复杂整体叶轮数控加工关键技术

复杂整体叶轮数控加工关键技术

目前越来越多的领域开始广泛使用整体叶轮设备，而整体叶轮设备所采用的复杂机械设备结构更加复杂，因此对CNC加工精度提出了更高的要求。
为满足加工要求，相关技术人员需加强数控加工关键技术分析，优化设计加工零件，因此，需加大对数控加工关键技术的研究力度。数控加工复杂的整体叶轮的生产工作才能顺利进行。

叶轮概述

目前，各种各样的产品都含有叶轮，例如水轮机蒸汽轮机，以及航空发动机等产品，叶轮都是重要的零部件。
叶轮是对气体、液体进行加压，达到能量转换的目的。叶轮由圆盘和桨片组成。
叶轮按其组成形式可分为开式、半闭式、闭式三种；按转速不同有高速叶轮、中速叶轮、低速叶轮。
叶轮关系到机械设备的使用效果，它的质量也直接关系到机械的效率和使用寿命。
叶轮的制造难度主要体现在叶片的制造上，特别是用于航空航天等行业的叶轮，由于其扭转度较大、流道狭窄，对其制造精度提出了较高的要求，且每片叶片要保证一致性，同时其表面粗糙度也要达到一定的标准。
另外，由于材料因素的作用，整个叶片的CNC制造变得非常困难。

叶轮

复杂整体叶轮数控加工特点及工艺

1.加工特点

在复杂的整体叶轮数控加工过程中，需要综合利用数字信息控制技术与数控加工方法，有利于叶轮结构的自动化、高效加工。
叶轮加工后，由于叶片厚度较小，刀具在加工过程中容易变形，对于整体的加工质量造成影响。
由于叶片的扭曲程度较大，刀轴矢量的精确计算比较困难，由于叶轮叶片之间的距离相对较近，再加上叶高较大，增加了数控加工的难度。
为避免以上问题的出现，在加工整个叶轮时，需要事先制定加工程序，并且需要绘制详细的零件加工图。
在制定叶轮加工流程的基础上，合理划分具体工作内容，使得加工设备和加工工具能够高效铰接，并能对叶轮零件进行准确定位。
另外，需严格控制叶轮数控加工的误差，并发挥机床技术的指导作用。

2、加工工艺

复杂整体叶轮数控加工与一般叶轮加工工作有着类似的加工流程，首先需要绘制加工图，根据图纸来分析零件的结构形状和材料等，为后续的加工工作提供便利。
其次需要结合数控加工原理进行加工工艺设计，实际操作中需要合理选择机床设备，需要对加工零件进行准确的定位和装夹位置。
随后，合理安排加工步骤，确定设备的正确使用方法。注意填写加工文件的详细信息，并严格检查加工程序。
在做完操作总结之后，就可以根据设计来进行数控加工了，由于工艺上还存在一些不足，所以需要程序员来到加工现场，对实际的加工进行指导，并且方便操作人员了解具体的工作流程。

3. 技术开发

针对叶片整体数控加工工艺，采用智能控制方法，实现叶片的数控加工。
整体叶轮数控加工工序复杂，涉及的加工对象较多，难以实现产品的批量生产。
由于同类产品数量较少，在数控机床上进行精密加工对精度要求较高，对大型复杂叶片进行了数字化、智能化数控加工。
主要工作是选择可加工零件，确定加工程序，绘制叶轮图纸，决定加工工艺。此外，还包括修改叶片的工作。从APT编程到CATIA程序，再到现在大型复杂叶片的CNC制造工艺。
在此基础上，国际上许多研究者开展了一系列研究，并取得了良好的成果。
例如在五轴联动数控系统中，分析了五轴联动数控机床非线性误差产生的原因，并建立了适合五轴联动数控机床非线性误差解决方法。
为解决刀轴矢量旋转及机床旋转行程限制引起的非线性偏差问题，研究适用于五轴数控系统的刀具位置检测方法。

叶轮

整体叶轮设计及制造系统规划

在整个叶轮的设计和生产中，为了使其适应不同的环境，必须使其具有较大的弯曲半径。
在传统的叶轮生产过程中，先利用机床铸造出叶轮的形状，然后用机器对其进行加工，也可以采用单独加工的方法，然后最后焊接所有的叶片，进一步进行统一的磨削、抛光加工工作。
目前，由于采用现代数控机床进行铣削加工，与传统工艺相比，该工艺具有精度高、生产周期短、调整方便等优点。在数控机床制造中，必须将整个叶片锻造成毛坯，然后才能进行机械加工。
因此采用MASTERCAM软件对整个叶片进行系统编程，使其具有较高的精度。
第一步是通过CAD进行建模，其次是建立刀具轨迹，最后是切削过程的模拟。

