專利名稱：整體葉輪葉片的插銑刀加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種整體葉輪葉片的切削加工方法，具體地涉及可加工整體葉輪自由曲面葉片的整體葉輪葉片的插銑刀加工方法。
背景技術(shù)：
在壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵等機(jī)械中葉輪是不可缺少的關(guān)鍵部件，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片對(duì)流體做功，使流體的方向、速度或壓力得到改變，實(shí)現(xiàn)其機(jī)械功能。根據(jù)流體的流動(dòng)方向，葉輪可分為軸流式和離心式兩種，兩種葉輪的結(jié)構(gòu)都由輪轂和葉片組成，輪轂為類似球缺的錐形殼體，輪轂上均勻分布著葉片，葉片的形狀有直紋形或自由曲面形兩種，自由曲面葉片的幾何形狀沒有一定規(guī)律，加工難度大，但流體動(dòng)力學(xué)性能好，運(yùn)行效率高。參見圖1，如軸流式整體葉輪的自由曲面葉片2主要由頂面25、壓力面22、吸力面21、進(jìn)水邊23、出水邊24和過渡圓角26組成，頂面25為錐面，壓力面22和吸力面21為自由曲面，進(jìn)水邊23為橢圓角過渡，出水邊24為直紋面，葉片2至輪轂1之間的過渡圓角26半徑由小到大呈線性變化。這種葉片的空間扭曲、重疊度大且變化不規(guī)則。鑒于整體式葉輪葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性，合適的數(shù)控加工方法和加工工藝對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高加工效率尤為重要。由于葉片空間重疊度大，需采用多軸加工。參見圖2，傳統(tǒng)的加工方法一般是采用球刀3(或圓刀片銑刀)對(duì)葉片2進(jìn)行切削加工，其走刀方向31是沿葉輪的軸向生成刀具運(yùn)行的加工路徑，即刀具在葉輪的軸線方向上作環(huán)繞式的走刀運(yùn)動(dòng)。該方法主要存在以下弊端1、由于刀具的走刀方向基本平行于葉片的頂面，葉片在受力狀態(tài)上類似懸臂結(jié)構(gòu)，加工時(shí)葉片的根部承受一定的彎矩，易變形，剛性差；而球刀加工時(shí)切削力的徑向分力大，加上球刀自身直徑小，刀桿剛性差，在加工過程中振動(dòng)較大，加工質(zhì)量難以控制；而且，由于徑向分力大，葉片和刀具的讓刀現(xiàn)象使葉片各處的變形量難以控制，使加工質(zhì)量難以保證。
2.刀桿長(zhǎng)度和刀具運(yùn)動(dòng)的范圍對(duì)調(diào)整工件與刀具干涉的約束較大。球刀的直徑較小，但其運(yùn)動(dòng)的范圍和刀桿的長(zhǎng)徑比較大，在調(diào)整工件與刀具互不干涉的過程中，制約因素較多，特別是當(dāng)葉片高度較高時(shí)，避免工件與刀具干涉的難度較大。
3.球刀加工生成的刀具路徑較長(zhǎng)，加上刀具的剛性不足，進(jìn)給率和切削量都無法增加，延長(zhǎng)了切削時(shí)間，降低了加工效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種刀具進(jìn)給量大，葉片變形小，走刀路徑短，切削效率高的整體葉輪葉片的插銑刀加工方法本發(fā)明的技術(shù)解決方案是整體葉輪葉片的插銑刀加工方法，采用數(shù)控機(jī)床加工，刀具采用插銑刀，插銑刀在葉片上的走刀方向?yàn)槿~輪徑向。
本發(fā)明還可以在插銑刀數(shù)控加工完葉片后，采用拋光砂輪去除相鄰兩刀間的殘脊高度。
本發(fā)明所述的插銑刀又名Z向進(jìn)給銑刀，在加工自由曲面整體葉輪的葉片時(shí)，采用插銑刀并選擇基本垂直于葉片頂面弧線的進(jìn)給方向進(jìn)行切削加工，通過調(diào)整刀具傾角使刀具與工件不產(chǎn)生干涉，并保持一定的安全距離，其它參數(shù)根據(jù)加工余量和加工精度按普通的方法設(shè)定即可。
與傳統(tǒng)的加工方法相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于1.采用插銑刀加工，走刀方向?yàn)榈毒咻S向，切削時(shí)刀具的徑向分力很小，從而有效抑制了工件和刀具的振動(dòng)，使切削平穩(wěn)，葉片變形量小且易于控制，加工質(zhì)量容易保證；而且振動(dòng)減少后，可加大切削用量，從而提高了加工效率。
