整體葉輪五軸加工刀軌規劃與仿真加工及優化

李 強,黃 勇

(新疆工程學院,新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

整體葉輪是風機、壓縮機、泵和透平機等產品的關鍵部件,其加工質量對產品的性能有著重要的影響。與分離式結構的葉輪相比,整體葉輪具有體積小、重量少、負載能力大、轉速高、可靠性高、壽命長等優點[1]。然而由于葉輪采用了整體式結構,導致葉輪結構復雜、加工精度要求高,葉片表面多為空間自由曲面,形狀復雜,葉片薄,加工過程中易發生振動和變形,而且流道深且窄,加工時易發生干涉,加工難度非常大。目前,整體葉輪的加工方法主要有:多軸聯動數控銑削加工、精密鑄造、高性能焊接、數控電解、數控電火花等工藝。這些方法各有特點,多軸數控銑削加工是最早采用,而且是當今應用最廣泛的整體葉輪加工方法,具有加工精度高、速度快、可靠性高等特點,特別適合高轉速、高強度、高可靠性、壽命要求長的整體葉輪加工[2]。

雖然數控自動編程能夠自動生成加工刀軌,可以觀察刀具運動軌跡是否正確,但是實際加工過程較為復雜,很難準確計算刀具與機床部件、夾具、工件之間是否存在干涉、過切、少切等情況。VERICUT是一款專業的數控加工仿真軟件,運用先進的三維顯示及虛擬制造技術,能夠根據實際加工時使用的機床、刀具、夾具、工件情況,構建與之一致虛擬加工環境,模擬數控加工過程,檢查加工過程中存在的問題,并能夠實現加工軌跡優化和加工參數優化,可以提高產品的加工效率和加工質量,保證生產過程的安全性和數控加工程序的正確性。

本文根據整體葉輪的結構特點,制定適合的五軸數控加工工藝,規劃合理的整體葉輪加工刀具軌跡,應用UGCAM生成數控加工程序,應用VERICUT軟件驗證程序的安全性、正確性,并對加工過程進行優化。

1 整體葉輪五軸加工工藝

1.1 制定整體葉輪五軸加工工藝

加工整體葉輪(圖1),葉片薄、曲面復雜,流道深且窄,屬于典型的五軸加工零件。雖然UGNX10的加工模塊有專門針對葉輪多軸加工的設置“mill_multi_blade”,但是由于該模塊加工過程中刀軸是自動控制的,易出現系統找不到無碰撞的刀軸方位,而導致某些部分沒有被切削的現象,需要多次調整刀軸位置才能實現整個區域的加工,降低了加工效率[3]。本文作者采用mill_multi_axis模塊對整體葉輪進行加工,設置更為合理的刀軸控制,使加工操作更方便,提高了加工效率和質量,具體工藝如表1所示。

表1 整體葉輪加工工序卡Tab.1 integral impeller processing procedure card

圖1 整體葉輪Fig.1 Integral impeller

1.2 整體葉輪五軸數控加工刀軸的控制

五軸加工中,刀軸的控制關系到曲面加工的完整性以及刀具是否發生干涉,是影響曲面加工質量的主要因素之一,目前,五軸加工曲面刀軸控制方法有如下3種形式。

(1) 刀軸垂直于表面,刀軸的方向始終與曲面法矢量方向平行,適合應用于平銑刀端銑加工。

(2) 刀軸平行與表面,適合應用于側銑加工。

(3) 刀軸傾斜于表面,刀軸與曲面間有前傾角和側偏角,是五軸數控加工曲面刀軸控制的基本形式[4]。

整體葉輪的葉片可以分為可展直紋面、非可展直紋面、自由曲面3種。對于可展直紋面,可采用刀軸平行于曲面的側銑法加工,對于非可展直紋面和自由曲面可選擇刀軸傾斜于曲面或刀軸垂直于曲面加工。

