基于CIMATRON－E9的整体式叶轮五轴CAM加工实践

2013-09-27杨轶峰

制造技术与机床 2013年12期

杨轶峰

(北京市工业技师学院，北京 100023)

整体式叶轮，按零件材料分为钛合金和高温合金、铝合金等多种类型，其轮毂和叶片为一个整体，可以满足压气机叶轮产品强度要求。传统的制造方式是铸造成型后用抛光的方式进行加工，生产周期长，制造复杂，叶片精度误差较大，动平衡效果差。采用CAM软件编程，在五轴加工中心上完成整体式叶轮的加工，这种加工方式将轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，曲面误差小，动平衡时去质量较少，是比较理想的加工技术。本次需要加工的整体式叶轮如图1。

1 加工难点分析

叶轮类零件构成的一般形式是若干组叶片均匀分布在轮毂的曲面上。一组叶片中可能只有一个叶片，也可能有若干个叶片。前一种的叶片分布称为等长叶片，后一种的叶片形式主要指含有小叶片，一般称为交错叶片。本次所要加工的整体式叶轮如图1，该叶轮有5片大叶片、5片小叶片，叶片厚度最薄处1.7 mm，相邻叶片最小间距为13 mm。通过分析整体式叶轮的几何结构和工艺过程，其加工困难主要表现如下。

1.1 叶轮的结构分析

各叶片根部间距约13 mm，导致流道狭窄，极易发生加工刀具、刀柄与临近叶片碰撞干涉，需要机床摆动轴具有较大的摆动范围，从而有利于刀具、刀柄在有限空间中避让干涉。但是如果为了避免刀具干涉，加大刀具装夹长度又会降低刀具刚性，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，

1.2 叶轮的材料变形分析

铝合金弹性恢复大:铝合金弹性模量为72 GPa，约为钢的1/3，在切削力作用下，会产生大的切削变形以及大的弹性恢复［1］。综上所述，如何提高此类叶轮的加工效率和叶片成型质量，需要综合考虑各项因素选定合适设备和工艺设计。

1.3 工件的加工质量分析

根部圆角要求小于5 mm，而叶片长度又超过60 mm，叶片厚度较薄，属于薄壁工件，在加工过程中需要克服振动，避免刀具振动影响叶片表面质量。为实现较好表面加工质量，除了高速主轴和能实现高速加工铝合金材料刀具的选择，也要求机床在联动加工过程动态性能稳定。

1.4 叶轮的曲率变化分析

叶片的曲率半径变化较大，加工过程中机床的角度变化较大，机床摆角直接影响叶片的环绕加工，要求机床主轴具备较大的摆动范围。同时要求控制系统对于过渡圆角的加工不要出现突然的摆动。

2 加工方案制定

整体铣削叶轮加工方案总体描述:将锻压铝材车削成叶轮回转体的基本形状，然后在五轴加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，这种加工方法比较理想。机床、CAM软件是叶轮加工的软硬件基本单元，合理的工装设计是实现加工的重要保证。具体方案说明如下。

2.1 机床选择(除毛坯加工外，叶轮五轴加工部分)

为了缩短加工时间，粗加工需要高效率地去余量。要求在低转速大切深的加工状态中，冲击载荷在主轴的最大扭矩承受范围内，将有利于刀具的加工稳定性。我院使用的DMG－DMC－75V五轴加工中心(图2)，配备的最高转速28 000 r/min，采用直线电动机驱动，加速度最大可达2g，快移速度可达到90 m/min，具有强有力的扭矩，为粗加工的高效地去除余量提供了保证。五轴的装备有直接驱动的数控工作台和摆动主轴(图3)，主轴摆动头的摆动范围10°～110°，保证了叶片加工各种曲率变化范围的覆盖。机床控制系统为Heidenhain ITNC530(图4)，该系统具有很快的处理速度，具备五轴补偿功能，能在读取五轴程序时对机床进行几何补偿和刀具补偿，能够实现刀具中心位置保持，即保持刀尖与工件的相对位置。

2.2CAM软件选型

对CAM软件的要求:加工整体式叶轮时加工轨迹规划的约束条件较多，相邻叶片之间空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求，而且要保证充分考虑到避免干涉的条件。目前，我国叶轮的厂家采用的CAD/CAM软件类型较多。本文选用目前流行且功能强大的CIMATRON－E9，对整体式叶轮曲面进行加工轨迹规划。该软件最大特点是编程充分考虑到高速加工，基于毛坯残留的知识加工，易学易用，集成性好，利于工程技术人员上手。同时该软件占用内存相对较小，利于后置程序的计算与程序生成，通过计算有效避免刀具、刀柄、工件和机床之间的干涉及碰撞。

