CN111441894A - 一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法 - Google Patents

一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法，叶轮包括主轴、设置在主轴顶部的齿轮、套设在主轴外部的套筒以及多个沿周向均匀布设在套筒侧面的叶片，相邻两叶片之间设有加强筋，主轴、齿轮及套筒同轴设置，主轴、齿轮、套筒、叶片及加强筋一体成型；利用五轴数控机床加工叶轮，分为毛坯预处理、建模、规划刀路、粗加工、半精加工、精加工等步骤。与现有技术相比，本发明能实现叶轮局部的高精度铣削加工，可适用于各种不同参数的叶轮加工，具有加工效率高、精度高、成品质量好等特点。

Description

一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法
技术领域
本发明属于叶轮加工技术领域，涉及一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法。
背景技术
随着人们对高功率、高输出和高可靠性的不懈追求，冲击式水轮机得到了不断发展与革新，其零件结构及加工方法也在不断变化。从铆焊到整体铸锻，从纯手工打磨到数控加工，未来，在提高工作效率的同时，冲击式水轮机将朝着高水头、大容量的方向发展，但其叶片曲面的加工方法在完善的过程中却遇到了一些瓶颈。
目前，小尺寸叶轮的应用越来越普遍，如何对小尺寸叶轮的结构进行设计，以满足实际应用场合的需求，是需要解决的问题。此外，小尺寸叶轮往往结构复杂，开放性差，因此加工工艺复杂，制造十分困难。
针对小尺寸叶轮的结构特点和技术要求，目前国内外对此类叶轮主要有四种制造方法：整铸铲磨、焊接加工、铆接加工、整体式数控加工。其中，整体式数控加工虽然加工难度最大，但是产品质量却最容易保证，避免了整铸铲磨可能形成的材料缺陷、焊接加工中造成的应力及焊接缺陷、铆接加工带来的结构缺陷。
在国内的小尺寸叶轮产品的数控加工过程中，由于没有专用设备，普遍采用三轴设备进行加工。但限于设备因素，具有加工能力的企业并不多。结合我国五轴设备较多的现状，开发一种五轴设备加工冲击叶轮的方法非常有必要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小尺寸叶轮及其五轴铣削加工方法，解决现有技术加工叶轮存在加工成本高、效率低、齿轮质量差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小尺寸叶轮，该叶轮包括主轴、设置在主轴顶部的齿轮、套设在主轴外部的套筒以及多个沿周向均匀布设在套筒侧面的叶片，相邻两叶片之间设有加强筋，所述的主轴、齿轮及套筒同轴设置，所述的主轴、齿轮、套筒、叶片及加强筋一体成型。应用时，将叶轮通过主轴套在水轮机内的叶轮安装轴上，电机通过中间齿轮带动叶轮上的齿轮转动，进而带动叶轮转动。加强筋用于增加叶片强度。叶轮的各个部件之间均为一体成型方式进行铣削加工而成。
进一步地，所述的主轴的中心处沿轴向开设有主轴通孔。主轴通孔与水轮机内的叶轮安装轴相适配。
进一步地，所述的齿轮的外径与主轴的外径相同。
进一步地，所述的主轴顶部的外侧面上沿周向均匀开设有多个齿槽，形成齿轮。将主轴的顶端直接加工成齿轮，避免使用另外的齿轮并通过焊接方式将另外的齿轮固定在主轴顶端所产生的结构复杂、焊接缺陷的问题。
进一步地，所述的加强筋的厚度小于叶片的高度。
进一步地，所述的加强筋的底面与叶片的底面齐平，所述的加强筋的顶面与相邻的两个叶片之间围成凹槽。
进一步地，所述的加强筋的内端与套筒相连，外端位于相邻的两个叶片之间，并且所述的加强筋内端与外端之间的长度为叶片长度的1/5-1/3。
一种小尺寸叶轮的五轴铣削加工方法，该方法包括以下步骤：
1)根据待加工叶轮的形状及尺寸参数，将毛坯加工成凸型圆棒料；
2)对叶轮进行建模，得到叶轮模型；
3)采用型腔铣的方式，对叶片进行粗加工；
4)采用型腔铣的方式，对加强筋进行半精加工；
5)采用可变轮廓铣的方式，对叶片进行半精加工；
6)采用可变轮廓铣的方式，对叶片进行精加工；
7)采用区域轮廓铣的方式，对加强筋的外端面进行精加工；
8)采用深度加工五轴铣的方式，对凹槽的侧面进行半精加工；
9)采用可变轮廓铣的方式，对凹槽的底面进行半精加工；
10)采用深度加工五轴铣的方式，对凹槽的侧面进行精加工；