2 整體葉輪五軸加工刀具軌跡規劃

五軸曲面加工時,刀具運動軌跡的計算過程可表述為:先確定加工曲面,然后按照導動規則約束生成切觸點曲線,最后根據刀軸矢量及刀具偏置計算生成刀具軌跡曲線[5](圖2)。

圖2 刀具軌跡計算過程Fig.2 Calculation process of the tool path

2.1 粗加工刀具軌跡規劃

葉輪粗加工在整個加工過程中消耗的時間較長,且粗加工后毛坯余量是否均勻也直接影響精加工的精度和質量,因此,合理規劃粗加工的加工軌跡很重要[6]。對于流道曲面粗加工,為了提高加工效率,采用直徑較大的球頭刀D10R5B2,往復式分層加工。驅動方法選擇曲面,以被加工的流道曲面為驅動幾何體,切削模式為往復,投影矢量為垂直于驅動體,刀軸設置為朝向點,此時刀具與流道曲面間為點接觸切削,由于切削量較大,切削參數設置多刀路,生成流道粗加工刀軌(圖3)。

圖3 葉輪流道粗加工刀具軌跡Fig.3 Rough machining tool path of impeller flow passage

2.2 半精加工刀具軌跡規劃

為了進一步減少加工余量,使余量更加均勻,提高加工精度,需要對葉輪葉片進行半精加工。對葉片進行半精加工時,驅動方法選擇曲面,以被加工葉片為驅動幾何體,切削模式為單向,由于切削量較大,切削參數設置多刀路,投影矢量垂直于驅動體,刀軸設置為側刃驅動體,2°,此時刀具與葉片間為線接觸,能夠提高切削效率和表面質量。生成葉片半精加工刀具軌跡(圖4)。

圖4 葉片半精加工刀具軌跡Fig.4 Semi-finish machining tool path of the blade

2.3 精加工刀具軌跡規劃

葉輪精加工包括葉片精加工與流道精加工兩部分。葉片精加工時,與葉片半精加工的設置基本相同,切削模式改為單向順銑,采用直徑更小的刀具D8R4B2,更高的轉速進行加工,同樣采用側銑法加工提高葉片的加工精度和加工質量。生成葉片精加工刀具軌跡(圖5)。

對于流道曲面的精加工,可采用單向順銑的方式由上向下端銑加工,流道精加工時,要注意避讓兩側的葉片,驅動方法選擇曲面,以被加工的流道曲面為驅動幾何體,切削模式為單向,以提高流道表面加工質量,投影矢量垂直于驅動體,刀軸設置為朝向點,可減小加工過程中刀具的擺動角度。生成流道精加工軌跡(圖6)。

圖6 流道精加工軌跡Fig.6 Finish machining tool path of flow passage

3 整體葉輪仿真加工、優化過程

使用UGCAM對葉輪生成刀軌之后,選擇與機床數控系統一致的后處理可自動生成數控加工程序。為了檢驗程序的正確性,以及加工中是否存在碰撞等情況,需要對加工過程進行仿真。使用VERICUT軟件對機床、夾具、毛坯、零件、刀具進行建模,具體的尺寸、結構、形狀等參數要與實際加工中的保持一致[7];選擇與實際機床一致的控制系統;將數控程序導入到VERICUT中,設置刀具與工件原點間的關系;運行程序進行葉輪數控仿真加工,讓刀具按照程序指令運動加工,系統可以顯示刀具、機床是否與毛坯、夾具發生碰撞,并可以自動比較加工后的毛坯與設計零件間過切與殘留量,并可根據仿真加工結果對加工過程進行優化[8]。具體仿真加工過程如圖7所示。

圖7 VERICUT仿真加工過程Fig.7 VERICUT simulation processing

3.1 五軸數控仿真平臺的構建

根據實際加工中使用的機床結構、尺寸等參數進行建模和裝配。機床為搖籃式五軸結構,創建機床的X、Y、Z直線坐標軸,創建機床工作臺的兩個旋轉軸A、C軸,控制系統為SIEMENS840D。根據實際加工使用夾具創建夾具為三爪卡盤和芯軸,根據實際加工毛坯與零件尺寸創建毛坯和零件模型。機床構建的項目樹(如圖8),構建完成的虛擬機床、夾具、毛坯、零件模型如圖9所示。