2.由于是軸向進(jìn)刀，刀具在葉片曲面上的運(yùn)動(dòng)范圍小，長(zhǎng)徑比小，刀桿長(zhǎng)度對(duì)加工時(shí)的振動(dòng)和變形影響小，調(diào)整刀具與工件干涉現(xiàn)象的余地較大，即使插銑刀直徑較粗，刀具與工件也不易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
3.插銑法加工生成的刀具路徑短，因此提高了加工效率。本發(fā)明方法不僅可以應(yīng)用于軸流式整體葉輪自由曲面葉片的加工，也可以應(yīng)用于離心式整體葉輪自由曲面葉片的加工。


圖1是軸流式整體葉輪的結(jié)構(gòu)示意2是傳統(tǒng)球刀3加工的走刀路徑3是本發(fā)明插銑刀4加工的走刀路徑圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明參見圖1，圖3，本發(fā)明整體葉輪葉片的插銑刀加工方法，采用數(shù)控機(jī)床加工，刀具采用插銑刀4，插銑刀4在葉片3上的走刀方向41為葉輪徑向。
實(shí)施例1采用本發(fā)明方法加工軸流式整體葉輪的自由曲面葉片2，葉輪材料為超低碳雙相不銹鋼，葉輪最大直徑為800-1000毫米，葉片2最大高度為240-260毫米。在五坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床上進(jìn)行加工。其插銑刀加工方法的創(chuàng)建及程序的生成包含下列步驟1 在UG NX2.0/CAD模塊中建立葉輪的實(shí)體模型。
1.1根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的設(shè)計(jì)點(diǎn)，將同一截面的點(diǎn)用NURB樣條(非均勻有理B樣條)連接成封閉曲線，并進(jìn)行光順處理。
設(shè)計(jì)圖紙給出的點(diǎn)為葉片2截面上的離散點(diǎn)，為了生成葉片2的自由曲面，須將這些點(diǎn)擬和成線，為了使生成的線光順，通過使用繪制樣條曲線命令，選用NURB樣條，將這些點(diǎn)首尾連接成一封閉曲線；并利用軟件的曲線分析命令對(duì)曲線各處的曲率進(jìn)行調(diào)整，使各處光順無拐點(diǎn)。
1.2通過掃掠的方法，將同一葉片2的所有截面線生成曲面。
通過以上操作，葉片2的所有截面點(diǎn)生成各個(gè)截面線，再調(diào)用軟件的掃掠命令，按順序選擇每個(gè)截面線為掃掠曲線，注意所有截面線的方向須一致，生成單個(gè)葉片2的曲面。
1.3將葉片2曲面封閉，通過填充操作生成實(shí)體。
葉片2的自由曲面生成后，由于頂面25及轂面處沒有截面線，自由曲面向內(nèi)須延伸到轂面處，向外須延伸到頂面25處。這一過程是通過軟件的曲面擴(kuò)大命令來完成，兩端均按曲率方向自由延伸。然后通過轂面的錐面和頂面，利用縫合命令將葉片2各面縫合成一封閉曲面；再使用軟件的填充命令將封閉曲面填充成一實(shí)體。
1.4用軟倒角操作生成葉片2與輪轂1間的過渡圓角26，并通過陣列等操作完成整個(gè)葉輪的實(shí)體模型。
單個(gè)葉片2實(shí)體生成后，通過環(huán)形陣列命令，陣列角為60度，在輪轂1圓周生成6個(gè)等分葉片2；葉片2與輪轂1間的過渡圓角26，通過軟倒角操作，選擇起始倒角為R17，終止倒角為R26，中間為線性變化，生成過渡圓角26，從而完成整個(gè)葉輪三維模型的建立。
2.在UG NX2.0/CAM模塊中，創(chuàng)建葉輪的加工方法。
2.1創(chuàng)建加工刀具。
在多軸加工的軟件環(huán)境里創(chuàng)建參數(shù)插銑刀4的參數(shù)，具體參數(shù)為插銑刀4刀具的直徑63毫米，刃長(zhǎng)10毫米，刀尖圓角R0.2毫米，柄部直徑50毫米，長(zhǎng)度275毫米。
2.2創(chuàng)建插銑刀4的加工方法，重點(diǎn)是將走刀方向41的方式選為葉輪徑向，其它參數(shù)根據(jù)加工余量和加工精度設(shè)定。
