整體葉輪葉片較薄, 而且葉片曲面形狀復(fù)雜, 要得到符合要求的加工精度和表面質(zhì)量難度較大, 需要在數(shù)控加工工藝和葉片曲面的描述及曲線插補(bǔ)算法上進(jìn)行規(guī)劃和選擇"目前一般的C N C 系統(tǒng)只具備直線和圓弧插補(bǔ)能力, 系統(tǒng)控制機(jī)床加工樣條曲線時(shí),必須將樣條曲線以直線段或圓弧段逼近的方式進(jìn)行, 這樣不僅程序量大! 加工效率低, 而且還將損失一定的加工精度, 使葉片曲面的加工質(zhì)量難以保證" 非均勻有理B樣條(N on一U nifo rm R ational B -Splin e , N U R B S )曲線插補(bǔ)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用將有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)C N C 直線和圓弧插補(bǔ)在曲線!曲面加工中的不足1.2"基于N U R B S 的葉片曲面構(gòu)建N U R B S 是曲線的節(jié)點(diǎn)不等間距, 并采用有理式表達(dá)的B 樣條曲線, 具有樣條曲線(Spline )和B ezier 曲線的優(yōu)點(diǎn), 對(duì)于非有理形式很容易推廣到有理形式[2] "N U R B S 曲線為標(biāo)準(zhǔn)解析形狀及自由曲線和曲面提供了統(tǒng)一精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式, 可通過(guò)自由參數(shù)權(quán)系數(shù)控制曲線或曲面形狀"。
葉片曲面采用非可展直紋面描述, 由一條直母線兩端分別沿兩條導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成" 在利用N U R B S 方法構(gòu)造兩條導(dǎo)線時(shí), 采用3 次N U R B S 曲線進(jìn)行構(gòu)造, 其曲線方程為:
是葉頂線和葉根線控制頂點(diǎn)的分量坐標(biāo), 式(3 ) !式(4) 可以擬合出二階連續(xù)的N U R B S 空間曲線作為直紋面擬合導(dǎo)線, 在U G 軟件中, 將連接葉頂線和葉根線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的直線沿線掃略, 生成非可展直紋面葉片, 通過(guò)與輪毅和輪緣曲面進(jìn)行布爾運(yùn)算得到葉輪造型結(jié)構(gòu)如圖1 所示"。
2 整體葉輪數(shù)控加工工藝規(guī)劃
2 .1 加工方法選擇與理論誤差分析
葉輪葉片的描述采用的是N U R B S 曲線, 所擬合出的葉片曲面為非可展直紋面"對(duì)于非可展直紋面, 必須用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床才能將其加工出來(lái)川,最理想的方式是采用N U R B S 插補(bǔ)進(jìn)行五軸側(cè)銑加工, 但由于設(shè)備和成本限制, 本文利用配備有N U R B S曲線插補(bǔ)能力的F A N U C 16 一M C 系統(tǒng)的四軸聯(lián)動(dòng)加工中心, 采用四軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑方式加工非可展直紋面整體葉輪"。
對(duì)于非可展直紋面, 由于每條直母線上各點(diǎn)法矢都不同,所以利用側(cè)銑進(jìn)行加工時(shí), 不能滿足任意刀位上刀具軸線的所有點(diǎn)都位于直母線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的曲面法矢方向上, 從而產(chǎn)生理論誤差[4] "理論誤差產(chǎn)生的原因如圖2 所示, 以圓柱銑刀為例, 在切削過(guò)程中, 當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)到某一刀位時(shí), 作一平面與刀具軸線垂直, O 點(diǎn)為刀具軸線在該平面上的投影, 葉頂線和葉根線在此面上的投影為A A -和B 羅, 刀具與被加工表面的切觸線投影為一個(gè)點(diǎn)T , N , 為A A .線與刀具切觸點(diǎn)的法矢,從為刀刀-線與刀具切觸點(diǎn)的法矢"。
從圖2 中可以明顯看出, 不論是按照N , 還是按照從來(lái)計(jì)算刀位, 由于它們的方向不同, 采用側(cè)銑方式加工葉片時(shí), 在切觸線上銑刀的法矢方向不可能與母線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的所有法矢相同, 所以, 一定會(huì)產(chǎn)生誤差,誤差大小與兩法矢方向的夾角成正比"此外,加工過(guò)程中還存在隨機(jī)誤差包括:機(jī)床系統(tǒng)的空間誤差!刀具系統(tǒng)的位置誤差!葉片和夾具系統(tǒng)的位置誤差!外界擾動(dòng)誤差及編程計(jì)算誤差"要減小或避免這些誤差需要合理規(guī)劃整體葉輪的數(shù)控加工工藝"。
2. 2 葉輪制造工藝過(guò)程
