叶肩圆弧数控加工集成加工技术浅析
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[摘 要]在静子叶片叶肩圆弧加工过程中，为突破制造技术瓶颈，提高加工效率，根据叶片叶肩圆弧结构特点，分析数控加工可行性，通过开发叶片类专用数控加工软件功能，确定各加工部位数控铣削方案，实现了多部位、多工序集成化数控加工。本文以静子叶片叶肩圆弧加工为例，概括总结了现场加工存在的问题，并对集成数控加工工艺决策与实施进行了详细的分析与研究。
[关键词]叶肩圆弧；集成化数控加工；开发应用；效率
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0076-01
1.叶肩圆弧进行集成化数控加工提出的现实意义
静子叶片叶肩圆弧形状复杂，加工部位密集，尺寸精度要求高，加工难度相当大。传统常规加工方法是采用成型铣刀将叶肩圆弧分区域、分段加工分，圆弧与叶肩转接半径由抛修完成。由于各成型铣刀制造合格率低，加工叶肩圆弧时容易超差，而且加工时需要更换多套夹具，多次周转，多次装夹定位，使零件加工周期较长，影响生产进度，成为制造过程中的瓶颈问题。为提高生产效率，缩短加工周期，决定从改进加工方法入手，采用先进设备，先进制造工艺-五坐标数控加工解决这个技术瓶颈。
2.叶肩圆弧进行集成化数控加工的可行性
数控加工不受工件形状复杂程度影响，加工一致性好，质量稳定；生产效率高，装夹一次，可以进行多个部位加工，解决了普通设备加工中不能加工的问题。静子叶片叶肩圆弧属异形部位，利用五轴数控机床的工作台旋转或主轴旋转可以方便且快速地完成多工位、不同组合刀具的多姿态加工。综合考虑数控加工特点及现场设备配置情况，决定采用五坐标加工中心及其专用软件进行编程加工。由于叶身型面也是采用同类五坐标加工中心进行加工，夹具能够满足叶肩圆弧部位加工的夹紧定位需要。从数控加工零件的工艺性、工艺装置的选择上考虑，叶肩圆弧进行集成化数控加工具有可行性。
3.加工难点及特殊性
（1） 设计要求的尺寸精度高 叶肩到上缘板端面的尺寸公差范围小，受刀具磨损及装夹一致性影响，精度难保证；叶肩与圆弧处转接半径较小，刀具难选择；四个叶肩中，有三个叶肩带有一定的倾斜角度，叶肩角度难保证，建模及编程难度大。
（2） 数控加工上缘板大圆弧及上缘板进、排气边叶肩时，走刀路线易与机床、夹具相干涉，这给设计走刀轨迹带来很大难度
（3） 由于叶肩与圆弧特殊的结构特点及位置关系，决定了其加工难度及特殊性。加工大小圆弧时，需绕过叶肩实现连续的周向切削。通过灵活开发专用软件功能，利用叶片专用软件包，很有技巧地完成了一系列的切削，很好地解决了这一部位编程难度大的问题。
4.数控程序设计与应用
在静子叶片叶肩圆弧数控加工工艺设计的整个过程中，除确定可以进行数控加工及能够合理装夹定位外，确定数控加工工艺路线、创建实体模型、数控程序切削方法、刀具选用、程序定型加工是实现集成化数控加工的关键。
4.1 确定数控加工工艺路线
根据叶片毛料余量分布情况，首先要对叶片叶肩圆弧加工区域进行划分，确定各区域加工顺序，根据各区域特点选择编程模块，在各编程模块中再确定加工范围、刀具、切削参数、进退刀的设置等。合理的粗精加工方案可以生成最大材料切除率的NC程序，可使工件留有较为均匀的余量。根据粗精加工再确定合理的切削用量，对保证和提高叶片制造精度，提高生产效率起着关键的作用。
4.2 实体模型建造
实体模型质量直接对加工效果起决定性的作用。五坐标加工中心专用软件是专门用来加工叶片的。分建模模块和编程模块两部分。建模模块建立叶身模型简洁方便，但对于建立一些通用模型没有好方法，我们采用UG与建模模块相结合的方法，叶肩数控编程所用到的辅助驱动面由UG建立；圆弧的数控加工以“类叶片”为指导思路，应用专用软件中的编程模块，所以需用建模模块准备此编程模块所需的特殊模型元素。叶肩圆弧数字化模型元素众多，建立起来比较复杂，模型要确保设计要求的尺寸及位置关系，除要求编程人员具备建模模块及UG建模知识外，还要具备建模模块建模知识的灵活运用能力。精确而简洁的模型为以后叶肩圆弧程序编制，集成数控加工、提高数控加工效率起非常重要的作用。