2.3 工装夹具设计

工装不仅仅起着工件与工作台的连接作用，更重要的是能够在加工中稳固工件，防止振动。如果采用具有吸振功能的专用夹具，对改善工件表面质量大有裨益。同时需要注意的是，当加工过程中摆动轴有较大的摆动角(超过90°)，需要考虑工件距离工作台面的最小距离，以此避免主轴与工作台的碰撞干涉。针对本次要加工的零件设计了专门的夹具(如图5)。

3 加工工艺制定

根据叶轮的结构(如图6)和使用要求分析，将加工工艺流程制定为:车削叶轮回转体轮廓—流道粗加工(含叶片粗加工)—大叶片半精、精加工—小叶片半精、精加工—流道半精和精加工—倒圆部分清根。

3.1 车削叶轮回转体轮廓

在本环节的加工中为了提高整体叶轮的强度，毛坯一般采用锻压件，然后进行基准面的数控车削加工，加工出叶轮回转体的基本形状(如图7)，切削参数参看表1。

3.2 流道粗加工(含叶片粗加工)

(1)加工策略分析

表1 车削叶轮回转体工艺参数

在这部分加工过程中，有两种可以采取的方法。第一种是总体分层粗加工，采用五轴联动加工方式，通过在软件设定叶轮实际回转毛坯的形状，系统将所有流道部分的总加工余量依据材料的切削性能和刀具硬度通过不同切削速度分成若干层进行加工，所分层数与每层的厚度要充分考虑到叶片的曲率、刀具的悬伸等方面的要求，如图8。第二种方法属于型腔铣削类型，分流道单独进行加工，采用的是5轴定位加工，这种加工方式对主轴刚性比较差的比较实用，但是粗加工后留下余量较多且不规则，需要进行二次粗加工，时间相对比较长，如图9。本工件选择的是总体分层粗加工方式，在加工中要选取叶片面和轮毂面为干涉面，目的是防止粗加工中对叶片面和轮毂产生过切。

(2)刀具选择

这部分需要注意的是开槽加工槽的位置宜选在气流通道的中间位置，避免下刀就造成后续叶片过切变形。同时切削方向要平行于流道方向。并保证流道槽底与轮毂表面留有一定的加工余量，避免产生过切。实现效率的最优化，以适应低转速、深加工、大去屑量的工艺特征，在此过程中尽可能选用大直径球头铣刀，以保证刀具有足够的刚度，减少振动或刀具折断等。刀具直径2R小于两叶片间的最小距离，这个距离使用CIMATRON软件的分析功能便可测出。同时在可能的情况下，刀具的安装长度要尽量选择短，以增强刀具的刚度。切深(Ap)加大的时候，刀具在满刀切削时会受到反向作用力，采用普通弹簧卡套刀柄夹持刀具容易被拉出，所以选择侧固式锁紧刀柄。

粗加工工艺设置上，加工的时候在两叶片中间区域，刀具自动从外部圆弧进刀，刚切入的进给速度是设定速度的30%，五轴联动模式切削，刀轴的变换角度设置为1°，最大摆角设置90°;单层切深2 mm;再向两侧偏移直至到叶片;一个粗加工程序就把整个叶轮流道开粗完成;采用这种工艺方案大大缩短流道开粗的加工时间，切削参数参看表2。

3.3 大叶片半精、精加工

(1)加工策略分析

对于叶片的加工来说，由于叶片很薄，在半精加工和精加工时尽量采用逐层切削的方式，从加工路线来说可以先加工叶尖位置，保证叶尖加工时叶片还有足够的强度，然后再对叶片进行逐层往下加工。CIMATRON软件中具备精加工使用自动分层加工，在一个程序里就包含了半精加工和精加工(图10，11)，这是这个软件的强大之处;连刀方面采取圆弧进退刀;刀具以光顺的轨迹进入和退出叶片面，保证高速平稳加工。

因为叶片曲率变化较大，高速加工时需要软件有能力实时根据曲面曲率改变进给值，即在编程时对不同曲率的曲面设置不同的进给速度(如图12)，以减少刀具在加工过程中因突然的曲面变化而发生崩刀、过切现象。

