叶轮零件的五轴数控制造质量与关键数控技术研究

　　随着设备功能复杂性和可靠性要求的提高，零部件呈现出几何结构日趋复杂、精度要求不断提高的发展趋势。同时产品市场与效益要求制造周期应尽可能缩短，因此，日益增多的复杂形状零件和高精、高效的加工要求对数控设备及数字化制造技术提出了越来越高的要求。

　　实践中，面向复杂形状零件的多轴加工和加工过程的刀规优化技术的推广应用，凸显出其特殊重要性。这是因为目前的三轴数控制造编程系统的稳定性、后置处理程序的运行、设备的调试运用以及产品制造精度和表面质量都达到了较高的水平，但一些复杂形面构成的零件，因刀具位置、刀轴姿态、工件和夹具的结构干涉等因素，不能在三坐标设备上完成加工。因此五轴设备在加工复杂形状零件中的性能、质量和效率等各方面的优势使对五轴编程和加工技术的研究应用也变得越来越重要。五轴联动加工一般是指三个坐标轴和两个转动轴同时协调加工，旋转轴的参与使刀具切削过程中始终处于最佳的切削状态成为了可能。

　　但五轴数控编程和加工有以下难点： （1）编程比较复杂，特别是当零件形状复杂多变或造型复杂时，要实现较通用的五坐标自动编程有较大困；（2）五轴数控编程的关键是刀具轴线的合理控制和后处理程序的开发和优化，难度较大； （3）设备昂贵，很多企业不具备五轴加工条件； （4）虽然可以在系统上建立参数化、全相关的三维几何模型，但在实体曲面上进行加工编程的特点是面向局部曲面的加工方式，编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，但与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有联系，造成程序与工艺脱节，加工质量可靠性变差；（5）由于多轴加工的CAM模块没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需做大量的人工修改，影响了模块的应用效果。

　　由于叶轮的数控加工一直是机械制造业的难题。因此，以实际中遇到的叶轮制造过程为例，研究如何运用各种理论成果，充分发挥五轴数控机床的潜力，提高复杂曲面零件的加工精度及效率的方法。

1 叶轮零件结构与工艺性分析

　　叶轮作为泵或涡轮机的核心部件，决定其效率、寿命、耐用度及可靠性。而叶轮的核心部分是叶片曲面，要根据流体动力要求进行开发设计，或由逆向工程方法得到曲面数据。叶片工作曲面一般是复杂的空间曲面，其形状主要由轴面流线和流线展开线的形状来确定。轴面流线与轴面截线包括工作面和背面所有交点的三维数据，也就是叶片表面的数据点云。将这些离散的三维点云按照一定的规则进行拟合，就得到叶片的表面模型。例如，在得到了叶片中间流线上的三维点坐标之后，就可以把叶片的流面绘制出来。方法是对流线三维点坐标进行坐标转换，在得到一系列离散的型值点云后，拟合这些点，便可以生成叶面曲线，再由线成面，由面成体。由于叶片工作面和背面的成型方法是相似的，所以选择一个实际设备中如图1的单面叶轮进行讨论。

　　该叶轮由叶轮盘和连接套两部分组成。叶轮盘上被分割槽隔成8块叶面体，叶面的轴向和周向截面均为近似阿基米德螺线，在以叶轮盘底面中心处为原点的坐标系中，1号叶面的4个顶点的坐标见表1。

　　连接套的150mm内孔用来安装和支撑叶轮，60mm内孔可以穿过轴端螺纹部分用来做叶轮的轴向固定。其上开有十字形键槽，用来传递扭矩。材料为QT6003。

图1 叶轮零件工程图 

　　叶轮主体的外形部分制造并不困难，铸造毛坯经普通车削即可完成外形加工。对公差要求较高的Φ150和Φ60mm内孔可采用精车或磨孔方法，在工序上分成粗、半精和精加工过程进行加工。但对于叶轮体与连接套连接的部分，从垂直于叶轮轴线方向观察，有一部分被叶轮体遮挡，无法采用垂直于轴线方向进刀完成车削。这部分表面原先为铸造表面，不需加工。但由于表面粗糙度较低造成的附着物对叶轮工作特性的影响，近来的设计有加工要求，为此可以采用数控车削方法完成。此叶轮的关键部分是叶面的加工，由于是空间曲面，表面制造精度要求又比较高，所以必须采用数控铣削方法加工。但细致分析不难发现，叶面内半径部分的边缘与连接套的外径相同。因此，如果在三坐标数控铣床或加工中心上进行加工，即使采用较大直径的铣刀，加长刀柄长度到200mm以上，忽略刀具刚性和震动对表面制造精度的影响，也无法完成全部叶面的完整加工。另外，叶面的制造精度也要求刀具与叶面形成最佳铣削角度。因此，采用五轴联动数控加工叶面是保证制造质量最有效的工艺方法。叶面的多轴数控加工编程涉及多方面的技术，其刀位轨迹规划、计算及优化是其中的关键问题。