圖8 機床項目樹Fig.8 Project tree of the machine

圖9 虛擬機床系統Fig.9 Virtual machine system

3.2 整體葉輪數控仿真加工

虛擬機床系統構建完成后,還需要對一些參數進行設置,才能進行加工仿真。

(1) 設置機床碰撞檢查、行程檢查。

(2) 創建加工刀具,按照加工工藝設置相應的刀具號、刀柄的規格和尺寸、刀具的規格和尺寸,還需要設置刀具的裝夾點、對刀點等參數。

(3) 設置工件坐標系,確定工件坐標系原點位置,與CAM編程時工件坐標系原點位置一致。

(4) 設置工作偏置,確定刀具刀尖與工件坐標系之間的位置關系,將刀具與工件坐標系聯系起來。

(5) 調入數控程序,按工序依次調入CAM后處理生成的程序。

(6) 重置模型、仿真加工。

(7) 創建仿真分析報告。

通過仿真加工,發現刀具與機床、夾具均無碰撞,工件也未出現過切與欠切的情況。仿真加工完成(圖10)。

圖10 整體葉輪仿真加工Fig.10 Simulation machining of integral impeller

3.3 VERICUT切削優化

VERICUT優化的目的是為了優化加工參數,進一步提高加工效率。根據加工中使用的刀具及加工軌跡,計算每一步程序的切削量,再與加工參數的經驗值進行對比。經過分析計算,當余量小時,就提高進給速度;當余量大時,就降低進給速度。根據以上過程調整參數,優化加工過程,獲得更加高效、安全的數控加工程序[9]。本文采用Optipath模塊的切削厚度和體積組合方法對加工過程進行優化,優化時保持切削厚度恒定或體積去除率恒定,取兩者產生的較小的進給公式:

V=Ap·Ae·F/60,

(1)

其中,V為體積去除率,Ap為切削深度,Ae為切削寬度,F為進給速度。

加工優化的過程如下:

(1) 在優化界面中選擇“優化開”;

(2) 將優化與加工刀具關聯,可在刀具管理中選擇“增加工件材料設置”;

(3) 優化方法選擇“削厚&體積”,優化選擇“所有切削”,在優化設置中可以調節主軸轉速、屑厚、體積去除等參數,以獲得最優的加工效果;

(4) 在切削極限參數中,根據實際加工設置各切削參數的最小、最大值;

(5) 重新仿真優化后的程序。

通過加工優化,對優化前后的程序進行比對,發現優化前程序中的進給速度是恒定不變的,優化后的程序的進給速度不斷變化且顯著增大(圖11)。對優化前后的加工時間進行對比,發現優化后的加工時間明顯減少,加工效率有大幅提高(圖12)。

圖11 優化前后程序對比Fig.11 Program comparison before and after optimization

4 結 論

根據整體葉輪的結構特點制定了適合的五軸加工工藝,規劃了合理的刀具軌跡,應用VERICUT軟件對整體葉輪零件進行了五軸數控加工仿真及優化,驗證了程序的正確性、安全性,提高了加工效率,得到的研究結果主要有以下幾點:

(1) 制定了更加適合的整體葉輪五軸加工工藝,使刀軸的控制更加靈活、操作更加方便;

(2) 為了保證葉片表面加工質量,在葉片加工刀具軌跡規劃時,選擇側銑的方式,使刀具與葉片表面保持線接觸;

(3) 為了保證仿真加工與實際加工的一致性,機床、夾具、毛坯、刀具的建模要與實際加工時保持一致;

(4) 優化加工過程時,選擇“屑厚&體積”的優化方法,可對主軸轉速、屑厚、體積去除等參數進行調整,以獲得最優的加工效果。