基於 hyper MILL 的半（bàn）開式整體葉輪五軸數控編程與加工技（jì）術
2019-1-16 來源： 山東大學 機械工程學院 高效潔淨機械製 作者：趙（zhào）文明，莊 鵬，鞠崗崗，劉戰強
摘要: 整體葉（yè）輪是航空發動機和各類透平（píng）機械的關鍵零部件。針對整體葉輪（lún）因結構複雜而導致數控編程和加（jiā）工難度大的特點，首先，以半（bàn）開式整體葉輪為例，在 hyper MILL 軟件（jiàn）中進（jìn）行（háng）五軸數控編程。然後，編程得到（dào）的刀（dāo）具軌跡經過內部（bù）機床仿真驗（yàn）證，利（lì）用後處理器將刀位( CL) 文件轉換成機床（chuáng）可識別的 NC 加工代碼。最後，在（zài） DMU － 70V 五（wǔ）軸加工中心上對 Al7050 鋁合金整（zhěng）體葉輪進行加工。加工過程（chéng）中（zhōng）沒有出現幹涉、過切、欠切等問題。結果表明 hyper MILL 可以簡化編程的過程，提（tí）高編程和加工（gōng）的效（xiào）率，為其它（tā）同類複雜零件的編程加工提供了依（yī）據。
關鍵詞: 整體葉輪; 數控（kòng）編程; 五（wǔ）軸（zhóu）加工; hyper MILL
0 引言
整體式葉輪（lún）已經（jīng）開始應用於航空發動（dòng）機、燃氣（qì）輪（lún）機、離心泵等透平機中。葉輪的加工質（zhì）量對於透平機性能有非常大的影響。然而，由於整體葉輪有複雜的曲（qǔ）麵和扭曲的葉片等複雜結（jié）構，使得葉輪的加工十分困難，數控編程軟件生成的 NC 代碼可能存在過切、欠切和幹涉等問題，如（rú）何快速準確地生成 NC 加工（gōng）程序成為製（zhì）約葉輪加工的（de）關鍵（jiàn）。CAM 軟件已經在複雜零（líng）件的數（shù）控編（biān）程方麵得到（dào）了廣泛的應用，為整體葉輪的數控編程（chéng）提（tí）供了很大的（de）幫助。
目前應用（yòng）較多的數控編程軟件中以 UG 最具代表性。利用 UG 加工模塊進（jìn）行葉輪的數控編程，對加工工序進行規劃（huá），生成加工的刀（dāo）具軌跡後在 VEＲICUT等軟件（jiàn）中進行刀具路徑的（de）仿真（zhēn）驗證。但 UG 加工模塊對整體葉輪等複雜零件的數控編程操作較多，難以掌握，且編程效率相對較低。國內外的學者也利用幾何分析計算和程（chéng）序語（yǔ）言編程等方法獲得加工區域的刀具路徑，並進行仿真驗證（zhèng）和誤差分析等。實際加工結果證明，此類方法有（yǒu）效可行，但過程較為繁瑣。因此，為（wéi）解決整體葉輪加工數控編程問題，需（xū）開發或應用能夠針對其複雜結構的軟件或方（fāng）法。
hyper MILL 是（shì）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（líng）件的數（shù）控編程提供了便利。本（běn）文（wén）針對整體葉輪數控編程複雜和加工難度大的問題，以半開（kāi）式整體（tǐ）葉輪為（wéi）例，在 hyper MILL軟件中進行編程。將生成的 NC 代碼導（dǎo）入（rù）到 DMU-70V五軸加工中心，完（wán）成對（duì） Al7050 鋁（lǚ）合金葉輪的加工。
1、半（bàn）開（kāi）式整體葉輪模型
半開式整體葉輪的典型結構如圖 1 所示。葉輪主要由葉片和輪轂組成，若幹葉片均勻分布在輪轂曲麵上，其中葉片可分為長葉片和短（duǎn）葉片，組成葉片的曲（qǔ）麵包括吸（xī）力曲麵、壓力（lì）曲麵、前（qián）緣、後緣和包（bāo）覆曲麵。包（bāo）覆曲麵由包覆曲線繞中心軸旋轉（zhuǎn）得到，它限定了葉片（piàn）的外邊界。
圖 1 半開（kāi）式（shì）整體葉輪及其主要結構
