1 加工流程規劃
根據潛油泵葉輪的結構特征和技術要求,制訂包括粗加工、半精加工、精加工、圓角加工的四階段加工流程。一是粗加工。采用型腔銑削方式去除大部分毛坯余量,優先保證加工效率,為后續加工預留均勻余量(2~3mm)。二是半精加工。采用可變輪廓銑削,優化刀軌路徑,修正粗加工產生的形位誤差,預留精加工余量(0.3~0.5mm)。三是精加工。采用多葉片銑削策略,精確控制刀軸姿態和切削參數,保證葉片型面精度和表面質量。四是圓角加工。對葉片與輪轂連接處的圓角進行專項加工,避免應力集中,提高葉輪運行可靠性。
2 刀具選擇
粗加工階段選用直徑為10mm的硬質合金端銑刀。其具有較高的剛性和耐磨性,可實現大余量切削。半精加工階段選用直徑為10mm的球頭銑刀,適應曲面輪廓的仿形加工,減少切削痕跡。精加工階段選用直徑為5mm和直徑為3mm的球頭銑刀,分別用于加工葉片型面,提高加工精度和表面質量。刀具材質均選用硬質合金,涂層為TiAlN,以提升刀具的切削性能并延長其使用壽命。
3 參數化建模與刀軌規劃
3.1
利用UGNX8.5軟件進行潛油泵葉輪的參數化建模,步驟如下。一是數據處理。采集葉輪葉片的離散數據點,編寫為.dat格式文件,導入UGNX8.5軟件。二是曲線擬合。在擬合曲線模塊中,基于離散數據點生成葉頂線、葉底線及截面樣條曲線。三是曲面生成。利用曲線網格功能生成葉片壓力面、吸力面及流道曲面。四是實體縫合。將各曲面通過插入、組合、縫合命令形成完整的葉輪實體模型。
3.2 刀軌規劃
一是流道分層加工。沿流道深度方向采用均勻分層策略,將流道加工分為14層,每層刀軌按螺旋線方式連接,保證切削載荷均勻,提高加工效率。二是刀軸矢量控制。在加工過程中,保持刀軸矢量垂直于被加工曲面的切線,實現刀軸矢量的平滑過渡,減少機床振動和葉片表面切削痕跡,同時避免刀軸擺動過大導致產生干涉問題。三是行距與步長優化。根據殘余高度要求,計算插銑加工步長,結合牛頓迭代法求解相鄰刀軸夾角和加工行距,保證加工余量均勻,避免漏切和過切。插銑加工步長的計算公式為
式中:L為插銑加工步長;d為刀具直徑;h為殘余高度。
4 切削參數多目標優化
本文針對不同加工階段制訂多目標優化策略。粗加工優化目標是最大化材料去除率,精加工優化目標是最小化表面粗糙度和形位誤差,半精加工優化目標是兼顧效率與質量。優化變量包括主軸轉速、進給速度、切削深度、切削寬度。約束條件為D10刀具最大切削速度不超過125m·min?1,D5/D3刀具最大切削速度不超過90m·min?1,Hi_V560_S840D主軸額定功率為22kW,葉片變形量不超過0.02mm。
文章通過試驗設計與數值仿真,結合實際加工經驗,確定各加工階段的最優切削參數如表1所示。
表1 潛油泵葉輪五軸加工最優切削參數
切削方式 | 刀具規格 | 主軸轉速/(r·min?1) | 進給速度/(mm·min?1) | 切削深度/mm | 切削寬度/mm |
|---|---|---|---|---|---|
型腔銑開粗 | D10端銑刀 | 4000 | 450 | 2.0 | 5.0 |
可變輪廓銑 | D10球銑刀 | 6000 | 300 | 0.8 | 3.0 |
葉片粗加工 | D5球銑刀 | 4000 | 250 | 0.5 | 2.0 |
葉片精加工 | D3球銑刀 | 7500 | 200 | 0.3 | 1.0 |
圓角精加工 | D3球銑刀 | 7500 | 200 | 0.2 | 0.8 |