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摘要：文章针对某企业离心叶轮零件复杂曲面的五轴加工，采用虚拟测量技术，来降低加工误差，提升叶轮使用性能，介绍了离心叶轮叶片的五轴加工误差和虚拟测量技术。
关键词：离心叶轮叶片；五轴加工；加工误差；加工精度；虚拟测量技术 文献标识码：A
中图分类号：TG659 文章编号：1009-2374（2015）12-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.036离心叶轮叶片形状复杂，且多为不可展直的纹面、叶片壁薄。叶片机械加工效率低，难以保证加工质量。本文针对某企业生产的离心叶轮叶片的五轴加工，研究应用虚拟测量技术，以提高离心叶轮叶片加工精度的方法。
1 离心叶轮叶片五轴加工的问题
针对现代企业离心叶轮叶片五轴加工，针对当前机械加工行业，在离心叶轮叶片加工过程中，其具备的测量技术还较为落后，并不能够有效适应当前的叶片五轴加工的技术需求。对当前企业离心叶轮叶片加工中，应用加工误差及虚拟测量技术，针对离心叶轮叶片加工铣削力求解方面缺乏对加工误差的有效测量与补偿手段；通过检查UG干扰，促使刀具定向，最优刀具姿态以及位置，导出其在曲面上源文件，转换成五轴叶轮NC代码，用三坐标测量机验证叶片缺陷，使叶片五轴加工可以具有精确的几何形状，提升加工精度。离心叶轮叶片五轴加工中，叶片部分多由曲线组成，是一个复杂空间曲面，且叶身截面相应减薄，型线也变化，加工时极易产生过切；同时，在叶轮叶片五轴加工中，由于加工误差的存在，大力降低叶轮叶片五轴加工精度，降低叶轮叶片使用寿命。
2 加工误差的虚拟测量技术
针对离心叶轮的特点，可以根据离心叶轮零件的结构，然后通过UG软件中的数控编制，降低加工误差测量中的编程难度，能够将常用的数控加工方式以及数控中的加工参数集成到UG模块之中，从而可以制成离心叶轮加工中零件的UG编程模板，有效提升离心叶轮零件在数控程序编制中的质量，也可以加快数控编制效率。并且利用UG编程模板，根据加工中离心叶轮的几何体形状，规范毛坯加工的情况，有效提高离心叶轮叶片数控加工质量。提高的工作质量与效率，实现对离心叶轮加工的“无图化”、“自动化”发展。在离心叶轮叶片五轴加工中，利用多轴机床模型通过虚拟测量技术，能够有效克服对传统精密测量设备依赖，也可以通过模拟离心叶轮叶片件加工过程，提出误差补偿方法，进行有限元分析，提取每个位置的弹性变形值，测量其加工误差分布，有效提高零件加工精度。
3 离心叶轮叶片五轴加工误差分析
3.1 机床加工误差
对于机床加工运动中，机床热变形及几何误差，将会降低叶片五轴加工精度。刀心所走过的直线为同一条，但如若改变刀轴方向，那么此时尽管控制系统是进行的线性插补，但事实上刀心与工件所走的是曲线而非直线，于是便形成插补误差。当车削叶片五轴细长轴时，可以采用跟刀架以及中心架，有效消除以及少工件变形，减少加工误差。同时，在加工中，若是应用大进给量的反向切削方法，则消除轴向切削弯曲变形问题，降低加工误差。只有采用轮廓的切向进、退刀方式，评价叶片加工表面主要参数，通过切削试验，研究切削速度、进给量及对工件粗糙度影响规律，优化叶片加工参数，才可以保证刀路轨迹平滑，保证叶片曲面的加工质量。如下图1所示：
3.2 工艺误差
此项误差主要是指让刀误差，它是在切削时，零件或刀具受到切削力而产生变形，最终导致加工误差的形成，此变形包含零件变形和刀具变形。在加工叶轮时，因为两片叶中间有宽度很小的通道，并且深度又很大。在叶片五轴零件加工后，其实际的几何参数与理想参数间，存在的差值就是加工精度。若是此时的加工误差越小，则零件的符合程度则越高，零件的加工精度也就越高。零件加工误差的大小可以直接反映出加工精度的高低，故此，在实际离心叶轮叶片加工中，可以通过分析影响这些工艺误差的因素，并找出其存在规律，找到减小工艺误差的方法，提高加工精度。
