基于NX2206的整体叶轮的五轴加工技术_亓立.pdf

基于 NX2206 的整体叶轮的五轴加工技术亓立，高霄华（山西工程职业学院，山西太原030002）摘要：叶轮因其叶片曲率大、叶片之间空间狭窄等结构特点，成为多轴联动加工最为典型的零件，是对计算机辅助编程、多轴机床、刀具以及切削参数等多方面应用的综合考量。随着系统软件的不断更新与升级，叶轮的加工模块日渐完善，编程员的工作量逐渐减小。从整体叶轮的机加工工艺设计、加工设备和刀具的选择，到叶片加工进行数控编程，详细介绍了应用 NX2206 的 mill_multi_blade 模块进行叶轮加工的全过程，可为今后加工各种形式的叶轮类零件提供参考。关键词：NX；整体叶轮；多轴加工中图分类号：TH162文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0116-040引言整体叶轮广泛应用于航空、航天等领域，叶轮的高转速、高温度和高压力运转，对叶轮的精度、材料等提出了很高的要求。当今整体叶轮形状设计复杂、材料主要采用高温合金，切削难度大、精度要求高。因此，整体叶轮的加工及成型技术一直是制造业中的一个重要课题。整体叶轮的叶片扭曲度较大，叶片之间空间狭窄，而且在径向半径减小的同时，间隔越来越窄，加工叶片时要确保刀具能够完美避开相邻叶片的干涉。由于刀轴联动规划约束条件增多，软件自动生成加工运行平稳流畅的无干涉刀路相对困难。当前，国内整体叶轮的加工以五轴联动加工中心为主，本文采用 Siemens 公司目前最新版本的NX2206 中的 mill_multi_blade 模块对整体叶轮的五轴联动加工进行研究。1整体叶轮的机加工艺设计根据整体叶轮的结构特点，工艺流程设计为：车削加工包覆面及外圆流道及叶片粗加工叶片及分流叶片精加工轮毂精加工叶根圆角精加工，如图 1 所示。2加工设备小型叶轮加工设备主要有两种方案：一是高精度数控车床进行外圆、端面、包覆面的车削，然后用五轴联动加工中心进行叶片的铣削。二是用车铣复合机床一次装夹完成车削和铣削加工。两种方案各有优势。本文选择第一种方案，主要介绍以 DMU125P 非正交五轴联动加工中心（如图 2 所示）进行铣削的过程。该机床采用一转头一摆台结构（主轴摆动+工作台旋转）。行程参数为：X 轴 1 250 mm，Y 轴 1 250 mm，Z 轴1 000 mm，B 轴（主轴摆动）180，C 轴（工作台旋转）360。主轴采用高速电主轴配合 HSK A63 高速刀柄，最高转速为 18 000 r/min。采用非正交的五轴联动结构，具有旋转扭矩大、稳定性高和联动技术成熟的特点。机床控制系统采用 HEIDENHAIN iTNC 530 系统。利用 NX/后处理构造器创建 DMU125P 机床专用的后置处理。3刀具的选择3.1粗加工刀具选择粗加工的刀具选择及刀路规划都是以提高材料切除率为目的，NX2206 支持叶轮粗加工工序选用端铣刀。因此，在进行粗加工时尽可能选用大直径铣刀。由于在叶片根部有圆角、轮毂面为曲面，可以在端铣刀粗加工后，再用一把球铣刀对叶轮轮毂面部分进行二次粗加工。3.2精加工刀具选择精加工一般选择有锥柄过渡的球头铣刀，如下页图 3 所示。这种刀柄可以很好地兼顾刀具加工范围和强度，即选择较小的球头直径适用于轮毂及叶根精加工，切削刃和刀柄之间用锥度连接，可以在加工时避开相邻叶片的干涉，且刀柄直径较大，强度更高。收稿日期：2022-11-29第一作者简介：亓立（1992），山东莱芜人，硕士，毕业于大连理工大学机械制造及自动化专业，讲师，研究方向为数控技术。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.044图 1整体叶轮车削外形及结构特点图 2DMU125P 五轴联动加工中心理论研究2023 年第 5 期图 6两次开粗刀路及模拟效果图4数控编程4.1叶轮几何体创建在 NX 中创建多叶片几何体，如图 4 所示，在界面中分别指定旋转轴、轮毂、包覆、叶片、叶根圆角和分流叶片，并指定叶片总数。4.2粗加工粗加工以提高材料切除率（单位时间里所切除材料体积）为目的，对加工表面质量的要求不高，但尽可能为精加工留有较为均匀的余量。NX2206 版本支持平底刀五轴粗加工，这样在粗加工时就可以提高效率1。针对本文中叶片，由于叶片根部间距较小，因此，粗加工采用平底刀和球刀两次开粗。在保证提高开粗效率的同时，也为精加工留下较为均匀的余量，便于精加工提高表面质量。第一次开粗选择直径为 5 mm 的平底刀。粗加工叶片及轮毂留 0.5 mm 的余量，范围为 085，刀轴选择侧刃切削叶片，具体设置如图 5 所示。切深和切宽可以根据刀具、零件材料、机床的参数合理选择。第二次开粗选择直径 6 mm 的球刀进行粗加工，范围为 85100，其他参数与之前的一致。两个粗加工路和模拟效果如图 6 所示。4.3叶片及分流叶片精加工创建工序中选择叶轮叶片精加工，要精加工的几何体选择叶片，要切削的面选择左面、右面、前缘（后缘也就是包覆面已经车削完成），切削模式选择单向，切削方向选择顺铣，切削起点选择后缘。所有余量全部设置为 0，刀轴选择为自动。具体设置界面如图 7 所示。完成叶片的精加工后，接着进行分流叶片的精加工。再次创建工序，选择叶轮叶片精加工，要加工的几何体选择分流叶片 1，其他设置和精加工叶片相同。生成的叶片及分流叶片精加工刀路如下页图 8 所示。4.4轮毂精加工创建工序中选择叶轮轮毂精加工，切削模式选择往复上升，切削方向选择混合。最大距离与之前加工图 3带锥柄过渡的球头铣刀图 4整体叶轮各部分几何体创建图 5平底刀开粗参数设置亓立，高霄华：基于 NX2206 的整体叶轮的五轴加工技术117山西冶金E-mail:第 46 卷图 10轮毂精加工刀路图 8叶片和分流叶片精加工刀路图 7叶片精加工参数设置叶片的步距保持一致，为 0.2 mm，其他选项为默认设置，如图 9 所示，生成的刀路如图 10 所示。