隨著科技的迅速發(fā)展,，在機(jī)械制造中,，像葉片這樣的復(fù)雜曲面構(gòu)件的加工量與日俱增,，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，常常會(huì)遇到這樣的自由曲面,。這些曲面不能用明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示,，在圖樣上往往只給出一些離散信息。本文應(yīng)用CATIA對(duì)葉片進(jìn)行建模,，得到一個(gè)理想的三維葉片實(shí)體,，后用PowerMILL進(jìn)行進(jìn)行仿真和加工。
一,、 葉片的建模
對(duì)一個(gè)風(fēng)扇的葉片進(jìn)行實(shí)際的測繪，根據(jù)測繪的結(jié)果應(yīng)用CATIA對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行三維實(shí)體建模,。為了保證后續(xù)的加工工作能順利地進(jìn)行,，保證CATIA建模的質(zhì)量是十分重要的環(huán)節(jié)。如果在造型過程中,，葉片的曲面曲率不連續(xù),，出現(xiàn)了尖點(diǎn),，在加工過程中就會(huì)出現(xiàn)掉刀或跳刀的現(xiàn)象，影響葉片表面的加工精度,。如果在葉片造型中,，葉片曲面的曲率變化劇烈，就會(huì)產(chǎn)生急劇變化的刀具軌跡,，加大刀具對(duì)工件的沖擊,，也會(huì)降低葉片表面的加工質(zhì)量。下面是葉片建模的基本過程,。
首先建立葉片中間的圓盤部分,，在YOZ平面建立草圖，如圖1,。然后以圖1草圖為母線,，繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使其成為一個(gè)圓柱形的實(shí)體,，如圖2,。再應(yīng)用樣條曲線對(duì)葉片的進(jìn)氣邊和排氣邊進(jìn)行描述，用三個(gè)樣條曲線的控制點(diǎn)控制樣條曲線的曲率,，如圖3和圖4,。葉片的兩條邊建立完后，以葉片的一點(diǎn)和基本平面為參考,，建立參考平面,。在參考平面上作第三條參考邊，如圖5,。通過這三條曲線建立一個(gè)曲面,，并對(duì)此曲面加厚，如圖6,。再進(jìn)行倒角修整,，如圖7。對(duì)此建立好的葉片,，進(jìn)行3個(gè)120°的陣列,，如圖8。對(duì)葉片的根部進(jìn)行倒角,，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn),，如圖9。此時(shí)得到的葉片表面最大法曲率為0.875,，如圖10,。
典型零件葉片的仿真加工" />
刀具的選擇與比較#e#二、刀具的選擇與比較
五坐標(biāo)數(shù)控加工是指數(shù)控機(jī)床主軸和工作臺(tái)的五個(gè)坐標(biāo)同時(shí)做線形插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),，使刀具走刀要求的空間軌跡,，完成對(duì)應(yīng)復(fù)雜曲面的加工,。平頭立銑刀五坐標(biāo)端銑數(shù)控加工與球頭刀三坐標(biāo)數(shù)控加工相比，各自的主要優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面,。
1.加工效率的比較
在同等的殘留高度和刀具半徑的情況下,，五坐標(biāo)端銑數(shù)控加工走刀步距大，從而加工效率高,，這對(duì)于葉片這樣的自由曲面的零件加工具有非常重要的意義,，在粗加工過程中應(yīng)盡量選用平頭銑刀。粗略計(jì)算,，采用五坐標(biāo)端銑的效率相當(dāng)于球頭刀三坐標(biāo)加工效率的3倍以上,。因此，在擁有五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的前提下,，應(yīng)盡可能采用平頭銑刀加工曲面,。
2. 加工表面質(zhì)量的比較
由于用球頭銑刀對(duì)葉片表面進(jìn)行加工時(shí)，球頭刀對(duì)于葉片表面是以球面的運(yùn)動(dòng)去逼近,。用端銑刀加工葉片曲面是用平面的包絡(luò)運(yùn)動(dòng)逼近待加工葉片表面,，而且還可以保證加工點(diǎn)處均為高速切削，因此有較好且一致的表面質(zhì)量,。同時(shí),，葉片加工中的刀具選擇比較嚴(yán)格。選擇刀具時(shí),，應(yīng)考慮毛坯材料,、機(jī)床、允許的切削用量,、剛性和耐用度,、精度要求和加工階段等因素，葉片數(shù)控銑削過程常用刀具有球頭刀和端銑刀,。
3.刀具壽命