11)采用可变轮廓铣的方式，对凹槽的底面进行精加工；
12)采用型腔铣的方式，对齿轮的齿槽进行粗加工；
13)采用平面轮廓铣的方式，对齿轮的齿底面进行精加工，并采用深度轮廓加工的方式，对齿轮的齿槽进行精加工。
进一步地，步骤4)中，采用直径为4mm、下半径为0.5的铣刀；
步骤5)中，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀；
步骤6)中，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀；
步骤7)中，采用直径为3mm、下半径为1.5的铣刀；
步骤8)中，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀；
步骤9)中，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀；
步骤10)中，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀；
步骤11)中，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀。
进一步地，步骤3)中，粗加工的加工余量为0.5mm；
步骤4)中，半精加工的加工余量为0.2mm；
步骤5)中，半精加工的加工余量为0.2mm；
步骤6)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤7)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤8)中，半精加工的加工余量为0.1mm；
步骤9)中，半精加工的加工余量为0.1mm；
步骤10)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤11)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤12)中，粗加工的加工余量为0.1mm；
步骤13)中，精加工的加工余量为0mm。
进一步地，步骤8)中，采用深度加工五轴铣的方式，在加工面上方做出指定点来确定刀轴朝向，进给速度900mm/min，主轴转速3000r/min。
步骤9)中，采用可变轮廓铣的方式，在加工面上方做出指定点来确定刀轴朝向，进给速度600mm/min，主轴转速3000r/min。
步骤10)中，采用深度加工五轴铣的方式，在加工面上方做出指定点来确定刀轴朝向，进给速度900mm/min，主轴转速6000r/min。
步骤11)中，采用可变轮廓铣的方式，在加工面上方做出指定点来确定刀轴朝向，进给速度600mm/min，主轴转速6000r/min。
本发明中，可基于UG NX11.0软件进行建模和加工路径规划。
上述加工方法的工作原理为：
1.通过UG软件对叶轮零件进行三维建模，并生成二维工程图。
2.三维模型和工程图对叶轮零件进行数控加工分析，同时分析设计出一套合理的、符合实际加工要求、满足加工精度的、简单方便的加工工艺。
3.通过UG软件选择合适的刀具以及合理的加工方式和正确的加工刀路，对叶轮零件进行数控加工仿真。
4.对仿真结果进行分析，对其进行优化，使其成为一种高效的加工方式，之后生成G代码。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)对小尺寸叶轮的结构进行设计，通过一体成型的方式，避免使用多个部件拼接方式所产生的结构复杂、应力缺陷等的问题。
2)利用五轴数控机床加工叶轮，分为毛坯预处理、建模、规划刀路、粗加工、半精加工、精加工等步骤，能实现叶轮局部的高精度铣削加工，可适用于各种不同参数的叶轮加工，具有加工效率高、精度高、成品质量好等特点。
3)本发明实现了小尺寸叶轮的高精度铣削加工，相对于现有技术中的滚切法和粉末冶金法，无需成型铣刀和专用机床就可实现叶轮加工，具有加工效率高、精度高等特点，拓宽了叶轮的加工方法。
4)适用范围广，本发明加工工艺可以加工一般的五轴数控机床所不能加工或者它不能一次性就能完成加工的，可完成多种复杂叶轮自由曲面的加工。
5)质量高，本发明加工工艺更加灵活，可以使用多种刀具实现对加工叶轮零件的灵活配合，确保完成复杂刀路轨迹的可行性，大大提升表层生产加工品质。
6)高效性，本发明加工工艺解除了工件在复杂角度再次定位所需的多次调试装卡，这不但节约了时间，而且还大大降低了误差，并且节约了安装工件就位所需的工装夹具等所需的昂贵费用，大大提高了加工效率。