本文所采用半開式整體葉輪模（mó）型在 hyper CAD 模塊中建模得到，如圖 2 所示。該葉輪由（yóu） 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（dǐ）部的最大直徑為 130mm，整體高度為62mm。
圖（tú） 2 半開式整體葉輪模型
整體葉輪結構複雜，其數控編程和加工的難點主要體現在: ①相鄰葉片間的距離較小，加工時易產生幹涉，生成無幹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加工變形和振動等問題，使葉片（piàn）表麵的加工質量降低; ③葉片的扭曲度較大，使刀具軸線矢量的計算複雜。
2 、刀具選擇（zé）
選擇合適的刀具材（cái）料和刀具類型不僅可以保證加工（gōng）效率，而且能夠滿足零件（jiàn）的加工質量。刀具的選擇需要充分考（kǎo）慮整體葉輪的（de）形狀、材料等（děng）各個（gè）方麵的因素（sù）。整體（tǐ）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（jiā）工（gōng）效（xiào）率; ②在滿足葉片高度（dù）的情況下，為（wéi）保證（zhèng）刀具（jù）有足夠的剛度，其懸伸長度應盡可能短; ③半精加（jiā）工和精加工時選擇直徑較小的球頭銑刀，也可選（xuǎn）擇帶錐度的刀具。
對於鋁合金等易加工材料，可選（xuǎn）擇硬質合金刀。根據整體葉輪的尺寸、材料等，選擇（zé）平底立（lì）銑刀和球頭（tóu）銑刀分別完成各個加工工序。所選刀具的參數如表 1 所示。
表 1 加工中選用刀具（jù）的（de）參數
3 、整體葉輪的（de）數（shù）控編程
3． 1 hyper MILL
數控編程過程在 hyper MILL 中對整體葉輪加工的各個工序進行數控編程，其數控編程與加（jiā）工的步驟（zhòu）如圖 3 所（suǒ）示。
圖 3 hyper MILL 數控編程及加工過程
將整體葉輪（lún）模型導入 hyper MILL，並進入加工（gōng）環境; 新建一個加工工單並在此工單中對（duì）刀具、加工區域、模型和毛（máo）坯、加工策略（luè）、加工參數、進退刀以及五軸等進行設置，然後對刀具路（lù）徑進行計算; 生成刀位( CL) 文件後在軟件中對（duì）刀（dāo）具路徑（jìng）進行仿真，若出現幹涉碰撞，則（zé）需重新對工單（dān）的設置進行修改; 驗證（zhèng）刀具路徑無誤後，利用後處理器對 CL 文（wén）件進行後處理，得到NC 代碼，並導入到機（jī）床中進行數控加工。
3． 2 整體葉（yè）輪加工（gōng）工序以及加工參數確定
根據所用毛坯的形狀（zhuàng）以及整體葉輪的結構特點，將整體（tǐ）葉輪（lún）的加工工序分為毛坯麵預加工、葉輪粗加工、半精加工和精加工。其中，毛坯麵預加工包括毛坯麵粗加工和精加工; 半精加工過程包括葉片半精加（jiā）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（jiā）工。
各加工工序所用刀（dāo）具以及加工參數如表 2 所示。
表 2 各加工工（gōng）序使用的刀（dāo）具及加工參數
3． 3 整體葉輪數控編程
3． 3． 1 毛坯麵預加工
毛坯麵（miàn）預加工的目的（de）是在圓（yuán）柱形毛坯上加工出葉（yè）片的（de）包覆曲麵，包覆曲麵的加工可以（yǐ）通（tōng）過車削 或（huò）者銑削完成。為了減少（shǎo）工件裝夾（jiá）的（de）次數，均采用銑削完成。首先采用 3D 循環中的“任意毛坯粗加工”的方式進行毛坯（pī）麵的粗加工，餘量 0． 2mm。後在 3D 高級循環中的“等距精加工”方式下，對（duì）毛坯（pī）曲麵進行精加工，選用螺旋進給方式，避免在包覆曲麵（miàn）上形成垂直進刀的痕跡。生成的刀具路徑如圖 4 所示。
