整體葉輪的五軸數控編程與加工

時間:2011-02-28 10:31:32 來源:

　　葉輪又稱工作輪，是離心式壓縮機中惟一對氣流作功的元件，轉子上的最主要部件。一般由輪盤、輪蓋和葉片等零件組成。氣體在葉輪葉片的作用下，隨葉片作高速旋轉。氣體受旋轉離心力的作用，以及在葉輪里的擴壓流動，使它通過葉輪的壓力得到提高。

　　對葉輪的基本要求是：(1)能給出較大的能量源;(2)氣體流過葉輪的損失要小，即氣體流經過葉輪的效率要高;(3)氣體流出葉輪時各參數合宜，使氣體流過后面固定元件時的流動損失較小;(4)葉輪型式能使整機性能曲線的穩定工況區及高效區范圍較寬。

　　葉輪常分為閉式、半開式和開式葉輪。

　　葉輪的建模可分為輪轂曲面(Hub)以及葉片曲面(Blade)兩部分，葉片又包含包覆曲面(ShroudSurface)、壓力曲面(Pressure Surface)和吸力曲面(Suction Surface)，如圖1所示。葉輪輪轂面及葉輪蓋分別由葉片中性面根部曲線和葉片中性面頂部曲線繞Z軸旋轉而成;經過旋轉軸Z的設計基準面為子午面;中性面是處于葉片壓力面和吸力面中間位置的曲面。對于輪轂曲面和包覆曲面，可分別由葉片根部曲線和葉片頂部曲線繞Z軸回轉而成，故在整體葉輪的建模過程之中，把葉片的建模放在輪轂曲面和包覆曲面建模之后。

　　葉輪類零件構成的一般形式是若干組葉片均勻分布在輪轂的曲面上。一組葉片中可能只有一個葉片，也可能有若干個葉片。前一種情況的葉片分布稱為等長葉片，后一種的葉片形式主要指含有小葉片，一般稱為交錯葉片。本例的整體葉輪產品效果，如圖2所示。

　　一、整體葉輪結構加工工藝分析

　　在本實例中，需要對整體葉輪的流道、葉片和圓角主要曲面進行加工，如圖3所示。

　　另外，在葉片之間有大量的材料需要去除。為了使葉輪滿足氣動性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結構，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據本例具體情況下面介紹其加工難點。

　　(1)加工槽道變窄，葉片相對較長，剛度較低，屬于薄壁類零件，加工過程極易變形。

　　(2)槽道最窄處葉片深度超過刀具直徑的8倍以上，相鄰葉片空間極小，在清角加工時刀具直徑較小，刀具容易折斷，切削深度的控制也是加工的關鍵技術。

　　(3)本例的整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴重，并且有明顯的后仰趨勢，加工時極易產生干涉，加工難度較大。有些葉輪由于有副葉片，為了避免干涉，要分段加工曲面，因此，保證加工表面的一致性也有困難。

　　整體葉輪加工技術要求包括尺寸、形狀、位置和表面粗糙度等幾何方面的要求，也包括機械、物理和化學性能的要求。在對葉輪進行加工前，必須對葉輪毛坯進行探傷檢查。葉輪葉片必須具有良好的表面質量。精度一般集中在葉片表面、輪轂的表面和葉根表面。表面粗糙度值應小于Ra0.8μm。截面間的型面平滑過渡。另外葉身的表面紋理力求一致，一致的流水線是最好的紋理表面，但這樣又限制了走刀方向，從而在一定程度上限制了加工的刀具

　　軌跡。

　　整體葉輪在工作中為了防止振動并降低噪聲，對整體葉輪對動平衡性的要求很高，因此在加工過程中要綜合考慮葉輪的對稱問題。在進行CAM編程時可利用葉片、流道等關于葉輪旋轉軸的對稱性的加工表面，可采用對某一元素的加工來完成對相同加工內容不同位置的操作，如本例就應用了旋轉陣列加工的操作。另外，應盡可能減少由于裝夾或換刀造成的誤差。

　　二、整體葉輪加工工藝準備

　　1.機床準備

　　采用立式五軸聯動高速加工中心，數控機床主要參數X軸行程900mm，Y軸行程600mm，Z軸行程550mm，C軸旋轉范圍0°～360°，B軸擺動范圍-90°～90°，刀庫容量40把刀位，數控系統為SIEMENS 840D。如圖4所示。

　　2.刀具準備

　　采用HSK高速刀柄，由于加工時葉片的紋理要求所使用的刀具切削刃長度應大于70mm，刀具總長度應大于120mm，并采用整體硬質合金涂層刀具。

　　3.工裝準備

　　要求安全可靠，體積小、質量輕，以減小加工時的慣性力矩對工件加工精度的影響。另外，裝卸工件要簡潔方便。

　　4.測量準備

　　對于葉輪這樣的復雜型面，手工方法無法確定精度，主要采用三坐標測量機進行型面數據檢測。把采集到的數據與幾何建模實體進行比較來檢測加工精度。

　　5.編程軟件的準備

　　目前，國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用加工軟件，主要有美國NREC公司的MAX-5、MAX-AB葉輪加工專用軟件，瑞士Starrag數控機床帶有的整體葉輪加工模塊，還有HyperMill等專用的加工軟件。此外，一些通用的CAD/CAM軟件，如UG、CATIA、Delcam等也可用于整體葉輪的加工，本例應用的是UG NX通用編程軟件。

　　三、整體葉輪的數控加工工藝過程

　　1.工序1

　　用φ16R2圓鼻刀粗加工。工序1的具體內容如表1所示。生成的刀具路徑和加工仿真如圖5、圖6所示。