3.3 侧铣加工误差
针对叶片五轴的侧铣加工中，多使用五坐标联动加工的方式，其中主要是针对非可展直纹面表面的侧铣加工，并且从数学的角度来讲，不能用半径大于零的圆柱形成滚动包络面，否则将会影响刀具的实际操作。叶片五轴加工中，可以解除叶片工件的多次调试装卡，降低其复杂角度再定位的加工难度，不仅可以解决加工的时间，还可以避免加工误差。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。在加工中，可以针对叶片五轴运用环面刀具，根据其几何特点，采取离散点概念，建立其复杂的基于五轴叶片曲面的数学模型，应用刀轴矢量与刀位点表示刀具的具体位置，可以通过考察工件的曲目点与刀具位置关系，得到瞬时刀位的误差分布算法，然后再据此从宏观上，分析刀具表面与叶片五轴工件面接触的状况，计算出瞬时刀位的误差分布，并可以据此调整刀位，使其逐步达到优化的刀位，降低误差。
3.4 转子误差分析
把转子内径和外径光车到尺寸，精车轴孔到-0.03～-0.04的尺寸；然后就成为转子部件，车的时候，外圆、内圆和孔都是一次装夹；压轴的时候也有顺滑的模的，同轴度不够，压好轴后打跳动，一些误差在0.08，差的更达0.15。如图2为叶轮叶片转子：
一般的叶片有叶根、型面和围带三部分，最新型的压气机叶片只有型面和叶根部分，一般叶根在叶根槽里，看不出来。转子片不需要单个片子进行热处理，材料是DW800；转子是铸铝的，就是内外圆要车的。外转定子压入铝座中，铸铝的转子中心压入轴，保证精度。然后定转子再配合。根据最优刀具姿态和位置在曲面上的所有切割点，切割位置的源文件导出，可以转换成NC代码的五轴机床使各种类型的离心式叶轮。
4 虚拟测量技术的应用
在离心叶轮叶片五轴加工中，对于典型离心叶轮叶片零件加工，应用虚拟测量技术，结合UG编程模板与有限元分析，节省编程时间，具有实际的应用价值。 4.1 生成叶片加工误差模型
生成叶片加工误差模型，首先建立UG零件与毛坯的模型，然后再建立基于叶片加工的UG-CAM模型，之后创建叶片五轴加工刀具的轨迹，生成叶片加工的数控程序。在UG软件里利用加工刀位文件仿真生成。在离心叶轮叶片UG编程模板之中，可以根据叶片五轴零件特征，利用粗加工的工序循环操作，为精加工的工步中留0.5mm的余量。
4.2 构建虚拟测量路径
建立UG零件和毛坯模型，做好创建刀具轨迹的准备工作，并且在创建UG刀具轨迹中，对于轴颈类零件加工中，可以在工具的节点组之中，创建好粗车程序组和精车程序组，并针对五轴加工的细节设置好工件与毛坯。创建好路基轨迹之后，编辑好叶片加工的切削区域，并设置好五轴加工的切削策略。如下图3中所示就是设置的粗加工路径轨迹：
4.3 效益分析
在离心叶轮叶片加工中，分析叶片加工误差，应用虚拟测量技术，实际对离心叶轮叶片进行加工模拟时，考虑其弹性变形引起误差、塑性变形等问题，并且应该优化叶片加工工艺参数，以有效提高叶片加工精度。应用有限元分析的方法，分析离心叶轮叶片五轴加工中的变形分布规律，有效补偿叶片加工中的误差。可以基于虚拟测量技术的原理，在对实际的离心叶轮叶片五轴加工之中，可以准确应用虚拟测量方法，避免加工误差的发生，在UG模块平台上，实现对叶片加工误差的分析，确保实际加工精度。针对离心叶轮叶片加工中存在的问题，利用误差虚拟测量手段，建立加工误差高效虚拟测量方法，利用UG建立三维实体模型，对离心叶轮叶片加工进行物理仿真，有效提升加工直观性。
5 结语
综上所述，在实际离心叶轮叶片五轴加工中，根据离心叶轮叶片的结构特点，采取虚拟测量技术方法，并结合应用软件实现虚拟测量，不仅可以提升加工精度，还提高离心叶轮加工质量与加工效率，值得在实际加工中推广应用。
参考文献
[1] 戴林强.离心叶轮叶片五轴加工误差分析与虚拟测量技术的研究[D].湘潭大学，2012.