為了保證加工質(zhì)量, 提高經(jīng)濟(jì)性和可行性, 要遵循工序集中!基準(zhǔn)先行!先粗后精!先主后次!分面加工的工藝原則, 所以將整體葉輪的加工劃分為3 個(gè)階段:開槽粗加工!葉片精加工!輪毅精加工" 和許多復(fù)雜零件一樣葉輪的制造也要經(jīng)過(guò)毛坯制造! 加工準(zhǔn)備和數(shù)控加工的過(guò)程, 在完成粗加工和精加工之后對(duì)葉輪進(jìn)行必要的測(cè)量, 以保證加工出合格的葉輪"葉輪的主要制造工藝過(guò)程如圖3 所示"。
2. 3 定位基準(zhǔn)選擇及工裝夾具設(shè)計(jì)
合理設(shè)計(jì)工裝夾具不僅使葉輪夾緊可靠, 減小受力變形, 同時(shí)簡(jiǎn)化工藝, 保證加工質(zhì)量" 而工裝夾具設(shè)計(jì)的第一步就是選擇合適的定位基準(zhǔn)" 定位基準(zhǔn)的選擇要考慮到基準(zhǔn)重合的原則, 由于建模時(shí)的坐標(biāo)系原點(diǎn)在輪毅側(cè)面, 同時(shí)考慮實(shí)際設(shè)備第四軸的回轉(zhuǎn)中心為X 軸, 所以選定輪毅側(cè)面和回轉(zhuǎn)軸線為葉輪定位基準(zhǔn)"同時(shí)為保證夾具有足夠的剛性來(lái)防止變形與振動(dòng),采用芯軸螺母加頂尖的方式進(jìn)行裝夾"。
2 .4 加工刀具選擇及加工參數(shù)確定
考慮到葉輪加工路線為開槽!葉片精加工!輪毅精加工, 按照粗精分開的原則應(yīng)選用兩把以上的刀具, 同時(shí)為了避免多把刀具所帶來(lái)的尺寸和精度誤差, 選擇兩把刀具進(jìn)行加工" 最適用于鋁合金加工的刀具是金剛石刀具, 但其價(jià)格昂貴, 考慮到加工成本, 選擇硬質(zhì)合金涂層刀具, 既可保證加工質(zhì)量, 又降低了成本"此外, 刀具尺寸應(yīng)滿足直徑D 小于兩葉片之間槽道的最小寬度IF :, 即:
式中:R d為葉根圓半徑, m m ;t"為葉片厚度, m m ;N 為葉輪葉片個(gè)數(shù)"。
參考被加工葉輪尺寸, 刀具直徑要求小于10 m m ,切削刃大于葉片槽道的深度32 ~ , 所以開槽粗加工選擇中8x4 0 圓柱立銑刀;葉片!輪毅精加工選擇中6o sx35 牛鼻銑刀, 刀具切削用量如表1 "。
3 基于N U R B S 插補(bǔ)的加工路徑規(guī)劃為了保證整體葉輪的加工質(zhì)量, 在進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃時(shí)主要考慮避免干涉!切削變形小!加工路徑最短等因素"。
如圖1 所示, 為分別采用插銑圖1 (a) 和行切圖1 (b) 的刀具路徑, 在插銑方式中刀具的切削環(huán)境惡劣,葉片主要受Z 向分力,變形嚴(yán)重且難以保證加工質(zhì)量"而采用行切方式, 刀具沿葉片的曲面流線進(jìn)行切削, 雖然葉片受三個(gè)方向上的切削力作用, 但相比插銑中的Z 向分力要小得多, 同時(shí)刀具不易磨損, 葉片的表面質(zhì)量好"。
在U G C A M 模塊中對(duì)整體葉輪葉片進(jìn)行加工路徑規(guī)劃, 采用行切方式, 在機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)輸出選項(xiàng)框中選擇N U R B S 輸出"通過(guò)U G 提供的機(jī)床仿真功能實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工刀位文件的仿真, 這種方式修改方便, 且對(duì)葉片所有曲面數(shù)控加工刀位文件的仿真都是在C A M 軟件中進(jìn)行, 能夠針對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的碰撞和干涉及時(shí)地進(jìn)行修改, 如圖4 所示"。
4 整體葉輪加工實(shí)現(xiàn)
由于葉片均勻分布在輪毅上且葉片曲面相同, 采用分片側(cè)銑的方式進(jìn)行加工, 其基本思想是只對(duì)其中一個(gè)葉片進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃生成N C 加工程序, 其他葉片通過(guò)分度程序調(diào)用葉片加工程序?qū)崿F(xiàn)加工[3] " 通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的控制以及程序邏輯的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了整體葉輪的四軸數(shù)控加工, 通過(guò)檢測(cè)完全滿足設(shè)計(jì)要求, 如圖5 所示"。
5 結(jié)論
本文在分析非均勻有理B 樣條(N U R B S) 曲線插補(bǔ)技術(shù)在曲面加工方面優(yōu)越性的基礎(chǔ)上, 選擇N U R B S曲線對(duì)整體葉輪的葉片進(jìn)行擬合" 對(duì)整體葉輪的加工工藝進(jìn)行規(guī)劃, 完成了加工基準(zhǔn)的選擇!工裝夾具的設(shè)計(jì)!刀具的選擇以及切削參數(shù)的優(yōu)化, 并利用U G C A M的N U R B S 曲線插補(bǔ)功能對(duì)整體葉輪加工路徑進(jìn)行規(guī)劃! 模擬仿真和后處理生成N C 程序, 實(shí)現(xiàn)了基于N U R B S 插補(bǔ)的整體葉輪數(shù)控加工"。
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