附图说明
图1为实施例中叶轮的结构示意图；
图2为实施例中凸型圆棒料的结构示意图；
图3为实施例中叶片加工刀路示意图；
图4为实施例中凹槽侧面加工刀路示意图；
图5为实施例中凹槽底面加工刀路示意图；
图中标记说明：
1—主轴、2—齿轮、3—套筒、4—叶片、5—加强筋、6—主轴通孔、7—齿槽、8—凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种小尺寸叶轮，包括主轴1、设置在主轴1顶部的齿轮2、套设在主轴1外部的套筒3以及多个沿周向均匀布设在套筒3侧面的叶片4，相邻两叶片4之间设有加强筋5，主轴1、齿轮2及套筒3同轴设置，主轴1、齿轮2、套筒3、叶片4及加强筋5一体成型。
其中，主轴1的中心处沿轴向开设有主轴通孔6。齿轮2的外径与主轴1的外径相同。主轴1顶部的外侧面上沿周向均匀开设有多个齿槽7，形成齿轮2。加强筋5的厚度小于叶片4的高度。加强筋5的底面与叶片4的底面齐平，加强筋5的顶面与相邻的两个叶片4之间围成凹槽8。加强筋5的内端与套筒3相连，外端位于相邻的两个叶片4之间，并且加强筋5内端与外端之间的长度为叶片4长度的1/5-1/3。
该小尺寸叶轮的五轴铣削加工方法包括以下步骤：
1)根据待加工叶轮的形状及尺寸参数，确定叶轮毛坯的大小、形状，并将毛坯加工成如图2所示的凸型圆棒料；
2)利用UG软件对叶轮进行建模，根据图纸建立具体尺寸，得到叶轮模型，叶轮模型包括叶轮的辅助加工面、辅助线、辅助实体、毛坯等；
3)如图3所示，在UG软件加工模块中选用型腔铣的加工工序，对叶片4进行粗加工，切削模式采用跟随周边，粗加工每刀切削深度恒定为0.2mm，主轴转速3500，粗加工的加工余量为0.5mm；
4)采用型腔铣的方式，采用直径为4mm、下半径为0.5的铣刀，对加强筋5进行半精加工，半精加工的加工余量为0.2mm；
5)采用可变轮廓铣的方式，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀，对叶片4进行半精加工，加工用到驱动方法为曲面加工方法，刀轴确定采用侧刃驱动体，半精加工的加工余量为0.2mm；
6)采用可变轮廓铣的方式，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀，对叶片4进行精加工，精加工的加工余量为0mm；
7)采用区域轮廓铣的方式，采用直径为3mm、下半径为1.5的铣刀，对加强筋5的外端面进行精加工，精加工的加工余量为0mm；
8)如图4所示，采用深度加工五轴铣的方式，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀，对凹槽8的侧面进行半精加工，加工用到驱动方法为曲面加工方法，刀轴确定采用指定点方式，半精加工的加工余量为0.1mm；
9)如图5所示，采用可变轮廓铣的方式，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀，对凹槽8的底面进行半精加工，半精加工的加工余量为0.1mm；
10)采用深度加工五轴铣的方式，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀，对凹槽8的侧面进行精加工，半精加工和精加工的不同在于刀具的尺寸，精加工采用相对直径为更小的铣刀，精加工的加工余量为0mm；
11)采用可变轮廓铣的方式，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀，对凹槽8的底面进行精加工，精加工的加工余量为0mm；
12)采用型腔铣的方式，对齿轮2的齿槽7进行粗加工，切削模式采用跟随周边，粗加工的加工余量为0.1mm；
13)采用平面轮廓铣的方式，对齿轮2的齿底面进行精加工，并采用深度轮廓加工的方式，对齿轮2的齿槽7进行精加工，精加工的加工余量为0mm。
