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(cè)繪，根據(jù)測(cè)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(guò)程中，葉片的曲面曲率不連續(xù)，出現(xiàn)了尖點(diǎn)，在加工過(guò)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(guò)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(guò)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。

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(guò)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(guò)程常用刀具有球頭刀和端銑刀。

　　3.刀具壽命

　　在葉片加工過(guò)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(guò)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(shì)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)確定刀具在加工葉片過(guò)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(lái)確定刀具的運(yùn)動(dòng)方向，為了保證順銑，選用順時(shí)針?lè)较蚣庸ぁ?/p>

　　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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中的工藝問(wèn)題和在加工過(guò)程中所遇到問(wèn)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(wèn)題、定位問(wèn)題和加工質(zhì)量問(wèn)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L(zhǎng)F5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(guò)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。