加工策略对叶轮曲面加工质量和效率的影响

陈金英

(北京工业职业技术学院机电系，北京100042)

随着制造业日新月异的发展与变化，CAD/CAM技术的应用也日益广泛地服务于各个领域，用于产品的设计与机械制造，而曲面的设计与加工己成为数控技术和CAD/CAM技术领域的主要应用和研究对象。对于怎样提高数控曲面加工的质量与效率是数控加工技术的关键问题与难点问题，操作者难以根据加工零件的曲面情况来正确合理地选用曲面加工方法，因此，能够比较系统地、深入地、综合地、定量地应用CAD/CAM技术研究数控曲面加工质量和效率的文献并不多见。下面以叶轮的曲面加工为例深入、系统地分析提高加工质量和效率的措施，解决了如何降低加工成本的关键问题。

1 试验条件的选择与确定

根据叶轮的使用要求选择铝合金的试验材料，直径为100 mm的毛坯，华中世纪星立式加工中心，粗加工刀具是整体硬质合金立铣刀 (刀具牌号EG-4-D16×40×80-S×C)，精加工刀具是整体硬质合金球头铣刀(刀具牌号BG-2-D12×30×80-R8-S×C)。采用绿色污染较小的干式切削加工方式，利用Power-Mill软件进行数控编程。

由于PowerMill 加工软件有优于其他同类加工软件的优势。PowerMill是英国Delcam Plc 公司出品的一款功能强大，适用于复杂曲面的产品加工及模具设计制造，加工策略比较丰富的数控加工编程软件系统。它能够帮助使用者产生最佳的加工方案，快速产生粗、精加工路径，提高加工效率。其独特、高效的区域清除的加工方法，尽可能地减少切削方向的突然变化，保证刀具负荷的稳定。还提供了多种高速精加工策略，如三维偏置、等高精加工和最佳等高精加工等策略，保证了切削过程稳定、光顺，确保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的加工表面。

2 试验方案设计与实施

为了缩短工艺路线和辅助时间，进一步提高各个加工表面的位置精度等，加工时采用工序集中的工艺路线。叶轮的装夹需要用四轴的卡盘进行固定，为了保持旋转的稳定性，另外一端用顶尖顶住。

(1)加工方案的确定

依据叶轮的特点制定两种加工方案，其一，首先对叶轮的一个区域生成精加工轨迹;然后对该轨迹进行旋转实现其他四个区域的加工，此时机床的第四轴进行间歇分度。需要注意的是检查各个刀具路径之间有无过切现象。其二，利用数控机床第四轴的连续旋转功能，对叶轮实现连续分度并进行连续旋转加工。结合软件选取合理的粗、精加工策略，通过软件仿真加工和实践加工，对加工质量和加工效率进行总结与分析。加工策略的选择如表1所示，在相同的切削参数下生成的刀具轨迹如图1、2所示。

表1 加工策略的选择

图1 陡峭浅滩三维偏置精加工

图2 旋转精加工

(2)加工仿真的分析

图3 陡峭浅滩三维偏置精加工仿真

图4 旋转精加工轨迹仿真

为了更详细地查看刀具路径的运行情况，对生成的刀具轨迹进行Viewmill仿真。从图3和4的实体仿真效果来看，两种加工方式的加工质量区别不大。从加工轨迹来看，陡峭浅滩三维偏置精加工的刀具轨迹稍复杂，刀具轨迹之间的连接较多，且提刀次数也多。旋转轨迹仅有一次下刀和抬刀，所以提刀的次数只有一次，第一次下刀之后刀具轨迹随着第四轴的连续旋转实现螺旋线切削至结束，所以刀具轨迹之间不存在连接现象。

从NC程序统计的情况看，PowerMill软件对刀具的切入切出和连接及切削移动进行了时间统计，陡峭浅滩三维偏置精加工总计用时为1 h 32 min 52 s，提刀次数630次;而旋转精加工总计用时为46 min 27 s，提刀次数1次。

总之，无论从加工轨迹来看，还是从软件的统计结果看，旋转精加工加工的效率高于陡峭浅滩三维偏置精加工。

(3)加工实施的分析

在合理制定加工方案和选择加工策略的基础上，检验刀具轨迹的正确性，然后选择所使用的数控设备系统的相应后处理程序，自动生成的NC程序代码，再将G代码传输到数控机床上进行加工，观察其效果，如图5所示。

图5 两种加工方案的实际效果

①加工效率分析:实际加工效率与软件统计的加工效率截然相反，实际加工中旋转精加工的用时是陡峭浅滩精加工的2倍多。主要原因是软件没有考虑数控机床的机械运动时间，如第四轴的机械运动旋转时间。

②加工质量分析:在切削参数相同的情况下，旋转精加工的质量明显优于陡峭浅滩精加工。由于旋转精加工在加工时的提刀次数大大少于陡峭浅滩精加工方式，所以刀具的纹路均匀，精度较高。

3 影响加工质量与效率的因素

通过上述试验得出如下结论:

(1)不同的加工策略因加工参数设置差异均对加工质量和加工效率有影响。

(2)同一加工策略不同的参数设置对加工质量的影响，如图6所示。旋转精加工则需要调整某个轴的偏置角度，否则不能保证加工质量。对于y轴偏置为零的设置，叶轮的加工曲面曲率受到影响，出现欠切现象;对于y轴偏置15°的设置基本保证了叶轮的曲面曲率的加工，合理的设置角度是保证所加工零件与数学模型吻合度较高的关键。

图6 设置不同偏置角度的加工差异

(3)对于其他类型的曲面，上述结论可能会有一定的变化，如复杂的组合曲面也许会有不同的改变，有待进一步研究。所以根据要加工的曲面，通过综合分析确定最适宜的曲面加工方法，以便保证曲面加工质量的同时也能提高加工效率及降低成本。

4 结论

通过实践得出不同的加工策略对叶轮曲面加工的影响，软件的仿真加工和实践加工在加工效率与加工质量方面也存在差异。经过实践加工得出旋转精加工在加工质量方面高于陡峭浅滩精加工，在加工效率方面低于陡峭浅滩精加工。因此，为了保证加工质量和加工效率，依据被加工曲面的实际情况，合理地选择加工策略及设定加工参数以最大限度地降低加工成本。

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