4.3叶肩圆弧数控程序的设计
4.3.1葉肩数控程序的编制
根据制定的数控加工工艺路线，需先将四个叶肩铣削完成，一是可以去除大余量，为铣削大小圆弧做准备，二是通过程序走刀，多层铣削可以加工完成四个叶肩，达到设计尺寸。
利用专用软件中的编程模块surface milling 进行程序编制。surface milling编程模块最大的优点是：根据面的UV网格方向，控制刀轴方向， 使得用刀具的侧面加工驱动面， 而用刀具的刀尖部分加工零件表面，系统将要求指定U方向，还是V方向做为刀轴的方向。需要注意的是，选择驱动表面时，要注意材料侧的方向。适合半径的圆柱形刀具的应用，很好地完成了叶肩与圆弧转接半径的清根工作，减少了后序加工圆弧时球头刀的吃刀量。通过四个程序，加工完成四个叶肩，通过调试后测量，四个叶肩均合格，且加工效率很高，程序稳定可靠。
4.3.2圆弧数控程序的编制
灵活运用专用软件，以“类叶身”的方法将叶片的大小圆弧程序编制出来。之所以选择叶片专用加工软件加工圆弧，而不是选择UG CAM，主要原因是：作为叶片类加工专用软件，它具有加工叶身时向缘板一端补偿加工的功能，当加工补偿打开时，刀轨可以绕过叶肩实现连续切削，我们的叶肩圆弧结构正要求此种切削方法，这是通用加工软件UGCAM很难做到的。
圆弧数控程序的设计需注意两点：一是大小圆弧有较大的余量存在，在铣削过程中需制定合理的粗精加工方案；二是由前面介绍的加工难点可知，数控加工上缘板大圆弧时，走刀空间小，切削范围小（约9mm） ，走刀路线易同机床、夹具相干涉，需合理选择刀具，走刀轨迹设计需充分考虑避让干涉问题。为此，程序设计过程要求非常细致，刀轨产生后，经过刀位轨迹模拟仿真确认没有碰撞干涉现象，才能够进行调试加工 。
4.3.3程序调试加工
程序进行现场实际加工时，遇到最主要的一个问题是：用球头刀精加工圆弧时，由于刀具半径小，切削刚性弱，刀具易断易磨损，加工精度难保证。采用螺旋方式铣削大小圆弧，为保证叶肩与圆弧转接半径合格，加工时必须选择与转接半径相匹配的球刀。但由于普通球刀刚性较差，切削力度小，想达到批量稳定加工，需在刀具选择和加工参数上开展研究。
首先，据一些知名厂家的刀具选用手册，我们选择了一种阶梯形球刀，刀杆直径粗于刀刃直径，刃长约7 mm，此种刀具结构相对增强了一些刀具的刚性，同时，在不与其它装置干涉的情况下，要求操作者夹持刀具时尽量短些。其次，用较大半径球刀进行半精加工时，采用大步距将圆弧尺寸加工到位，即不为精加工留余量，精加工时，球刀采用极小步距进行加工，只是去除半精加工留下的残留高度，这样减少了经加工用球刀的吃刀量，又保证加工表面光洁度。经过程序调整，精加工用球刀消耗大幅下降，达到了提高加工效率和增加刀具寿命的目的。与此同时根据现场加工的具体情况，编程人员对工艺参数及数控程序进行了优化与调整，最终叶肩圆弧程序设计的可行性、合理性、经济性得到了现场实际验证，零件实现了稳定加工，程序固化，加工精度及表面光洁度均达到设计工艺要求。
结论
1）通过采用五坐标数控加工中心设备，一个主程序完成静子叶片叶肩圆弧的多部位加工，提高了精密设备的主轴利用率，提高了生产效率。
2）数控技术是一种先进的加工技术，但也必须合理地应用、组合。否则，再好的设备也难以发挥其所长，数控技术的使用效果很大程度上取决于集成化数控加工工艺拟定的正确合理与否，进一步说明了集成化数控加工在实际运用中的意义。合理科学的组合工艺规划设计，将大幅度提高生产率，缩短生产周期，降低综合生产成本。
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