叶轮 CAD 建模过程

通过逆向工程分析获得叶轮叶片整体数据，工程师还可以通过详细的计算获得相关数据。
在运用逆向工程的过程中，结合叶轮外部测量得到叶轮工作状态的数据，然后通过软件编辑得到理想的叶片数据，再将这些数据输入到CAD系统中，经过CAD编辑处理，这样就得到了叶轮的CAD模型。
根据叶轮的具体用途来改变叶轮整体结构和叶片形状，目前主要采用直曲面型、自由曲面型。
在构建叶轮模型时，首先建立叶轮回转体，其次确定叶轮界面特性曲线，接下来利用计算机模拟整体叶轮模型的制造，通常利用UG软件混合扫描叶轮曲面。

复杂整体叶轮数控加工关键技术

1.规划技术

在数控加工过程中，规划技术起着重要作用，主要是根据刀具轨迹来使用规划技术。
原来的刀具轨迹规划，通常结合零件曲面数据及几何形式，但这种方法不利于零部件的高效利用，同时难以满足叶片的配置标准，对于叶根部位的叶片也会产生制约作用，在实际加工中，零件与刀具容易发生误碰问题，降低叶轮的加工质量。
对于新型叶轮加工工作，在规划过程中，选用参数映射技术有利于减少刀具与叶片意外碰触问题，并且重新规划刀具轨迹，避免刀具轨迹出现空行程问题。
此外，叶片流线与刀具轨迹可固定，有利于叶轮部件的高效加工，同时保证整体的加工质量。

2、加工工艺

加工复杂叶轮的工序，主要是对整个叶片的前缘和后缘进行倒角加工。因为在数控加工复杂整体叶轮时，很多工序都要依靠先进的工艺才能达到高效加工的目的。
但当前复杂叶片数控加工技术还处于不断升级创新阶段，难以适应复杂叶片精密加工的需要。在叶片前缘、后缘倒角加工中，采用弦线截距法求解切削轨迹，有利于加工水平的提高。
该算法特点是算法简单，计算和制造错误的可能性较小。
计算步长时，需要综合分析表面的性质，如果表面的特点是平坦，则步长会增大，同时表面的曲率会减小，逐渐增大表面曲率会减小步长。
通常需要减小叶片排气边和进气边的半径来优化叶轮整体性能，如果叶片尖端圆角半径在0.15mm左右，叶片轴线矢量会快速旋转，从而增大误差，造成边缘过切问题。
因此，需要加强对加工工作中圆角部分的控制，避免出现误差问题，结合误差的实际情况对刀具步长的合理性进行补充完善。

3.粗加工和精加工刀具路径设计

粗加工刀具路径设计

粗加工刀具路径轨迹设计是为了及时去除多余的材料，以高效地完成加工工作。
因此，刀具的选择需要理性，大半径球头铣刀，在粗加工工序中，偏置法和层切法的使用率较高，在精毛坯加工工序中偏置法的使用频率较高，可以实现毛坯的铸造和锻造。
如果毛坯余量较大，则适合采用分层切割的方法。
为了高效地完成加工工作，需要合理设置安全平面和起点及层高。

精加工刀具路径设计

在精加工过程中，需要对刀具路径轨迹进行优化设计，保证刀具路径方法的合理性，有利于提高加工精度，避免加工误差。
特别是需要科学地设计流道轨迹和叶片轨迹。为保障加工质量和效率需要合理选择刀具倾角和直径，目前在加工过程中，如余高螺旋轨迹生成法应用率较高。