創(chuàng)建加工方法時(shí)，調(diào)用多軸銑模塊。首先選擇加工幾何(實(shí)體)為單個(gè)葉片2實(shí)體，干涉幾何為相鄰的兩個(gè)葉片2及輪轂1體，加工刀具選上面創(chuàng)建的插銑刀；上述選擇完成后，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)面的設(shè)置和選擇菜單，也是編程中的主要加工參數(shù)設(shè)置處，主要有以下幾個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)面選擇、驅(qū)動(dòng)面的大小、切削余量、切削方向、切入和切出精度、殘脊高度、刀具投影方向、進(jìn)給量及進(jìn)退刀等。下面就這些參數(shù)做進(jìn)一步說明驅(qū)動(dòng)面選擇既可以選擇加工表面為驅(qū)動(dòng)面，也可以選擇另外單獨(dú)建立的面，這里單獨(dú)設(shè)置了等參曲面為驅(qū)動(dòng)面，使刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡較平穩(wěn)。
驅(qū)動(dòng)面大小選為0％-100％。
切削余量根據(jù)工藝需要可適當(dāng)選擇，這里采用粗加工為3.5mm，半精加工為1.5mm，精加工分兩刀進(jìn)行，由0.5mm至完成。
切削方向?yàn)椴邈娂庸し椒ǖ闹匾x項(xiàng)，在軟件給出的多個(gè)進(jìn)給方向中，選擇指向葉輪軸心的方向，即葉輪徑向?yàn)榍邢鞣较颉?br> 切入和切出精度可根據(jù)粗、精加工的精度不同及零件的精度要求而設(shè)置，一般粗加工設(shè)置低，精加工設(shè)置高，這里精加工設(shè)置切入精度為0.02mm，切出精度為0.03mm。
殘脊高度為相鄰兩刀間加工產(chǎn)生的波峰與波谷的高度，也根據(jù)粗、精加工的不同而設(shè)置，這里精加工設(shè)置為0.02mm。
刀具投影方向選為葉輪的軸向。
進(jìn)給量這里選500毫米/分，進(jìn)退刀及其它參數(shù)按通常的加工工藝設(shè)置即可。
2.3所有參數(shù)設(shè)定后，軟件自動(dòng)計(jì)算出刀具路徑，這時(shí)須仔細(xì)檢查刀具路徑，是否有突變和不正常，否則須隊(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和干涉檢查。
2.4選用機(jī)床后處理器，生成用于加工的數(shù)控程序(G代碼)，并在VERICUT軟件中對(duì)G代碼進(jìn)行仿真加工，從而得到最終的加工程序。
插銑刀4數(shù)控加工完葉片2后，采用拋光砂輪去除相鄰兩刀間的殘脊高度。殘脊高度是指插銑刀4進(jìn)給后相鄰的兩切削弧在葉片2上所留下的徑向條狀加工刀痕。同時(shí)也可采用拋光砂輪打磨出葉片2根部與輪殻1之間的過渡圓角26。
實(shí)施例2采用球刀加工方法和本發(fā)明方法對(duì)上述同一整體葉輪葉片2進(jìn)行加工并作比較先采用球刀加工，每件整體葉輪葉片的加工周期約17天(每天20小時(shí))，共約340小時(shí)；后采用插銑刀按本發(fā)明方法加工，每件整體葉輪葉片的制造周期約7天，約140小時(shí)。本發(fā)明方法的加工效率較球刀加工提高2倍以上，且生產(chǎn)的整體葉輪產(chǎn)品精度大大提高，質(zhì)量得到穩(wěn)定控制，完全滿足了大直徑、高精度葉輪產(chǎn)品加工的需要。
權(quán)利要求
1.整體葉輪葉片的插銑刀加工方法，采用數(shù)控機(jī)床加工，其特征在于刀具采用插銑刀(4)，插銑刀(4)在葉片(3)上的走刀方向(41)為葉輪徑向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體葉輪葉片的插銑刀加工方法，其特征在于插銑刀(4)數(shù)控加工完葉片(2)后，采用拋光砂輪去除相鄰兩刀間的殘脊高度。
全文摘要
整體葉輪葉片的插銑刀加工方法，采用數(shù)控機(jī)床加工，刀具采用插銑刀4，插銑刀4在葉片3上的走刀方向41為葉輪徑向。插銑刀4的走刀方向?yàn)榈毒咻S向，切削時(shí)的徑向分力很小，有效抑制了工件和刀具的振動(dòng)，使切削平穩(wěn)，葉片變形量小且易于控制，加工質(zhì)量容易保證；而且生成的刀具路徑短，可加大切削用量，從而提高了加工效率。不僅可以應(yīng)用于軸流式整體葉輪自由曲面葉片的加工，也可以應(yīng)用于離心式整體葉輪自由曲面葉片的加工，完全滿足了大直徑、高精度葉輪產(chǎn)品加工的需要。
文檔編號(hào)B23P15/02GK1986127SQ20061012547
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者董洪林, 王益知, 湯敏, 吳紅瓊 申請(qǐng)人:武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司