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叶轮加工模块可以根据图标顺序更改相应参数来完成编程。

知识链接

1. 叶轮的编程过程

(1) 叶轮结构形状及装夹方法

根据叶轮的3D 模型, 可以将其归类为盘类零件。 此类零件一般适用常规夹具。 此次我们选用自定心卡盘。

(2) 选材

由于叶轮一般在一些重要的场合发挥着重要的作用, 所以对其刚性、硬度、抗疲劳强度(有些场合也要考虑其在高温下的工作性能) 有着较高的要求。 叶轮的毛坯一般都选用精锻件, 并根据用途的不同选用不同的合金材料, 在加工过后还可以对成型的叶轮进行涂覆防磨涂料或表面喷焊来增加其耐磨性, 对其喷涂耐腐层来增加耐腐蚀性。 在根据叶轮的应用场合来选定毛坯材料的同时也要考虑其的可切削性, 切削性好的材料可以减少编程和加工时的困难, 使编程的发挥空间变大, 从而编出更好更合理的刀轨, 同时也构成质量良好的表面来提高叶轮的工作效率。

(3) 铣削装夹前对毛坯材料的处理

为了减少铣削加工量及在铣削时便于装夹, 我们可以对毛坯材料进行一定的车削加工, 形成叶轮回转体基本形状。

注意: 在用车床把棒料车削成叶轮毛坯时, 一定要保证好叶轮毛坯的一些部位的尺寸精度及位置精度, 以便于后续在加工中心上装夹、找正。

(4) 叶轮加工难点及对应的加工方案

1) 因叶轮为复杂的曲面零件, 普通数控机床难以实现其加工需求, 所以最好选用五轴机床(有些叶轮也可以四轴机床加工)。 加工时采用五轴联动加工, 而非3+2 定轴加工。

2) 一般叶轮毛坯多为精锻件, 切削非常困难, 所以要选用合适材料的刀具。 在叶轮粗加工时尽可能选用大直径的铣刀, 这样效率比较高, 叶轮精加工时选用带锥度(一般为3°～5°) 的球头铣刀以增加刀具的刚性, 避免刀具因刚性问题而折断, 同时也应合理选择切削用量。

3) 由于叶轮属薄壁零件, 易变形, 所以要选择好刀具的类型和切削方法, 同时也要考虑好夹紧方式。

4) 叶轮叶片扭曲较大, 相邻叶片间的空间较小, 因此在加工叶片曲面时刀具不仅易与被加工的曲面发生干涉, 同时也易与相邻叶片发生干涉, 所以在创建操作时要定义好检查几何体, 正确安排刀具轨迹。

5) 由于叶轮是高传动效率构件, 其表面粗糙度要求及尺寸精度要求非常高, 所以在创建操作时要合理地选择驱动方式、投影矢量, 及刀轴类型, 特别是在铣轮毂时, 刀轴加工方式最好选用插补方式, 以控制好刀轴接触点和刀轴矢量方向。

2. 叶轮加工编程

(1) 叶轮粗加工

粗加工我们首先考虑的是去除大部分的余量, 对于叶轮来说, 我们可以选用VARIABLE_CONTOUR (可变轴轮廓铣) 的操作方法来对轮毂进行粗加工或利用CAVITY_MILL (型腔铣) 的操作方法对叶轮整体进行粗加工。

利用可变轴轮廓铣粗加工, 其部件几何体、检查体、驱动方法、投影矢量、刀轴选择等操作与轮毂精加工的设置基本相同(具体设置可参考轮毂精加工的设置), 但是轮毂粗加工须分层加工, 而且叶轮叶片是扭曲的, 所以每一层所需要切削的位置不同, 这就需要对每一层进行设置(不仅麻烦, 技术要求也比较高)。 当然也有简单的方法, 我们可以在可变轴轮廓铣的切削参数设定选项中给定一个部件余量偏置值, 采用多重深度切削的方法来实现工件的分层切削, 不过使用这种方法前首先要在可变轴轮廓铣的刀轴选项下插补方式中, 定义好轮毂与叶片交线的刀轴矢量(定义方法与轮毂精加工相同), 定义时在刀具不碰到叶片的前提下尽量使刀轴贴近叶片, 这样可以减少粗加工后工件的余量。

