基于某核电冷却汞零部件的五轴联动加工优化分析

马宇峰，张宇,2

(1.浙江工业职业技术学院 机械工程学院，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业大学 机械工程学院，杭州 310006)

0 引言

纺锤螺扇作为核电冷却汞的核心部件，具有十分重要的作用。纺锤螺扇的加工质量的好坏直接影响到核电冷却汞的冷却效果。由于纺锤螺扇的结构特殊，普遍采用五轴联动加工，目前瑞士、德国、美国、意大利、俄罗斯等一些制造业强国都已经掌握了这一项技术，但是同样的螺扇五轴联动加工，彼此的效率、质量等都有差别，我国在制造业这一领域起步较晚，如何赶超这一领域的先行者，还有待学者进一步实践与研究[1-7]。

本文研究纺锤螺扇加工关键技术，制定加工工艺，在制造加工上进行了优化，是对五轴联动高端加工技术提供的重要依据。

1 纺锤螺扇结构及加工难点

本文所研究的纺锤螺扇结构如图1和图2所示。

图1 核电冷却汞的模型装配图

图2 纺锤螺扇零件图

从图1、图2可知纺锤螺扇作为冷却系统中的关键冷却部位，它的质量好坏直接影响整个汞体的冷却效果。该零件五轴联动加工的难点以及技术要求主要有：

(1)刀路最优效率规划；

(2)加工曲面根部是否与D12柱面产生过切；

(3)高质量的叶片表面粗糙度；

(4)材料的切削参数调试；

(5)SR14.25表面和叶片外轮廓面粗糙度要求Ra1.6,其余Ra3.2。

2 纺锤螺扇加工工艺规划

2.1 纺锤螺扇毛坯及加工设备的选择

纺锤螺扇零部件毛坯采用尺寸为φ51×65的2A12型高强度硬铝。

为了提高加工效率，降低加工成本，采用MasterCam2017软件完成纺锤螺扇零部件的CAD建模及加工工艺优化。

根据纺锤螺扇零部件的结构特点，普遍采用五轴联动加工设备。本研究采用型号MIKRON_UCP_800Duro五轴联动加工中心(配备Heidenhain iTNC530数控系统)，完成纺锤螺扇零部件的加工，其机床结构主要技术参数如表1所示。

表1 MIKRON_UCP_800Duro五轴联动加工中心主要技术参数

刀具的选用在五轴联动加工中十分重要。根据纺锤螺扇零部件的结构特点，本加工均采用材料为硬质合金的刀具，规格有φ12mm立铣刀，φ10mm(圆角R1)立铣刀，φ8mm立铣刀,φ6mm(刃长40mm)立铣刀，倒角刀φ6mm。

2.2 纺锤螺扇加工工艺方案

(1)卡盘装夹第一面

铣平面(平面铣削)→D12圆柱高速开粗(2D高速刀路)→D50圆柱表面光刀(外形铣削，方便2次装夹打表)→倒角。

(2)卡盘装夹第二面

铣平面(平面铣削)→曲面开粗(曲面高速加工)→叶片开粗(曲面高速加工)→曲面精加工(曲面精修等高)→叶片精加工(沿边五轴，沿面五轴)→粗铣孔(全圆铣削)→精铣孔(外形铣削)→倒角。

3 加工优化

根据纺锤螺扇的加工工艺，主要进行以下优化。

3.1 粗加工高速切削

优化前挖槽粗加工切削状态既有顺铣又有逆铣，刀具直径12mm，切削刀宽ae设定值为刀具直径的70%，即为8.4mm，往复加工，侧壁预留量0.2mm，分层加工ap6.5mm，材料为铝，根据切削速度公式：

VC=3.14×D×N/1000，

(1)

进给速度F(mm/min)=S×Z×N。

(2)

式中，D为刀具直径；N为主轴转速；S为每刃进给量；Z为刀具刃数；VC为切削速度。

计算得出：VC= 3.14×12×3000/1000=113.04m/min；F=0.1×4×3000=1200mm/min

生成报表后，具体参数如下：

CLEARANCE PLANE: 50.0mm RETRACT PLANE: 25.0mm

FEED PLANE: 10.0mm DEPTH: -12.0mm

STOCK TO LEAVE: 0.2mm PROGRAM NUMBER: 0

SPINDLE SPEED: 3000 恒转速 FEEDRATE: 1200.0 mm /min

CYCLE TIME: 0h, 1min, 29s

对于刀具寿命损耗来说也非常大，加工路径如图3所示。

改进过程：先把标准的挖槽切换成Mastercam2017中的2D高速刀路，其中参数进行设定，切削方向设定顺铣，步进量根据F进给速度的限定设是刀具直径的15%，即为1.8mm，最小刀路半径是刀具直径的10%，即1.2mm，侧壁预留量0.2mm，不进行分层(側刃切削ae始终保持在刀具直径25%以内时可选择最大切削深度)，重要的是加工始终设定为动态铣削。优化后生成报表，具体参数如下：

CLEARANCE PLANE: 50.0mm RETRACT PLANE: 25.0mm

FEED PLANE: 10.0mm DEPTH: -12.0mm

STOCK TO LEAVE: 0.2mm PROGRAM NUMBER: 0

SPINDLE SPEED: 3000 恒转速 FEEDRATE: 1200.0 mm /min

CYCLE TIME: 0 h, 1 min, 00 s

优化后同样的切削参数设定，其粗加工切削状态始终保持顺铣，切削宽度ae成为固定值，加工深度提升，加工总时长缩短了1/3，即保证了加工效率又能延长刀具寿命，见图4。

图3 优化前mastercam加工路径图 图4 优化后mastercam加工路径图

3.2 等高曲面切入纹路优化

进行等高曲面精加工时，每次等高的进刀处都会形成一道切痕(见图5)。这是由于曲面的加工间隙是由一条条的线组成的台阶再形成的面，当曲线与曲线直接直线连接时，在表面就会形成这个痕迹。

图5 优化前刀路示意图

为了加工出漂亮的曲面又不产生切痕，必须避免产生痕迹，具体修改参数如下：

Z轴步进量设定0.1mm，保持Z路径由上而下，2刀具切削间隙调整为0(每层抬刀)，2区间段路径过渡方式选择直线，在共同参数的移动方式中选择最短距离进行连接，并且进退到设置0.5小圆弧，安全高度50mm，完成后如图5所示相应位置。根据上述参数优化后结果对比如图6所示，可见表面切痕基本消除。

图6 优化后效果示意图

3.3 叶片曲面弧度优化

在此纺锤螺扇结构中，此曲面属于一个直纹面，如图7所示。

图7 1/3螺扇曲面示意图

但是当我们进行五轴加工时却得到了如图8所示的曲面。

图8 错误螺扇曲面示意图

同样的直纹面产生了2种结果，可以发现在2叶片的中间有一个圆锥的曲面结构，由于软件在刀路计算过程中把上下曲线进行了均布连接处理，导致加工出了错误的螺扇曲面，为了避免这种情况的产生，需要先把曲面删除，只剩下曲线结构，并且保证曲线没有组合成单一曲线，再经过单线条直纹连接得出正确曲面见图9。然后用Mastercam2017五轴沿边刀路进行参数设定，具体如下：

(1)切削方式

壁边：全选曲面，切削方向：单向，补正方式：电脑自动，补正方向：左，壁边预留量：0.2～0(半精至精加工)，切削公差0.01mm，最大步进量0.1mm，开始点：由第一壁边开始点进入。

(2)刀轴控制

输出方式：5轴，旋转轴：X轴，切削增加角度：0.2°，将刀路转角减至最小。

经过改进后得到如图9所示曲面。

图9 正确螺扇曲面示意图

3.4 表面粗糙度优化

纺锤螺扇的粗糙度一定程度上决定了空气流通的阻力大小及核电冷却汞的冷却效果，如何提高叶片的粗糙度是关键。由于叶片有负角，在加工时又受机床刚性，刀具材料，切削状态等复杂因素影响，要改善必须克服这些困难，在改善前叶片的粗糙度经粗糙度检测仪测得如图10所示，Ra值为0.0061mm。

图10 检测示意图

粗糙度优化根据企业现场条件主要做了以下几点：

(1)制作专用夹具以增强夹持的刚性；

(2)刀具材料改进(由硬质合金改成陶瓷刀具)；

(3)切削参数优化(精加工余量从0.1减少0.05，分层铣削，降低转速，F进给限制在F200)；

(4)保持恒温加工；

(5)使用液压刀柄。

改善后的叶片粗糙度，经过粗糙度仪检测得到如图11所示，Ra值为0.0031mm。

图11 优化后粗糙度报表

3.5 参数公式化

在MasterCAM的很多刀路中都支持计算公式功能，共有5份自带的公式文件，其中Default.Formula是默认文件，其它都是针对不同材料的模版文件，套用现成自带的参数往往达不到个人的匹配需求，因此需要设定合适的公式文件。

根据文件结构修改对应的参数来达到要求，我们截取其中一段举例：

(@DIAMETER * 0.10)

其中这里指的参数设定对1，即为“分层深度”，而值是@DIAMETER×0.10，也就是刀具直径×0.1，假如本研究的刀具直径为10，按照设定10×0.1=1，对应的值刚好是1。如果铣削软的材料，可以把切深改的深一点，如改成刀具直径的50%,只要将此处公式改为@DIAMETER×0.50保存即可，这样当用任何刀具时，对应命令中的参数就能自动变成刀具直径的50%，那么根据毛坯材料(铝)以及刀具材料(硬质合金)设定相关参数如下(截取一段举例)：

(@DIAMETER * 0.25)

找到对应的关系就能根据加工不同材料自动加载预设的值设定相关参数，做好公式文件，可以大幅度提高加工效率。

4 实体检验

经过一系列的加工优化，从最开始发生的过切，曲面曲率错误，刀路空走刀，刀轴方向错误，A/C轴不走最近路径等等，到最后完善加工NC，调整后置，调整加工刚性等，最终效果如图12所示，在保证基本尺寸公差的前提下，使螺扇的曲面粗糙度达到使用要求，并对加工过程提出了优化方案。

(a)优化前 (b)优化后 图12 螺扇优化前后对比图

5 结论

五轴加工制造的优化是无止境的，一个新产品的工艺优化要想相对合理，一般都需要花较长的时间，这个过程中需要反复的模拟实验以及实际切削试验，其中的刀路规划、刀轴控制、表面粗糙度、震动控制、后置处理、刀具选用等等相关技术都需要优化，本文通过对核电冷却汞关键零部件纺锤螺扇的工艺优化，针对切削方式的合理选用、避免部分常规刀路的切痕、提高表面粗糙度、曲面弧度优化、参数公式化这5个方面进行了解析，减少了加工时间和成本，并完成了更高质量的螺扇加工，提升了核电冷却汞的冷却效果，以此验证优化的有效性，为曲面精加工提供参考价值。