4.5叶片底部圆角加工创建工序中选择叶轮圆角精加工，要精加工的几何体选择叶根圆角，要切削的面选择左面、右面和前缘。驱动模式选择参考刀具，并设置叶片精加工的刀具直径为 4 mm，切削模式选择单向，切削方向为顺铣，切削起点选择后缘。所有余量全部设置为 0，刀轴选择为自动。与加工分流叶片相似，再次创建工序选择叶轮圆角精加工，要精加工的几何体选择分流叶片 1 倒圆，其他参数与之前设置相同。具体设置界面如图 11 所示。生成的刀路如下页图 12 所示。4.6整体刀路生成粗加工，叶片精加工、根部倒圆刀路全部生成后，按照顺序分别进行圆周阵列，并进行刀路 3D 模拟。整体刀路及模拟效果图如下页图 13 所示。图 9轮毂精加工参数设置图 11叶根及分流叶片根部倒圆参数设置1182023 年第 5 期处理结果来看，本次处理措施的应用，在一定程度上解决了该铝厂的历史遗留污染问题，对于当地生态环境改善起到了一定的作用。本次处理措施的有效实践，可以为后续的类似工作提供参考借鉴。参考文献1蔡雄飞，赵帅，王济，等.贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤重金属垂向分布特征及风险评价J.环境污染与防治，2021，43（9）：1 183-1 188.2袁芳沁.某铝厂氟污染土壤修复中试试验研究J.世界有色金属，2021（1）：126-127.3高庚申，陈婷婷，迟峰，等.贵州某废弃铝厂土壤重金属污染特征及风险评价J.有色金属工程，2020（7）：124-130.4王建波，化伟.兰州某铝厂旧址周围土壤重金属污染及分布特征J.矿产勘查，2019（6）：1 508-1 512.5涂成龙，何令令，孙娅，等.废弃铝厂周边蔬菜及土壤中氟的富集状况C/中国矿物岩石地球化学学会.中国矿物岩石地球化学学会第 17 届学术年会论文集，2019.（编辑：郭萍茹）Analysis of Heavy Metal Pollution and Prevention Measures in the Soil Around an AluminumPlantGao Dianwen（Liulin Branch of Lvliang Ecological Environment Bureau,Lvliang Shanxi 033300）Abstract:In order to further solve the problem of heavy metal pollution in the soil around an aluminum plant,researchers conducted a studyusing the actual situation of a certain aluminum plant as a case.Based on the preliminary investigation results,specific information on heavymetal pollution in the soil around the aluminum plant was determined.Then,based on the research data,a combination of in-situ/in-situ soilstabilization and remediation was selected to effectively treat heavy metal compounds in the contaminated soil.From the processing results,itcan be seen that the soil heavy metal pollution control measures have achieved preliminary success,which can provide reference for similarwork in the future.Key words:soil around the aluminum factory;heavy metal pollution;preventive measures;governance technology图 12叶根及分流叶片根部倒圆刀路5结论1）本文对整体叶轮进行了特征分析，设计了工艺流程，合理选择了五轴联动加工机床及相应的刀具，利用 NX2206 软件对整体叶轮的各个部分生成了加工刀路，并进行 3D 加工模拟。在 NX2206 的叶轮加工模块中，还有叶盘及非旋转叶盘的加工功能，可以高效、便捷地生成各种形式叶轮类零件的加工刀路，提高生产效率和产品质量。2）通过整个加工刀路的生成可以看到，NX2206的叶轮加工模块非常容易上手。在几何体的设置中就明确了各个部分的名称，确定了叶片、分流叶片、包覆面和轮毂等特征。有多种刀轴可选择，可大幅减小编程员的工作量。同时，在粗加工支持平底端铣刀，使叶轮开粗更加高效。参考文献1陈德存.基于 UG NX6.0 的整体叶轮的多轴加工技术J.数据机床市场，2016（3）：60-63.（编辑：郭萍茹）图 13整体刀路及模拟效果图Five Axis Machining Technology for Integral Impeller Based on NX2206Qi Li,Gao Xiaohua（Shanxi Engineering Vocational College,Taiyuan Shanxi 030002）Abstract:Impeller,due to its structural characteristics such as large blade curvature and narrow space between blades,has become the mosttypical component in multi axis linkage machining.It is a comprehensive co