圖 4 毛坯麵（miàn）預加工刀具路徑
3． 3． 2 葉輪粗加工
粗加工以去除多餘材料為目的，加工出葉片的基本形狀，所以應優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（jìng）較大的刀具（jù）則（zé）無法加工到（dào）葉片的根部或者出現過切現象，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（jìn）行兩次粗（cū）加工的加工方式。在設置加工策（cè）略（luè）時，選擇（zé）“型腔拆分”功（gōng）能，對於沒有短葉片的整體（tǐ）葉輪，導入（rù）側較窄，用小直徑的刀具加工，退出側較寬，用大直徑的刀具加工，如圖 5所示。
圖 5 型腔拆（chāi）分加工
兩次粗加工均采用五軸葉輪循環中的（de）“5X 葉輪粗加工”。第二次粗加工設置（zhì）加工策略時選（xuǎn）擇型腔拆分中的“僅導入（rù）側”，隻對第一次粗加工未加工到的導入側狹窄部位進行加工。由於刀具直徑較小，所（suǒ）以適當減小切削參數，水平步距設為 0． 5mm，垂直步距設為1mm。兩次粗加工中，葉片的餘量為 1． 2mm，流道的餘量為 0． 5mm。五軸設置可以對（duì）加工過程中的刀軸傾斜和刀具避讓策略等進行設置。
采用五（wǔ）軸（zhóu）聯動的方式進行（háng）加工並選擇繞 Z 軸的避讓策略，以簡化刀具的運動，使切（qiē）削過程保持穩（wěn）定。兩次葉輪粗加（jiā）工的刀具路徑如圖 6 所示。
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生的粗糙表麵，減少粗加工留下的（de）誤差，包括對葉片曲麵和葉輪蓋外圓的加工（gōng），分別采（cǎi）用“5X 葉輪點加工”和“5X 等高精（jīng）加（jiā）工”的加（jiā）工方式完成。對葉片曲麵的加工采用點加工或者側刃加工的方式完成。側刃加工使用刀具側刃（rèn）對葉片（piàn）曲麵（miàn）進行加工，如果刀具側刃與葉片曲麵擬合結果在可接（jiē）受的（de）範圍內，則應優先使用此循環。
與點加工相比，側刃加工所需的加工時間（jiān）更短。但是，如果葉片曲麵（miàn）扭（niǔ）曲過大，而無法進行側刃加工（gōng）時，應優（yōu）先考慮使用點加工。在（zài）點加（jiā）工方（fāng）式中，葉片曲麵采用刀具點接觸法，以連續的、螺旋形（xíng）的運動（dòng）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（shì）。銑削策略設置為環繞葉片的螺旋刀具軌跡，進（jìn）刀位置選擇退出側，餘量為 0． 3mm。葉片半精加工的刀具路徑如圖 7a 所示（shì）。
葉輪蓋外圓的加工采用“5X 等（děng）高精加工”的加工方式。選（xuǎn）擇螺旋進刀方式，A/B 軸的傾斜角度均為20°，並設置外圓麵（miàn）的上下邊界以確（què）定加工區域，餘量為 0． 2mm。葉輪蓋半精加工刀具路徑如圖 7b 所示。
圖 7 葉輪半精加工刀具路徑
3． 3． 4 精加工
葉輪精加（jiā）工過程要達到零件要求的尺寸精度和表（biǎo）麵質量。該過程分別（bié）對葉片曲麵、流道曲（qǔ）麵和葉輪蓋（gài）外圓進（jìn）行精加工，采（cǎi）用的循環方式分（fèn）別為“5X 葉輪點加（jiā）工”、“5X 葉（yè）輪流道精加（jiā）工”和“5X 等高（gāo）精加工”。其中，葉片精加工與葉輪蓋外圓精加工的銑削策略（luè）和五軸設置等與半精加工過（guò）程相同，僅將步距減小（xiǎo），如表2 所示，餘（yú）量均為（wéi） 0。流道精加工在葉片之間逐個進行，銑削策略選（xuǎn）擇全部，對流道的全部（bù）區域進行精加工，從導入側進刀，橫向進給策略采用平行雙（shuāng）向加工，餘（yú）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
