔小，叶片薄受力后变形大；叶轮材料多为耐高温、具有高比强度比刚度的难加工材料，所以整体叶轮的加工制造很难。整体叶轮是由轮毂和若干叶片构成的，叶片均匀分布在轮毂表面上，相邻两个叶片，以及轮毂面形成的空间为流通道，每个叶片与轮毂的连接处有一个倒圆的过渡面，以保证叶片与轮毂间的光滑拼接。叶片型面是一种不可展直纹面，在直纹面的两条导动曲线中，与轮毂表面相交的那条称为叶根线，而另外一条称为叶顶线，它们分别以列表形式给出。国内外已经采用的加工整体叶轮的方法主要有数控铣削、精密铸造、精密锻造、数控加工、数控电火花加工以及数控组合电加工。数控铣削加工是应用最广泛的整体叶轮制造方法。叶轮是透平机械的关键部件，其数控加工一直是研究的焦点，通常需要在5轴联动数控机床进行加工。美国GE公司和P&W公司、英国R. R公司等在研制整体叶轮时，均采用了五坐标数控铣削加工技术。在整体叶轮的数控加工过程中，刀具的工作空间受到叶轮结构的严格限制，干涉现象比加工自由曲面要复杂的多。相邻叶片间的空间较小，刀具极易与相邻叶片发生干涉。在实际加工中，由于目前国内还没有比较成熟的且适应性强的CAD/CAM系统，绝大多数生产叶轮的厂家还依靠从国外进口的软件来完成其5坐标数控加工。进口软件一般都是封闭的运行模块，其难点和一些关键问题的技术资料很难获得。虽然目前国内多数叶轮生产厂家都采用CAD/CAM软件，但这些软件生成的数控程序并非尽如人意，而且数控铣削加工整体叶轮的数控铣削方法在实际应用时还有若干关键技术问题。其一，由于刀具磨损造成加工误差，虽可采用编程补偿，但其磨损规律有待针对不同材料进行试验研究；其二，随着新型高温、高强度等难切削材料的使用日益增多，且5坐标数控加工对刀具要求更高，由于刀具切削性能却相对落后，使得整体叶轮的数控铣削加工受到很大程度的制约；其三，对于叶间间隙狭窄，弯扭度较大的叶轮而言，直柄刀具很难完成，而且整体开式叶轮类零件受制于五轴机床价格昂贵装备数量少的限制，用五轴机床加工叶轮会造成加工工时成本高昂，大大提高制造成本，而四轴机床相对装备数量较多，使用成本低，有利于降低加工成本。但是传统方法在四轴机床上加工叶轮往往是用球头锥度立铣刀加工，其用球头铣刀进行点切削，不仅加工效率低，而且加工表面的一致性差，表面硬化严重。而且采用固定锥度的刀具加工叶轮，并没有考虑到不同叶轮的曲面变化，加工表面沿走刀方向为凸曲线，刀触点轨迹为凹曲线，加工误差较大，它最后生成的是四轴联动的加工程序，这样由于联动加工运动轴数过多而造成刀具承受较大的切削力，进而引起加工震动过大，使加工零件表面质量下降，光洁度差，接刀痕迹大，并且球头铣刀并不适用于大余量切削，其排屑能力差，使切削速度难以提升造成加工效率低。因此传统四轴机床加工方法在叶轮曲面加工中的零件表面质量并不理想，没有充分发挥出四轴机床加工叶轮曲面类零件的优势。

内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种排屑通畅，切削效率高，加工成本低，能够缩短加工时间，能够简化四轴加工的参与联动的运动轴数，用四轴数控铣机床加工整体叶轮的数控铣加工方法

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种四轴数控铣机床加工整体叶轮的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a) 编程中，在CAD软件PowerSHAPE中根据叶轮参数构建叶轮模型，导入CAM软件 Powermill中，设置加工原点于叶轮回转中心，采用导程参考线投影回转加工方式建立加工策略，由叶轮导程参数生产加工参考线，根据叶轮的导程、直径，叶片厚度参数计算出叶轮叶片的锥度角；在刀具管理模块中，按照叶片高度、槽宽和锥度角生成锥度平底立铣刀2模型，在刀具轴矢量模块中选择固定轴模式，采用导程参考线投影回转加工方式，使铣刀跟随叶轮导程曲率变化进行多轴联动铣削加工；再用固定轴方式设置刀具轴线垂直于加工路径方向，走刀方向与叶轮回转轴心线4重合，生成四轴机床X轴和A轴的联动加工刀路轨迹程序，根据加工机床控制系统和结构调用相对应后处理生成加工程序；

(b) 将叶轮零件1固定于四轴机床的回转轴A轴中心，并将机床Y向和Z向的加工原点设置在A轴回转中心；并在加工中将锥度平底立铣刀2加工方向设置为机床回转轴方向 X向，加工中Y向保持回转轴心位置不变；

本发明相比于现有技术具有如下有益效果，

本发明采用锥度平底立铣刀2进行整体开式叶轮1的四轴加工，其刀具相比直柄立铣刀和锥度球头立铣刀具有更好的加工刚性及排屑性，更适合于叶间间隙狭窄，弯扭度较大的叶轮加工。