表2 流道粗加工工艺参数

表3 大叶片半精加工流道工艺参数

表4 小叶片精加工工艺参数

表5 流道半精加工流道工艺参数

表6 流道精加工加工工艺参数同

表7 圆角精加工加工工艺参数

(2)刀具选择

在叶片精度加工过程中，在保证不过切的情况下尽可能选择直径大一些的球头刀，要求刀具半径必须大于流道和叶片相接部分的最大圆角半径。切削参数参看表3。

3.4 小叶片半精、精加工

小叶片粗、精加工的加工策略、刀具、切削参数(表4)与大叶片相同(图13)，加工轨迹也采取半精、精加工一块分层(高度方向)的方式(图14)进行。

3.5 流道半精加工

(1)加工策略(见图15)

流道半精加工目的是给精加工留更均匀余量，保证后续加工切削稳定。流道半精加工可以理解为扩槽的过程，加工采用球刀，从开槽位置开始，从中心向外缘往两边叶片扩槽，扩槽加工要保证留有一定精加工余量。通常情况，扩槽加工一次加工完成。由于此叶轮槽道窄、叶片高，且数控加工编程过程中决定流道所包含轮毂面为切削区域，编程中注意将加工叶片曲面选为干涉面，避免加工过程中伤及已经完成的叶片。

(2)刀具选择

其中球形锥柄铣刀为硬质合金刀具，其规格为:球头部分直径为3 mm，半锥角为2°，刀具柄部直径为6 mm，带锥部分长度为20 mm。此步选用的主轴转速为20 000 r/min，进给速度为3 000 mm/min。切削参数参看表5。

3.6 流道精加工(见图16)

刀具选择与加工策略同半精加工，不同的只是将步长缩小，以符合表面残留高度要求。同时由于排屑量小减少了抬刀次数与高度，切削参数参看表6。

3.7 圆角精加工

(1)加工策略

圆角是叶轮加工中最难加工的部位，大、小叶片的圆角均为变圆角，圆角半径从叶片前缘到尾缘为3.8 mm到5 mm线性变化。其中最大圆角发生在靠近尾缘处。变圆角加工路线可以通过分层连续走刀加工完成(如图17)。选择的刀具、主轴转速、进给速度，同叶片、轮毂的精加工。另外还要根据叶轮的几何特征合理设置进退刀方式，以有效避免过切和干涉碰撞。

加工圆角需要软件具有强大的干涉检查能力，一个是防止圆角干涉，另一个是防止和叶片干涉。Cimatron有多个选项来应对不同干涉区域的解决策略。图18的界面设置的是圆角处和叶片处遇到干涉软件所采用的解决策略:第一项设置的是如果刀杆和叶片干涉，系统会让刀具自动摆角来避免过切，第二项设置的是如果刀尖(切削刃)和叶轮根部圆角发生干涉，系统会让刀具沿着当前刀轴方向退刀。

(2)刀具选择

在叶片精度加工过程中，在保证不过切的情况下尽可能选择直径大一些的刀具，但是要求刀具半径必须小于流道和叶片相接部分的最大圆角半径。本例中采用的是锥形球头刀具半径为3 mm加工圆角，从而在提高刀具刚性的同时保证加工需要。切削参数参看表7。

4 仿真模拟

在完成所有工序的程序编制后，为尽可能消除实际加工中的碰撞干涉及过切现象，需要导入机床模型进行加工模拟仿真(图19、20)。CIMATRON的5轴加工和模拟的产品，功能特别强大，模拟包括材料去除仿真，剩余毛坯检查，刀路轨迹分析，可以定制任意机床并参与加工仿真，在仿真过程中可以发现干涉和过切问题，并实时提示问题所在的区域，对于一名工艺人员来说需要根据模拟中发现问题后返回CAM程序中进行修正。

本次加工叶轮程序在模拟的过程中没有出现任何碰撞和干涉问题，也没有出现各个数据轴的坐标超出机床的行程，可以通过后处理生成代码去仿真。

5 后置处理

Cimatron软件规划刀路完成后，需要生成标准的后置处理程序，五轴后置一般使用GPP2生成的方法。GPP2是CIMATRON公司为生成5轴机床后置开发的，生成的刀路文件可支持目前所有五轴机床的运行，同时它提供了非常丰富的定制功能，能生成任意形式的后置处理文件，从而可更好地提供支持高速加工、多轴加工的后置处理，用户需要的后处理程序都可以通过执行GPP2后生成。以下是生成的程序部分代码: