无人机薄壁叶轮五轴高效数控加工技术

付 林

（湖北轻工职业技术学院，湖北 武汉 430070）

1 无人机薄壁叶轮五轴高效数控加工工艺

1.1 设备及材料的选型

机床方面选择德玛吉HSC-75linear立式五轴联动高速机床，主轴最大转速为24 000 r/min，最大进给速度为100 m/min，配备容量为28刀位的链式刀库。刀具选择高速铣削专用的铣刀，共分为两种类型：一种为BN8型，直径为8 mm，形状为球头形，材料为硬质合金，总长为100 mm，最大切削长度为40 mm，主要应用于叶片和轮毂的半精加工；另一种为BN6型，直径为6 mm，形状为锥形，材料为硬质合金，总长为80 mm，最大切削长度为40 mm，主要应用于叶片和轮毂的精加工。夹具方面，结合毛坯材料的形状设计了专用夹具，在保证装夹稳定的前提下，简化夹具的结构，操作更加方便。

1.2 工艺路线的确定

在遵循“先面后孔、先粗后精、先主后次”加工顺序的前提下，确定无人机薄壁叶片五轴数控加工的工艺路线[1]，一套完整的工件加工流程可以分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，部分结构简单的工件可以在粗加工结束后直接进行精加工处理，以提高加工效率。虽然无人机薄壁叶片的结构比较简单，叶片扭曲较小，但是对于加工精度要求极其严格，因此，在实际加工中不可以省略半精加工工序。在对毛坯材料完成粗加工以后，还需要完成半精加工，方可进入精加工环节。由于粗、精加工的作用不同，对数控加工的工艺参数（如主轴转速、进给量等）也提出了不一样的要求[2]。在实际加工中需要根据工艺方案灵活调节具体参数，才能保证加工精度。

1.3 刀具轨迹的规划

叶轮加工主要分为粗加工、半精加工和精加工三道工序，相应地需要对每一道工序分别规划刀具轨迹。其中，在粗加工过程中，要求快速去除毛坯上的多余材料，提高整体加工效率[3]。在粗加工刀具的轨迹规划时，借助于Power Mill软件提供的“叶轮加工”模块来实现。启用该功能后，在弹出的对话框中可以分别设计“快进”“下切”“切削移动”等参数。保存设计参数后，利用叶盘区域清除功能实现对毛坯材料叶盘区域的粗加工。完成第一遍粗加工后，还要采用“3+2”固定轴清除方法，进行二次粗加工。该加工方式的优点在于：一是可以直观地显示剩余毛坯的实时变化情况，以便于找出实际加工区域，并寻找最佳的下刀点，减少无效走刀的距离，从而提高加工效率；二是显著降低刀具切入、切出材料时的冲击力，对提高切削面的加工精度以及保护刀具、减少刀具磨损有积极帮助[4]。

2 叶轮五轴高效数控加工的仿真

2.1 构建机床模型

以五轴联动数控机床的实际参数为依据，在VERICUT软件中构建机床的三维模型。模型框架建成以后，再将提前准备好的机床部件（保存格式为STL）逐个添加到框架中。通过调整部件的位置以及设置部件之间的联动和约束条件，可以得到具有仿真功能的五轴数控机床模型。设置机床模型的详细参数，例如主轴转速、进给量、背吃刀量等[5]。

2.2 创建刀具库

在VERICUT软件中创建刀具库，需要对刀柄和刀杆分别设计参数，这样可以保证刀具加工面的仿真效果与实际效果更符合。刀具库中应包含车刀、镗刀、铣刀等多种常用的刀具[6]。同时，考虑到仿真加工过程中可能存在同一种刀具在多个地方同时使用的情况，因此在刀具库的设计中增加了一个“读取刀具”的功能。每次打开刀具库需要调用刀具模型时，系统会自动读取“TOOL_HSC75.tsl”文件。只有当前刀具库中有符合使用需求的刀具，才能被系统正常识别并使用。在创建刀具库时，也可以对每一种刀具的几何特征参数进行详细设置，如刀具的刃数、装夹点、装夹方向等。在创建刀具的界面中，左侧自定义刀具参数后，在右侧的刀具显示界面可以呈现刀具模型的细节[7]，方便设计者向刀具库中添加不同类型的刀具，以满足工件加工的实际需求。

2.3 叶轮五轴加工仿真验证

由于无人机薄壁叶轮的数控加工过程较为复杂，为了减少工作量，本文在仿真过程中只针对刀具的走刀轨迹和机床的运动轨迹进行仿真。选择两台机床，一台进行粗加工，另一台进行精加工。首先将准备好的毛坯叶盘模型放置到粗加工车床上，完成模拟加工后，将叶轮的粗加工模型以STL文件形式保存，然后再将其导入到精加工车床上，系统读取文件后自动生成叶轮模型，并利用设定好的工艺继续完成精加工，直到获得满足要求的成品。这种仿真加工的优势在于保证了两台数控车床上的模型是完全一致的，从而解决了因为倒换车床而精度降低的问题。还有就是系统可以自动生成和读取叶轮模型的STL文件，节约了仿真时间[8]。

在仿真过程中，通过导入NC代码驱动机床做相应的切削动作，在完成切削加工任务的同时，还能将整个加工过程中的详细参数完整地记录下来。后期仿真加工完毕后，如果发现叶轮仿真模型的局部存在瑕疵，可以查找切削历史记录，然后找出问题所在，方便技术人员及时修改程序及尺寸参数，保证仿真加工产品满足实际需求。

2.4 叶轮切削参数的优化

通过VERICUT软件仿真可以发现，在叶轮毛坯材料的粗加工中，由于加工曲面受到的周围约束较小，加上叶轮形状为中心对称，粗加工完毕后得到的叶轮半成品形状比较规则，表面纹理较为均匀，没有明显的加工残余。但是在叶轮的半精加工和精加工中，由于数控机床采用的是五轴联动的加工模式，加工过程中受到刀具的影响，叶轮工件表面会产生周围约束，在刀具切削工件时可能会因为残余应力的影响而导致表面粗糙度增加[9]。因此，本文对叶轮半精加工和精加工中的切削参数进行了进一步的优化。优化方法为：在VERICUT软件中重新建立一个用于半精加工和精加工的叶轮模型，并启用该软件自带的自适应系统。将模型导入自适应系统后，调节切削速度并观察在不同速度下刀具切削力的变化，等到刀具获得相对平稳的切削力后，记录下此时的切削速度，即为优化后的最佳切削速度。

3 叶轮实际加工及检测

3.1 叶轮加工实验环境

为了验证五轴联动数控机床在无人机薄壁叶轮加工中的实用效果，本文选择一台德玛吉HSC-75linear立式五轴联动高速机床进行叶轮加工。该机床配备刀具为山特维克R216型硬质合金4刃球头铣刀，刀具直径为6 mm。进给速度0 m/min~100 m/min可调，主轴转速100 r/min~24 000 r/min可调。

3.2 叶轮加工方案

首先在VERICUT软件中生成用于叶轮加工的各项参数和程序，然后利用USB接口将数据导入到机床的控制系统中。进行数据加载，保证数据能够正常读取、程序可以正常运行后，现场技术人员安装毛坯，校正坐标后利用夹具固定，然后对刀。完成上述准备工作后，启动机床，开始对叶轮进行加工，先后完成粗加工、半精加工和精加工后即可得到叶轮成品。成品叶轮的叶片为直纹曲面，直径为170 mm，高度为62.5 mm，共有12组叶片。叶槽通道的尺寸不一，最大尺寸为9.4 mm，最小尺寸为8.8 mm。叶片和轮毂之间的倒圆角为R3 mm。整个加工过程中刀具的选用和具体参数的设置如表1、表2所示。

表1 叶轮加工刀具的选用

表2 加工工艺参数

3.3 叶轮成品的检测

3.3.1 叶轮精度检测结果

使用五轴联动数控机床完成叶轮加工后，还要对其加工精度进行检测。本文使用Geromagic Qualify辅助检测软件。检测原理是扫描并获取叶轮产品的基本参数，然后在软件中同步建立该产品的三维模型。将设计好的CAD模型与转化后的实际产品模型进行快速对比。通过计算各个位置点的坐标误差，可以判断加工精度[10]。实际产品模型与设计模型的误差越小，说明加工精度越好。基于Geromagic Qualify的叶轮精度检测流程如下：

1）采集数据。通过实物模型数字化处理的方式，获取叶轮的数据。该环节主要是利用三维扫描设备扫描叶轮的表面轮廓，然后获得大量三维坐标点云数据。

2）处理数据。初步获取的数据含有较多的冗余点和噪声点，如果直接使用数据进行对比，会产生较大的误差。因此，还需要对点云数据进行预处理，包括降噪、去杂等，使得点云数据的质量得到提升。

3）对齐模型。叶轮模型加工精度检测的关键是将实际产品的模型数据与设计模型数据放到同一个坐标系内进行对比。将预处理后的数据和CAD模型数据转移到一个新建的坐标系中，进行模型对齐。

4）比较分析。两个模型对齐后，开始进行匹配度检测并在检测完成后输出检测报告。在检测报告中提供了若干个特征点的3D偏差值和x、y、z的偏差，部分特征点的检测结果如表3所示。

表3 部分特征点的检测结果 单位：mm

结合检测报告来看，各个特征点的3D偏差值均在0.03 mm以内，满足叶轮加工精度（≤0.05 mm）的要求。

3.3.2 叶轮表面质量检测结果

除了检测叶轮加工精度外，还对其表面质量进行了检测。使用表面粗糙度仪获取叶轮表面某处的局部放大图，然后与表面粗糙度仪Ral.6模块进行对比。观察发现叶轮表面粗糙度与Ral.6有较高的匹配度。随机选择若干个位置点进行粗糙度值的测量，发现均在0.05 mm以内，符合叶轮加工要求中“表面粗糙度＜0.08 mm”的标准，故基于五轴联动数控机床的无人机薄壁叶轮加工精度满足要求。

4 结语

综上所述，叶轮是无人机的重要组成部件，如果叶轮加工精度达不到要求，叶轮在高速转动时会出现不均匀振动，进而导致无人机无法保持平稳飞行。相比于传统的三轴数控机床加工，近年来出现的五轴联动数控机床在精密、复杂零件加工方面表现出了更为显著的优势。将VERICUT软件与五轴联动数控机床相结合，首先在该软件上进行叶轮加工工艺的仿真与优化，在确定最佳的工艺路线后再使用数控机床进行加工。两者相互配合，既可以提高叶轮加工效率，又能在最大程度上控制加工误差，为无人机薄壁叶轮的高精度加工提供了一种新模式。