半开式整体叶轮数控插铣加工刀具轨迹规划研究

摘要

半开式整体叶轮广泛应用于离心压缩机、鼓风机等透平机械中。该类零件结构复杂，加工精度要求高，且多由难切削材料制成，是公认的难加工零件。当前，在五轴数控机床上进行整体铣制是该类零件主流的加工方法。其中，粗加工工艺的优劣对叶轮的加工效率和生产成本有着重要的影响。本文基于高效的“钻+铣”组合插铣加工工艺，研究将其应用于半开式整体叶轮的通道粗加工中，主要研究内容如下:
　　首先，针对传统插铣存在的问题，并结合最新的刀具技术，提出了基于“钻+铣”组合的插铣加工工艺。加工实验证实该加工工艺可行，而且材料去除率高，切削稳定性较好，并能有效避免“顶刀”现象。通过分析半开式整体叶轮的插铣粗加工工艺，提出了表征通道毛坯余量的通道横断面的概念，并建立了粗加工可行域。
　　其次，详细研究了半开式整体叶轮插铣加工工艺的刀具轨迹规划方法。首先，借助通道横断面，基于等弧长法和刀具加工要求，构造沿流向均匀分割通道的圆锥截面族。然后，利用圆锥截面族与叶片偏置面的交线端点确定边界刀位点，并使用基于点到面距离检测的方法修正发生碰撞干涉的边界刀位点。在各圆锥截面内，同样基于等弧长法和刀具加工要求，插值刀心点和刀轴矢量，最终获得均匀分布于通道内的刀位点。另外，借助通道横断面，分析了避免变轴插铣“顶刀”现象的条件，并研究了深通道叶轮的分层加工方法。
　　再次，利用二次开发技术开发半开式整体叶轮插铣粗加工专用编程模块。针对现有CAM软件在多坐标点位加工编程方面能力有限，使用UG二次开发工具UG/Open将上述规划方法集成到软件系统中。其中，首先利用UG/Open GRIP工具自动生成边界数据点;其次利用UG/Open API工具和C语言编程自动生成刀具轨迹。从而实现了该插铣加工方案的计算机辅助编程，大大缩短了开发周期。
　　最后，以实际生产的某半开式整体叶轮为例，实验验证了该加工方案的可行性。首先，选择了合适的五轴数控机床和毛坯模型。然后，基于后置处理得到的NC代码，在VERICUT软件平台上进行加工仿真，经仿真无误后，在机床上进行了试切加工实验。实验结果证实了该插铣粗加工方案不仅可行，而且高效。