4.改性技术

复杂整体叶轮数控加工涉及的零部件较多，不同零部件的结构复杂，如叶片形式就非常复杂，且加工阶段的影响因素较多。
例如对于环绕式刀片，在设计刀具轨迹时发现刀具与刀片之间容易发生误碰的问题。实施刀具轴矢量变换技术可以优化控制作用，且该技术的操作难度较小，主要是在刀具轴轨迹设计过程中采用了直线插补计算方法。
在加工过程中，主要以刀具落点进行插补，减少了假接触问题的发生，有利于整个叶轮的高质量加工。
刀轴矢量的确定是五坐标数控程序设计中的关键问题。
五坐标法为叶轮加工制造带来了便利的同时也增加了数控编程的难度。
核心是刀轴矢量和平滑加工。由于整个叶轮形状复杂，数控加工中经常遇到各种干涉和冲突。随着复杂程度和结构模式的变化，刀轴矢量的控制也存在一定的困难。对于开式叶轮，不需要过多旋转刀轴矢量以方便刀具移动。
对于直曲线叶片，需要进行侧铣加工；对于自由曲面叶片，加工比较麻烦；对于带冠的整体叶轮，可以分块加工，并可以多次装夹。
但由于冠部的存在，齿轮之间容易产生干涉，由于叶轮整体变形较大，叶片间间隙较小，采用圆周走刀法加工时，极易产生刀轴的整体干涉。
刀轴矢量平滑是指切削过程中刀轴矢量的平滑、均匀变化。平滑的过渡可提高工件的光洁度和表面质量，并减少切削过程中的振动。
如果刀具轴向不一致，就会造成转速或速度时快时慢，使刀轴摆动，产生咬合，严重的还会造成零件报废。

表面
图1 刀轴矢量示意图

5.叶片变形控制技术

为避免叶片变形问题，在进行复杂整体叶片的数控加工时，应考虑每一步切向参数的选择。
因此在建立目标方程时，需要对目标进行合理的优化，以达到叶片变形最小为目标，在此基础上合理选择合适的切削工艺。目前，以叶片变形最小为优化目标的前提，存在两种不同的算法：一是直接仿真法，二是采用有限元法进行建模。
无论哪种方法，都是以切削用量为基础建立切削力公式，将计算出的切削力应用到工件的建模中，通过分析工件的瞬态过程，实现对工件切削力的有效控制。
但由于直接建模法在建模过程中存在很多局限性,不适用于形状复杂的零件;采用有限元建模法,先对叶片进行有限元建模,然后再进行受力分析。
在此基础上，利用有限元软件对叶片的变形进行计算解决，并及时采取控制措施。

6.检测与数据分析技术

需要利用检测技术对零件加工效果进行分析，并结合分析结果制定针对性的改进措施，保障整体加工质量。对不符合规范要求的零件及时进行补救处理。
现代制造业对加工精度有严格的要求，同时十分注重零件的使用性能和造型等方面，因此需要合理选择检测技术。
在叶片类零件的检测中，采用CMM检测方法，可以在多种场合运用，获得准确的测量结果，但该方法注重环境变化，在现场测量中并不适合使用。
型材抽样检测方法利用率较高，可用于现场检测，可实现大批量检测工作，提高整体工作效率，但该方法在检测精度方面存在不足。
近年来，光学测量方法逐渐得到应用，不仅适用于现场测量过程，同时可以全面覆盖零件表面，有利于高效的完成测量工作，但需要投入较多的经费，并且在测量精度上存在一定的不足。

整体叶轮无坐标数控加工工艺规划

1、合理选择整体叶轮毛坯

所选用的毛坯不能存在切削余量。加工初始毛坯时，可以综合利用车削和锻造方法。加工自由曲面零件时，要保证精加工余量的均匀性。应根据零件的形状和尺寸准确设计毛坯的形状和尺寸。

2. CNC加工阶段的划分

在机械加工过程中，需要去除大约70%的材料，并且加工内容较多，包括例如叶根圆角以及叶片等部位的机械加工工作。
由于整体叶轮零件非常复杂，数控加工又可分为粗加工、半精加工和精加工三个部分。

3.工艺数据的选择

在加工阶段，通常需要使编程坐标系的Z轴和C轴重合，同时还需要使C轴和零件的旋转轴重合。通常以Z轴为轴，如果不是则以Z轴为轴。为了降低编程难度，需要调整各轴，使之与Z轴重合。

结语

在实践中，不断创新复杂整体叶轮数控加工关键技术，可以弥补传统机械加工生产工作的不足，解决复杂整体叶轮加工的工艺难题。
然而工艺的不断革新，也增加了技术操作的难度，对于工作人员提出了更高的要求，要求加工人员熟练运用关键技术，尤其需要注意变形的控制和修整等，通过掌握技术要点，确保工艺基准的合理性，同时对实际加工阶段进行合理的划分，才能准确地完成加工工作。
在未来的开发过程中，相关技术人员需不断提高研究力度，不断学习先进技术，保证整体的控制效果，并优化叶轮的性能。