摘要：以交错式航空增压器叶轮为研究对象，针对当前叶轮多轴加工及编程效率低下问题，基于多轴切削仿真技术，对其工艺方法及CAM编程进行优化，提出了一套可行、高效的多轴数控加工解决方案，经实际切削加工实验证实，增压器叶轮总体加工效率提高了45．54％，极大地节约了生产成本。

      关键词：增压器叶轮；多轴加工；高效加工；仿真优化
   
      0 引言
 
      航空增压器叶轮工作性能要求高，多采用多轴数控铣削加工技术直接加工成型，节约了不少生产成本。但是多轴工艺编程过程中容易出现工艺规划不当、编程调试周期长、刀具轨迹质量低劣等问题，从而导致机床振颤严重、叶片形变不均匀、叶轮表面质量差甚至进出气边发生过切和啃切等现象。针对这些问题，本文从工艺方法设计和工艺编程参数优化设置人手，结合多轴切削仿真技术实现了增压器叶轮多轴高效加工。
 
       1 、多轴铣削工艺规划及工艺方法设计
   
       1．1  增压器叶轮的结构
 
       航空增压器叶轮属于“交错式”离心叶轮，如图1所示。根据叶轮的空间结构特点，整个多轴加工过程需分多道工序和多种加工方法来完成。
 
       1．2  增压器叶轮加工工艺总体规划
 
      增压器叶轮加工工序复杂，涉及多种加工工艺的融合，需要规划一套完整的工艺流程。叶轮加工工艺流程如图2所示，其中流道粗加工是提高加工效率的关键，精加工可决定叶轮加工的最终表面质量。
  

      
  
       图l “交错式”离心叶轮
 

       图2 增压器叶轮加工工艺流程
   
      1．3 多轴加工可行性分析
 
      在进行详细的工艺方法与刀具轨迹规划前，很难确定什么样的加工方案及加工参数可使刀具路径最光顺、抬刀最少、加工效率最高，因此对叶轮进行加工可行性分析很有必要。加工可行性分析主要包括叶片扭曲度、流道最小宽度及流道最深高度计算。
 
      1．3．1 叶片扭曲度计算
 
      叶片的扭曲度指叶片型线的扭转角度，其能够直观地反映叶轮流道的开敞性，评价叶轮粗加工及流道精加工的难度。图3为最大扭曲度及平均扭曲度计算

    
           图3最大扭曲度及平均扭曲度计算示意图
 
     1．3．2 流道最小宽度及最大深度计算
   
     叶轮流道的最小宽度及最大深度是叶轮加工时刀具参数选择的参考。由于受主叶片吸力曲面和分流叶片压力曲面的约束，刀具尺寸选择过大，加工时会出现频繁抬刀或干涉碰撞；刀具尺寸选择过小，粗加工效率低下，耗时耗力，因此计算流道最小宽度值和最大深度值对刀具尺寸、装夹方式的选择都有很大的参考性。
 
     流道最小宽度值计算可通过离散同一流道两侧主叶片吸力曲面、压力曲面及分流叶片的吸力曲面和压力曲面，并分别计算主叶片吸力曲面与分流叶片压力曲面、主叶片压力曲面与分流叶片吸力曲面对应离散点的距离，比较各点距离大小，最小值d。i。即为流道的最小宽度值，如图4所示。
 
     流道最大深度值计算可通过抽取主叶片的叶顶曲线和叶根曲线，并分别进行参数化表示，然后按等参数将其离散为相同的数据点，计算出叶顶线数据点与相应叶根线离散点矢量，并比较取其中最大值h max即为流道最大深度值，如图5所示。
  
    
  
     图4 流遁最小宽度值

     图5 流遭最大深度值
 
     1．4叶轮多轴工艺方法设计
 
     1．4．1 粗加工工艺方法设计
 
     根据前面多轴加工的可行性分析，本文采用两种五轴加工工艺方法对叶轮粗加工方法作对比，研究不同工艺方法对叶轮粗加工效率的影响。
 
    (1)方法一(“3十2”五轴定位粗加工)：“3+2”五轴定位加工实质上就是实现不同方位三轴加工的功能，此类机床的两个旋转轴是用来调整和固定刀轴与工件的相对位姿，而不是三轴机床中刀轴恒垂直于工件的位置。叶轮粗加工材料去除部位主要集中在两叶片之间流道腔槽内。考虑到叶轮毛坯的形状，可使刀轴与叶轮毛坯的回转中心保持合适的角度进行五轴定位型腔铣削加工。定位角度的确定原则是保证最大刀轴的可达性，以尽可能多地去除流道内的多余材料，因此最佳定位角度可通过计算流道最大深度值处叶根线与叶顶线对应离散点连线的切矢h与回转轴z正向的夹角来确定，如图6所示。经计算定位角度为：51．789度。
 
     (2)方法二(五轴联动粗加工)：叶轮五轴联动粗加工有3种不同的刀具路径规划策略，分别是基于轮毂面偏置算法、基于包覆面偏置算法和基于流线的偏置算法。叶轮粗加工在追求高效材料去除量的同时，还应尽量减弱粗加工时叶片的应力变形问题。对于此种叶片大且长的情况，选择基于轮毂曲面偏置算法加工，可以增加加工过程中叶片上部的刚性，有效减弱切削应力。
 