型腔铣是我们平时常用的粗加工方法(尤其在三轴中最常用), 我们可以在一粗时先用大刀去除工件大部分的余量, 再用小刀对工件进行二粗, 去除大刀切削不了的地方。 不过相比Cimatron、PowerMill 等编程软件, UG 在对工件进行粗加工特别是在二粗时抬刀会比较多, 不过我们可以通过添加干涉面和合理设置工件区域之间和区域内的传递类型(有些工件形状或结构比较复杂, 局部形状、尺寸突变较大, 设置时须谨慎, 以免因设置不恰当而导致加工时刀具碰撞工件) 来相应减少一些抬刀。

叶轮的叶片是扭曲的, 粗加工时使用型腔铣。 采用普通的三轴加工只能去除毛坯水平面(切削层) 上叶片沿竖直方向投影不到的地方, 无法去除叶片压力面一侧下方的余量。不过我们加工叶轮时采用的是五轴机床, 所以可以利用五轴机床两个旋转轴可定位的这一特点结合型腔铣(设置时指定好刀轴矢量) 来对叶片压力面一侧的余量进行3+2 定轴加工。 所以, 三轴加工用来对叶轮进行第一次粗加工, 3+2 定轴加工用来对叶轮进行第二次粗加工。

1) 第一次粗加工。 首先定义毛坯(经车削后的毛坯) 和部件几何体(叶轮), 创建MCS (机床坐标系), 从刀库调刀, 创建“操作”, 选择型腔铣。 刀轴选择“+ZM 轴”,“切削模式” 选择“跟随周边”, “步距” “全局每刀深度” “进给” 和“速度” 根据刀具类型和工件材料来定, “切削参数” 和“非切削移动参数” 只需一般设置(注意设置叶轮轮毂面与叶片面上留余量), 生成刀轨并确认。(www.daowen.com)

2) 第二次粗加工。 新建毛坯、部件几何体(具体毛坯、部件的形状自定, 只要能把叶片压力面下的余量去除就行, 同时也要保证加工时间尽量少), 刀库调刀。 创建型腔铣操作方法, 指定毛坯(新建的毛坯)、部件(新建的部件)、干涉面(轮毂面、叶片面和轮毂面与叶片间的圆弧角)、切削区域、刀轴。 在型腔铣中刀轴选定方式有两种: 一种是“+MC 轴”, 一种是“指定矢量”。 “+MC 轴” 是指刀轴沿MCS 的+Z 轴, 也就相当于三轴机床的Z 轴(三轴机床中也只能选择该轴); “指定矢量” 是指指定一个自己想要的矢量为刀轴, 可以是空间中任意一矢量, 但在定义时一定要注意好矢量的方向。 “切削模式”选择“跟随周边”, 切削时“下刀方式” 选择“螺旋下刀”, 侧壁留余量, 其他普通参数再进行设置(注意: 在设置时一定要指定安全几何体), 生成刀轨并确认。

一粗中的一系列参数设置是比较简便的, 而二粗用3+2 定轴加工的方法来进行加工, 要使用到机床的两个旋转轴, 也就是要根据型腔铣中的刀轴矢量来定义。 矢量的构建不是很难, 但要构建好却不是那么容易, 首先要考虑到构建的刀轴矢量能否去除所有要去除的材料, 同时在去除过程中会不会与叶片过切或会不会切到相邻的叶片, 刀柄会不会与工件碰撞, 其次还应结合机床考虑到机床主轴或工作台的摆角范围, 使刀轴的倾角在这范围之内。

叶轮粗加工后, 叶轮的轮毂和叶片之间还留有一定的余量, 且轮毂面和叶片面上的各个局部区域的余量都不相同, 如果直接对叶片和轮毂进行精加工, 会导致刀具的折断或工件的变形, 所以在轮毂和叶片精加工前一定要安排半精加工。

(2) 叶片半精加工

在叶轮粗加工之后, 叶片和轮毂上都留有一定的余量, 还需要进一步去除, 下面我们对叶片进行半精加工。

操作方法选择 “VARIABLE_ CONTOUR (可变轴轮廓铣) ”,“几何体” 选择“MCS”, 叶轮的轮毂面选择干涉面; “驱动方法” 选择“曲面” (驱动几何体选叶片上的面; 切削区域选择“曲面%” 以保证切削后不留余量和生成流畅的刀轨; 定义好切削方向和材料方向; 设置曲面偏置, 因为是半精加工所以要设定一定的偏置量, 若叶片上余量较多可设置多次, 进行多次半精加工, 也相当于分层加工; “切削模式” 选择“单向” 或“往复”; “步距” “切削步长” 视情况而定), “投影矢量” 选择“刀轴”, “刀轴” 的“轴” 方式选择“侧刃驱动体” (要设置一定的侧倾角度数), “切削参数” “非切削移动参数” “速度” 和“进给” 一般设置即可。