实际加工时，将上述粗加工、半精加工、精加工刀路轨迹生成G代码，利用G代码导入五轴加工中心，完成叶轮加工。本发明基于UG NX11.0的复杂叶轮的加工程序具有一定优势，适用于各种形状叶轮加工，适用范围广。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小尺寸叶轮，其特征在于，该叶轮包括主轴(1)、设置在主轴(1)顶部的齿轮(2)、套设在主轴(1)外部的套筒(3)以及多个沿周向均匀布设在套筒(3)侧面的叶片(4)，相邻两叶片(4)之间设有加强筋(5)，所述的主轴(1)、齿轮(2)及套筒(3)同轴设置，所述的主轴(1)、齿轮(2)、套筒(3)、叶片(4)及加强筋(5)一体成型。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的主轴(1)的中心处沿轴向开设有主轴通孔(6)。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的齿轮(2)的外径与主轴(1)的外径相同。
4.根据权利要求3所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的主轴(1)顶部的外侧面上沿周向均匀开设有多个齿槽(7)。
5.根据权利要求4所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的加强筋(5)的厚度小于叶片(4)的高度。
6.根据权利要求5所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的加强筋(5)的底面与叶片(4)的底面齐平，所述的加强筋(5)的顶面与相邻的两个叶片(4)之间围成凹槽(8)。
7.根据权利要求6所述的一种小尺寸叶轮，其特征在于，所述的加强筋(5)的内端与套筒(3)相连，外端位于相邻的两个叶片(4)之间，并且所述的加强筋(5)内端与外端之间的长度为叶片(4)长度的1/5-1/3。
8.一种如权利要求6或7所述的小尺寸叶轮的五轴铣削加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据待加工叶轮的形状及尺寸参数，将毛坯加工成凸型圆棒料；
2)对叶轮进行建模，得到叶轮模型；
3)采用型腔铣的方式，对叶片(4)进行粗加工；
4)采用型腔铣的方式，对加强筋(5)进行半精加工；
5)采用可变轮廓铣的方式，对叶片(4)进行半精加工；
6)采用可变轮廓铣的方式，对叶片(4)进行精加工；
7)采用区域轮廓铣的方式，对加强筋(5)的外端面进行精加工；
8)采用深度加工五轴铣的方式，对凹槽(8)的侧面进行半精加工；
9)采用可变轮廓铣的方式，对凹槽(8)的底面进行半精加工；
10)采用深度加工五轴铣的方式，对凹槽(8)的侧面进行精加工；
11)采用可变轮廓铣的方式，对凹槽(8)的底面进行精加工；
12)采用型腔铣的方式，对齿轮(2)的齿槽(7)进行粗加工；
13)采用平面轮廓铣的方式，对齿轮(2)的齿底面进行精加工，并采用深度轮廓加工的方式，对齿轮(2)的齿槽(7)进行精加工。
9.根据权利要求8所述的一种小尺寸叶轮的五轴铣削加工方法，其特征在于，
步骤4)中，采用直径为4mm、下半径为0.5的铣刀；
步骤5)中，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀；
步骤6)中，采用直径为3mm、下半径为1.5mm的铣刀；
步骤7)中，采用直径为3mm、下半径为1.5的铣刀；
步骤8)中，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀；
步骤9)中，采用直径为2mm、下半径为1mm的铣刀；
步骤10)中，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀；
步骤11)中，采用直径为1mm、下半径为0.5mm的铣刀。
10.根据权利要求8所述的一种小尺寸叶轮的五轴铣削加工方法，其特征在于，
步骤3)中，粗加工的加工余量为0.5mm；
步骤4)中，半精加工的加工余量为0.2mm；
步骤5)中，半精加工的加工余量为0.2mm；
步骤6)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤7)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤8)中，半精加工的加工余量为0.1mm；
步骤9)中，半精加工的加工余量为0.1mm；
步骤10)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤11)中，精加工的加工余量为0mm；
步骤12)中，粗加工的加工余量为0.1mm；
步骤13)中，精加工的加工余量为0mm。
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