     1．4．2精加工工艺方法设计
 
     叶片精加工有点铣和侧铣两种方式。侧铣加工刀具可达性较差，分层较多，表面光洁度差，而且根据叶轮几何尺寸需要多次换刀及清根加工，工序复杂。点铣加工切削力较小，精度高，可选取与叶根圆角相同尺寸球头刀精加工代替叶片圆角清根。本文中研究的增压器叶轮叶片为非可展直纹面，叶片较多且大小不同，主叶片又长又薄，因此选择点铣加工更为高效便捷。
  
  

     
     图6 五轴定位加工刀轴定位角度计算
 
     2、基于切削仿真的刀具轨迹优化
 
     2．1 叶轮工艺编程
 
     2．1．1粗加工工艺编程
  
     

   
    
     2．1．2精加工工艺编程
 
    叶轮精加工编程过程中，工艺参数较多，各参数量的选择较多，不仅仅影响编程的效率，还直接影响CAM软件内部轨迹优化算法，进而影响刀具轨迹的质量，因此精加工阶段的工艺参数的最优选取是叶轮加工过程中最关键一步。工艺参数的设置原则如下：精加工统一采用直径为直径6 mm的锥度球头刀，其刀杆直径大，刀具刚性好，可适当弥补机床高速切削时刀杆振颤所导致的曲面表面不光滑的现象；刀具采用HSK高性能刀柄装夹，刀柄径向跳动5微米，刀具悬长初步设置为50 mm，可通过后面轨迹仿真进行适当调整，调整原则是在保证无干涉前提下越短越好。
 
     由于叶片型面扭衄多变，为避免加工刀轴与工件干涉，增大刀具球面与工件的接触面积，选取相对于曲面倾斜的刀轴驱动方式，该方式能够有效地提高切削的效率。刀轴倾角根据叶片的曲面扭度，结合试切加工实际经验确定，刀轴矢量U向导动面倾斜角度选择5度，u向导动面倾斜角度选择75。，如图7所示。刀轴的剧烈变化引起实际进给速度突变，这样会在已切削表面和将切削表面交接处因切触点停顿和振颤产生刀具痕迹，因此刀轴最大变换矢量要控制在一定范围内，以保证刀轴在曲面曲率变换剧烈的部位平滑过渡。叶片
轨迹规划时常常需要优化前后缘刀轴矢量，这里设置前后缘最大角度步距 阿尔法=1．2。。根据多次试切实验结果对比发现，叶轮精加工表面质量受步长和步距影响最大，刀具轨迹公差其次，每齿切削量最小。精加工轨迹规划时，结合机床性能及加工实验，设置主轴转速为6 000 r／min，每齿切削量为0．06 mm，步长取刀具直径4％，步距(每层螺旋切深)取刀具直径的7％，公差为0．01ⅡlHl。
 
     按加工工艺得到的增压器叶轮主叶片、分流叶片、流道五轴联动精加工轨迹如图8所示。
 
     2．2 Vericut多轴联动仿真平台的搭建
 
     本文采用配备华中8型高档数控系统的AC双转台五轴联动加工中心进行叶轮加工，其运动链为：刀具一Z轴一y轴一X轴一床身一A回转轴(主动轴)一C回转轴(从动轴)一工作台一工件。
  
  

    
                     图7 刀轴倾角优化示意图
   
    依据机床运动链，在Vericut中搭建机床的运动数字模型，导入机床各部件模型并配置好机床的行程，配置华中8型高档数控系统的常用指令字解释器，建立每道工序所需刀具库，完成多轴仿真平台的搭建。
 
     2．3 仿真优化
 
    将各工序的数控代码导入Vericut中进行仿真加工，并通过切削仿真计算比较结果，优化微调工艺参数，使刀轴沿轨迹光顺平滑过渡。另外，通过干涉仿真分析确定刀杆最优悬长为45 mm，大大降低了刀杆振颤带来的影响。最终切削仿真结果如图9所示。
 

          图8 五轴联动精加工轨迹
  
  

    
     图9 精加工切削仿真结果
 
    3、加工试验及分析
 
    3．1 叶轮粗加工方法对比
 
    按两种粗加工方法进行试切加工，对比分析实际加工效率，并采用效率较高的工艺方法完成增压器叶轮全部粗加工，表1为两种方法粗加工结果及工时的对比结果。
 
 
                                   表l 两种粗加工结果及工时对比

  
  
     
  
     3．3 加工效率对比分析
 
    表2为优化前后增压器叶轮加工工时对比。由表2可以看出，经过工艺优化后的叶轮加工效率整体提高了45．54％，达到了预期高效加工的目的，大大节省了加工成本。
 

    图10 叶轮精加工过程及结果
    
                                   2 现加工工时与原加工工时对比
   
  
     4、 结束语
   
    本文深入分析研究了增压器叶轮的结构特点，基于多轴切削仿真技术，将工艺与编程技术融合，提出一套叶轮多轴加工高效工艺方案，大大缩短了增压器叶轮的生产设计周期，提高了增压器叶轮实际加工的总体效率。