在葉片加工過程中,，采用球頭刀對(duì)葉片進(jìn)行銑削時(shí)，銑刀軸線在進(jìn)給平面中與進(jìn)給方向上實(shí)施了向前傾斜一定角度的拽切,，刀具的相對(duì)壽命最高,，而且表面粗糙度也大大降低，如圖11,。
三,、走刀模式的選擇
葉片的復(fù)雜曲面使得加工過程難以定位和找正，且易變形,。綜合考慮幾種走道模式,，螺旋走刀加工是葉片走刀的最好模式，如表1。其優(yōu)勢在于：①減少裝夾次數(shù),，節(jié)省了因重復(fù)定位和找正等工序而大量浪費(fèi)的工時(shí);②加工軌跡連續(xù)，適合高速加工;③加工質(zhì)量好,，加工效率高,。
應(yīng)用PowerMill對(duì)葉片進(jìn)行螺旋精加工，中心位置按毛坯中心位置計(jì)算,。螺旋半徑的設(shè)置是用來確定葉片切削時(shí)螺旋圖案的開始半徑和結(jié)束半徑,，開始半徑和結(jié)束半徑用來控制葉片銑削時(shí)，螺旋圖案的形狀以及刀具的運(yùn)動(dòng)方式,。開始半徑小于結(jié)束半徑時(shí),，葉片加工螺旋線是從內(nèi)向外加工的;開始半徑大于結(jié)束半徑時(shí)，則葉片加工螺旋線是從外向內(nèi)加工的,。由于葉片加工時(shí),，應(yīng)先加工葉片的外延部，后加工葉片的根部,，以減少葉片的變形,，所以在加工過程中應(yīng)選擇后一種加工方式，即從外向內(nèi)加工,。
多邊形公差是用來確定刀具在加工葉片過程中螺旋圖案準(zhǔn)確性的參數(shù),，所以設(shè)置多邊形公差越小，則螺旋圖案越近似于阿基米德螺旋線,。方向的選項(xiàng)是用來確定刀具的運(yùn)動(dòng)方向,，為了保證順銑，選用順時(shí)針方向加工,。
四,、葉片加工的銑削力，銑削溫度和表面粗糙度
本文以LF5和6063T6兩種鋁合金材料為例進(jìn)行葉片的高速銑削分析,。
1.轉(zhuǎn)速
由如圖12可以看出,，在葉片加工過程中，應(yīng)用LF5鋁合金葉片加工時(shí),，轉(zhuǎn)數(shù)在12000～18000r/min和24000～30000r/min時(shí)切削力最小,，應(yīng)用6063T6鋁合金葉片加工時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)在12 000～18 000r/min和30 000～36 000r/min時(shí)切削力最小,。
2.切深和進(jìn)給量
如圖13和圖14所示,，當(dāng)應(yīng)用FT5材料進(jìn)行葉片加工時(shí)，切深分別選用0.5mm或2.5mm,，則進(jìn)給量在0.2mm/z時(shí)切削力最小,，當(dāng)應(yīng)用6063T6材料進(jìn)行葉片加工時(shí)，切深分別選用0.5mm或2.5mm,，則進(jìn)給量選擇0.05mm/z或0.2mm/z時(shí)切削力最小,。
3.步距
在葉片加工過程中,，由于是對(duì)鋁合金材料進(jìn)行加工，所以步距對(duì)切削溫度的影響并不顯著,，如圖15,。在加工葉片時(shí)，大的步距有利于降低切削溫度,，也有利于提高生產(chǎn)效率,。
4.切削深度
如圖16所示，在應(yīng)用FT5進(jìn)行葉片加工時(shí),，切深選擇2.5mm較好,。在應(yīng)用6063T6進(jìn)行葉片加工時(shí)，切深選擇1.5mm表面粗糙度最好,。
應(yīng)用powerMill進(jìn)行仿真加工#e#五,、應(yīng)用powerMill進(jìn)行仿真加工
根據(jù)以上的分析，首先讀入CATIA中建立好的葉片模型,，如圖17所示,。然后定義葉片的毛坯，通過PowerMill進(jìn)行最佳毛坯計(jì)算,，如圖18所示,。再根據(jù)前面的分析制作工藝卡片(以LF5為例)，如表2所示,。圖19所示為粗加工的仿真,，半精加工應(yīng)用螺旋加工的仿真如圖20所示，精加工的走刀路徑如圖21所示,。
本文主要介紹在葉片加工過程中的工藝問題和在加工過程中所遇到問題的解決方法,。根據(jù)葉片零件的典型性，應(yīng)用高速五軸加工等方法解決了葉片加工中的變形問題,、定位問題和加工質(zhì)量問題,，主要探討了高速加工在葉片加工中的實(shí)際應(yīng)用。本文加工葉片選用的材料為LF5和6063T6兩種鋁合金材料,，借鑒了其他高速加工材料中對(duì)鋁合金的試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)論,，針對(duì)鋁合金的葉片形狀零件加工進(jìn)行了深入的探討和研究。通過選定的兩種鋁合金材料制作葉片,，從切削力,、切削熱和切削的表面質(zhì)量方面考慮，優(yōu)化了切削參數(shù),，使葉片達(dá)到切削質(zhì)量的同時(shí),，提高葉片的生產(chǎn)效率。