基于CAXA制造工程师的五轴叶轮数控加工

引言

    随着CAD/CAM技术的发展，市场上出现了NX、Pro/E、CATIA等成熟的商用软件，这些软件的出现为工业界解决叶轮、叶片的设计和加工问题提供了很好的工具。作为国产软件，CAXA制造工程师经过多年的发展和升级，已适应了企业生产的需求，广泛应用于汽车、军工、航空航天技术中。CAXA制造工程师在增加了多轴加工模块以后，成为了一套方便而又简单的多轴加工软件，特别是使叶轮、叶片的模块化加工更加方便、快捷、易学。

1 叶轮的典型结构

    叶轮是离心式压缩机中惟一对气流作功的元件，是转子上最主要的部件。离心式叶轮主要有闭式叶轮半开式叶轮和双面进气叶轮三种，一般由轮盘、轮盖和叶片等零件组成（见图1）。

图1 叶轮结构

    气体在叶轮叶片的作用下，随叶片作高速旋转。旋转离心力的作用以及气体在叶轮里的扩压流动使气体通过叶轮时的压力得到提高。叶轮主要应用在化工及石油化工工艺、动力工程、制冷工程和气体分离、气体输送等领域。对叶轮的基本要求是：(1)能给出较大的能量源；(2)气体流过叶轮的损失要小，即气体流经过叶轮的效率要高；(3)气体流出叶轮时各参数合宜，气体流过后面固定元件时的流动损失较小；(4)叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽(见图2)。

图2 加工叶轮

2 叶轮加工工艺准备

    2.1 机床准备

    该机床采用MIKRON UCP 800立式五轴联动高速加工中心，双转台结构如图3所示，其系统为Heidenhain iTNC 530，数控机床主要参数如表1所示：

图3 双转台式五轴加工中心结构示意图

表1 MIKRON UCP 800主要参数

    2.2 刀具刀柄选

    该刀具采用HSK中空式高速刀柄。由于叶片的高度小于20mm，叶片问的间距大于20mm，所以我们可选择刀刃长20mm、直径φ10mm的R2圆鼻刀进行粗加工；选择刀刃长20mm、直径φ4mm的R1的圆鼻刀进行精加工，并采用整体硬质合金涂层刀具。

    2.3 工装准备

    工件要安全可靠，体积小、质量轻，以减小加工时的惯性力矩对工件加工精度的影响。另外，工件上网装卸要简洁方便。为了解决干涉和碰撞问题，本例自制了装夹工具，零件安装在夹具的上表面，通过底面和中心孔定位(见图4)。

图4 夹具图

    2.4 测量准备

    对于叶轮这样的复杂型面，手工方法无法确定其精度，因此我们主要采用三坐标测量机进行型面数据检测，并把采集到的数据与几何建模实体进行比较，以此检测加工精度。

3 叶轮加工工艺过程

    3.1 工艺过程1

    该过程以棒料为毛坯，操作人员通过数控车床加工出外形和孔（见图5）。

图5 加工出外形和孔

    3.2 工艺过程2

    该过程采用MIKRON UCP 800立式五轴联动高速加工中心，利用CAXA制造工程师的叶轮加工模块分别设置叶轮初加工、流道精加工、叶片精加工的加工参数，如图6、7、8所示。生成的刀具路径如图9所示，加工工序表如表2所示。

图6 叶轮粗加工参数表

图7 流道精加工参数表

图8 叶片精加工参数表

图9 叶轮粗加工轨迹

图10 流道精加工轨迹

图11 叶片精加工轨迹

表2 工艺过程工序表

4 CAXA制造工程师叶轮加工轨迹仿真与后置处理

    CAXA制造工程师对多轴加工只提供了线框仿真，无实体仿真。在CAXA制造工程师后置处理器的构造中，我们根据机床的特性设定好机床的坐标参数与旋转轴，根据Heidenhain iTNC 530数控系统的各命令功能设置编辑后置处理器。经过数据转换和对Heidenhain iTNC 530数控系统命令的翻译，它可把加工得到的刀轨文件转换成符合MIKRONUCP 800 NC机床的NC代码。

结束语

    五轴叶轮加工中最大的难点是解决“干涉”，防止撞刀和过切问题，特别是在确定装夹方案上需要操作人员考虑周全。另外，编制使用机床的后置处理文件也是五轴叶轮加工中难点，不同软件和不同机床都有相应的后置处理文件，而后者生成使用机床的代码。