生成刀具路徑後需（xū）要對其進行仿（fǎng）真模（mó）擬，以檢查刀具、工件、機床、夾具和刀柄（bǐng）等各部分（fèn）之間有無幹（gàn）涉碰撞。在 hyper MILL 中可以采用內部模擬、內部機床模擬和 hyper VIEW 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
本文采用內部機床模擬驗證生成的刀具路徑。內部（bù）機床（chuáng）模擬需要考慮加工中所用的（de）機床模型及其各部分（fèn）的運動學信息、刀柄和（hé）夾具的外形尺寸等參數，以模擬真實的加工過程，在驗（yàn）證刀具路（lù）徑的同時，檢查各部分是否會出現幹涉碰撞。
3． 5 後處理數控編程
生成的 CL 文件（jiàn）不能（néng）直接進行數控加工。後處理可以對前置（zhì）處理中生成（chéng）的（de） CL 文件進行轉換，生成（chéng）數控係統能夠（gòu）識別（bié）的控製指令（lìng）。不同於三軸聯動機（jī）床，五軸聯動機床由於回轉工作台或擺動主軸的加入，導致機床結構（gòu）多樣，運動軌跡坐標變換算法不盡相同，在加工表麵曲率變化較大時，也需要（yào）動態調整（zhěng）進給速度以確保加工件（jiàn）表麵質量（liàng）。
在 hyper MILL 中，利用後處理定（dìng）製工具 hyper POST創建． oma 格式的後處理器，並（bìng）對生成的 CL 文件和加工信息進行後處理，生成機床可識別的． h 格式的 NC加工代（dài）碼。圖 9 所示為葉輪（lún）粗加工的（de）部分 NC 代碼。
圖 9 葉輪粗（cū）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（shàng）完成葉輪（lún）零件的加工，機 床 的 部 分 參 數 如 表 4 所示。選 用 圓 柱 形 的（de）Al7050 鋁合（hé）金毛坯進（jìn）行加工，其直徑為 130mm，高（gāo）度為
180mm。用（yòng）四爪卡盤固定在機床的工作台上，如圖10 所示（shì）。
表 4 DMU-70V 五軸（zhóu）加工中心部分參數
圖 10 毛坯在工作台上的裝夾
加工過程穩定，沒有出現過切、欠切等現（xiàn）象。加工成後利用線切割將整體（tǐ）葉輪與（yǔ）剩餘的圓柱毛坯（pī）分離，最終的加工結（jié）果如圖 11b 所示
圖 11 加工完成的半開式整體葉輪（lún）
5 、結論
( 1) 基於 hyper MILL 數控編程軟件，利用葉輪加工（gōng）模塊對半開式整體葉輪進行數控編程。將整（zhěng）體葉輪（lún）的加工分為毛坯麵預（yù）加工、葉輪（lún）粗（cū）加工（gōng）、半（bàn）精加工和（hé）精加工四個加工階段，每一（yī）階段包含對不同（tóng）曲麵的加工。其中葉輪粗加工分為兩（liǎng）次加工完（wán）成，既避免（miǎn）了過（guò）切或欠切，又提高了粗加工效（xiào）率。
( 2) 生成的刀（dāo）具路徑經過內（nèi）部機（jī）床仿真驗證後，利用特定後處理器得到相應的 NC 加工代碼。
( 3) 在 DMU-70V 五軸加（jiā）工中心上對 Al7050 鋁合金葉輪（lún）進行了加工，整（zhěng）個（gè）加工（gōng）過程經過一次裝夾完成，避免了多次（cì）裝夾造（zào）成的加工誤差。加工過程平穩，加工完成的葉輪沒有出現過切、欠切等現象。
研究結果對整體葉輪（lún）等複雜零件的編（biān）程加工具有一（yī）定的意義。
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