本发明根据不同的叶轮参数计算出锥度刀具的锥角，控制刀具轴心3与叶轮轴心线4重合，保持加工走刀方向并沿叶轮回转轴心线4进行，完全用刀具锥度面做叶片曲面的拟合加工，通过四轴机床X轴和A轴多轴联动的方式实现叶轮的曲面加工，可以充分发挥四轴机床旋转工作台的加工能力，简化四轴加工参与联动的运动轴数。这种方法能够提高加工效率和零件表面光洁度，更好的发挥四轴数控机床的加工性能以提升生产效率。

本发明根据叶轮的导程、直径，叶片厚度等参数计算出叶轮叶片的锥度角，由叶片高度和槽宽制作出专用锥度平底立铣刀2,并在加工中将锥度平底立铣刀2加工方向设置为机床回转轴方向X向，加工中Y向保持回转轴心位置不变，使锥度平底立铣刀2锥面跟随叶轮导程曲率变化进行曲面联动铣削加工，由于平底锥度平底立铣刀2加工线速度相比球型铣刀要大，提高了加工效率和零件表面光洁度，充分发挥出了四轴机床联动加工的技术优势。

本发明在编程软件中采用四轴回转加工策略，使铣刀锥面跟随叶轮导程曲率变化进行曲面联动铣削加工，加工中Y向保持回转轴心位置不变，由于锥度平底立铣刀2其加工线速度相比球型锥度平底立铣刀2要大，排屑通畅，切削效率高，可以使加工时间缩短，提高生产效率。

本发明将叶轮零件1固定于四轴机床的回转轴中心，并将机床Y向和Z向加工原点设置在A轴回转中心，可最大程度的优化刀具加工路径，简化四轴时加工的参与联动的

运动轴数。

本发明根据叶轮的参数计算出叶轮叶片锥度角，制作专用锥度平底立铣刀2加工叶片曲面，采用锥度平底立铣刀2加工即保持了刀具的刚性，又适合加工叶片间的深槽。

本发明在程序编制中采用导程参考线投影回转加工方式，使铣刀跟随叶轮导程曲率变化形成多轴联动刀路，用铣刀锥度加工面进行曲面的拟合铣削加工，采用固定刀轴运动方式设置刀具加工路径，可生成简洁高效的四轴机床多轴联动加工的数控程序。

本发明对叶片加工尺寸的公差调整，以及针对由于刀具磨损造成加工误差，可在编程中沿X轴坐标方向进行偏移补偿。其偏移值可依据叶片曲面与刀具接触点处曲面法矢偏移量，根据尺寸的调整需要，由叶轮导程参考线与叶轮轴向夹角计算X轴坐标方向的偏置值。

实施

参阅图1、图2 。按照图1所示叶轮所提供参数情况，可在CAD软件PowerSHAPE中根据叶轮参数构建叶轮模型，导入CAM软件Powermill中，设置加工原点于叶轮1回转中心，采用导程参考线投影回转加工方式建立加工策略，由叶轮导程参数生产加工参考线，根据叶轮的导程、直径，叶片厚度参数计算出叶轮叶片的锥度角，在刀具管理模块中，按照叶片高度、槽宽叶片和锥度角生成锥度平底立铣刀2模型，在刀具轴矢量模块中选择固定轴模式，采用固定轴方式设置刀具轴心线3垂直于加工路径方向，走刀方向与叶轮回转轴心线4重合，控制铣刀跟随叶轮导程线曲率变化进行多轴联动铣削加工，可生成四轴机床X轴和A轴的联动加工刀路轨迹，根据加工机床控制系统和结构调用相对应后处理生成加工程序。然后用仿真软件Vericut进行数控程序加工干涉过切验证，确保加工不发生过切和碰撞后，可在四轴联动加工中心进行叶轮的多轴联动加工。

将锥度平底立铣置于叶轮回转轴心，根据典型四轴机床VMC700其结构带A轴旋转工作台的特点，将叶轮零件1固定于四轴机床的回转轴A轴中心，并将机床Y向和Z向的加工原点设置在A轴回转中心，保持加工中Y向处于回转轴心位置不变。根据叶轮的导程、直径，叶片厚度等参数计算出叶轮叶片的锥度角，由叶片高度和槽宽制作出专用锥度平底立铣刀2,并在加工中将锥度平底立铣刀2的刀具轴心线3与叶轮回转轴心线4重合。而对于叶片加工尺寸的公差调整，以及针对由于刀具磨损造成加工误差，可在编程中保持加工中Y 向处于回转轴心位置不变，沿X轴坐标方向进行偏移补偿，其偏移值可依据叶片曲面与刀具接触点处曲面法矢偏移量，根据尺寸的调整需要，由叶轮导程参考线与叶轮轴向夹角计算X轴坐标方向的偏置值。在程序编制中将刀具起点位置沿X轴向偏移，采用导程参考线投影回转加工的加工策略，使锥度平底立铣刀跟随叶轮导程曲率变化形成多轴联动加工数控程序。

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