利用可变轴轮廓铣加工叶片时要选择一定的干涉面, 避免刀具过切。 “驱动方法” 选择“曲面” (叶片精加工时也可选择“流线” ); “曲面驱动方法” 中要定义好“曲面%”, 使叶片得到充分切削; 合理选择“切削模式” “步距”, 及“切削步长”。 “投影矢量” 选择时要考虑驱动面、叶片面和刀具形状, 为生成准确的刀轨需要选择适合的投影矢量(相比“垂直于驱动体” 和“朝向驱动体”, 选择“刀轴” 作为投影矢量更好); 对于叶轮上叶片的加工, 刀具相对于切削区域的最好位置关系就是刀具的轴线与“叶片曲面” 的Swarf 划线平行或成一角度, 利用刀具的侧刃去切削工件, 这样不仅切削流畅, 而且最小化了刀具与其余叶片的接触, 所以刀轴定义为“侧刃与驱动体(Swarf 驱动) ” 是最佳的方法。

(3) 轮毂半精加工

因在叶轮粗加工时我们采用了两种不同矢量的刀轴对叶轮进行粗加工, 轮毂面上各个区域残留的余量不稳定, 所以要对轮毂进行半精加工。

创建“操作” 选用可变轴轮廓铣, “几何体” 选择“MCS”, 设置干涉面(干涉面为轮毂两侧的叶片面和叶片与轮毂之间的圆角面); “驱动方法” 选择“曲面”, 指定轮毂面经过拉长后的面为驱动几何体, “切削区域” 选择“曲面%” (使加工到位), “刀具位置” 选择“开”, 随后定义切削方向、材料方向, 曲面偏置(0.5), 切削模式、步距自定; “投影矢量” 选择“刀轴”; “刀轴” 的“轴” 方式选择“插补” (可在该模块下自行添加、移除和编辑刀轴); “切削参数” “非切削移动参数” “进给” 和“速度” 一般设置即可, 最后生成刀轨。

轮毂加工在整个叶轮加工过程中是最容易发生过切的, 所以设置合理的刀轨非常重要, 在保证轮毂上余量切除的同时也要避免刀具、刀柄与叶轮其他部位的接触。

为防止过切、碰撞, 设置干涉面是必须的, 但要生成一个漂亮的刀轨需要选用和指定好驱动方法、投影矢量和刀轴。 “驱动方法” 选择“曲面”, 驱动几何体为轮毂面, 这样驱动面上的驱动点就相当于直接生成在轮毂面上, 使用这种驱动方法可使轮毂面上的刀点均匀统一、有规律地分布在轮毂面上, 而且该操作方便简单(对于轮毂的加工有些类型的叶轮也可选择“流线” 为驱动方法), 在曲面驱动方法的设置选项中要留意一下“材料反向”, 避免下一步设置刀轴时影响其矢量; “投影矢量” 选择“刀轴”; “刀轴” 的“轴”方式选择“插补”, 这一刀轴加工方式对于叶轮轮毂的加工是非常有用的, 它可以自动在叶片和轮毂的交线上生成一系列控制刀轴的矢量, 轮毂面上的其他刀具位置点的刀轴矢量由U、V 双向线性插补值或样条插补值获得。

(4) 叶片精加工

精加工叶片选用可变轴轮廓铣, 操作设置方法与叶片半精加工设置基本相同, 主要把“驱动方法” 里的“曲面偏置” 设为“0”, “切削步距” 改小点, “切削步长” 选择“公差”, 且值设小点, 最后生成刀轨(叶片的精加工驱动方法也可以选择“轮毂”, 用该方法生成的驱动点位置也很不错, 可以生成很好的刀轨)。

(5) 轮毂精加工

轮毂精加工选用可变轴轮廓铣, 操作设置方法与轮毂半精加工设置基本相同, 主要把“驱动方法” 里的“曲面偏置” 设为“0”, 并把刀轨设置得密些, 最后生成刀轨。

(6) 叶片与轮毂之间圆角区域的加工

圆角区域的加工是为了去除在加工叶片和轮毂时所残余的一小部分材料(相当于清根), 加工量不大。 该加工可以增加叶片与轮毂的“连结性”。

任务实施

根据课程内容写出轮毂加工主要内容。

知识拓展

怎么在VERICUT 中模拟加工涡轮式叶轮?