[2] 陈睿，刘新灵，蔡显新.离心叶轮叶片裂纹产生原因分析[J].理化检验（物理分册），2011，（1）.
[3] 杨井红，蒋建强，李洪举.基于UG的叶轮叶片五轴模拟加工的分析[J].广西轻工业，2011，（11）.
[4] 武凯，何宁.薄臂结构件铣削加工动态特性研究[J].机械设计与制造，2010，（7）.
[5] 赵中华，张水忠.基于UG平台叶轮五轴加工工艺及虚拟仿真技术研究[J].工艺与检测，2009，（8）.
[6] 申通.浅析离心压气机叶轮高精度五轴数控加工技术[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013，（6）.
（责任编辑：黄银芳）
关键词：离心叶轮叶片；五轴加工；加工误差；加工精度；虚拟测量技术 文献标识码：A
中图分类号：TG659 文章编号：1009-2374（2015）12-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.036离心叶轮叶片形状复杂，且多为不可展直的纹面、叶片壁薄。叶片机械加工效率低，难以保证加工质量。本文针对某企业生产的离心叶轮叶片的五轴加工，研究应用虚拟测量技术，以提高离心叶轮叶片加工精度的方法。
1 离心叶轮叶片五轴加工的问题
针对现代企业离心叶轮叶片五轴加工，针对当前机械加工行业，在离心叶轮叶片加工过程中，其具备的测量技术还较为落后，并不能够有效适应当前的叶片五轴加工的技术需求。对当前企业离心叶轮叶片加工中，应用加工误差及虚拟测量技术，针对离心叶轮叶片加工铣削力求解方面缺乏对加工误差的有效测量与补偿手段；通过检查UG干扰，促使刀具定向，最优刀具姿态以及位置，导出其在曲面上源文件，转换成五轴叶轮NC代码，用三坐标测量机验证叶片缺陷，使叶片五轴加工可以具有精确的几何形状，提升加工精度。离心叶轮叶片五轴加工中，叶片部分多由曲线组成，是一个复杂空间曲面，且叶身截面相应减薄，型线也变化，加工时极易产生过切；同时，在叶轮叶片五轴加工中，由于加工误差的存在，大力降低叶轮叶片五轴加工精度，降低叶轮叶片使用寿命。
2 加工误差的虚拟测量技术
针对离心叶轮的特点，可以根据离心叶轮零件的结构，然后通过UG软件中的数控编制，降低加工误差测量中的编程难度，能够将常用的数控加工方式以及数控中的加工参数集成到UG模块之中，从而可以制成离心叶轮加工中零件的UG编程模板，有效提升离心叶轮零件在数控程序编制中的质量，也可以加快数控编制效率。并且利用UG编程模板，根据加工中离心叶轮的几何体形状，规范毛坯加工的情况，有效提高离心叶轮叶片数控加工质量。提高的工作质量与效率，实现对离心叶轮加工的“无图化”、“自动化”发展。在离心叶轮叶片五轴加工中，利用多轴机床模型通过虚拟测量技术，能够有效克服对传统精密测量设备依赖，也可以通过模拟离心叶轮叶片件加工过程，提出误差补偿方法，进行有限元分析，提取每个位置的弹性变形值，测量其加工误差分布，有效提高零件加工精度。
3 离心叶轮叶片五轴加工误差分析
3.1 机床加工误差
对于机床加工运动中，机床热变形及几何误差，将会降低叶片五轴加工精度。刀心所走过的直线为同一条，但如若改变刀轴方向，那么此时尽管控制系统是进行的线性插补，但事实上刀心与工件所走的是曲线而非直线，于是便形成插补误差。当车削叶片五轴细长轴时，可以采用跟刀架以及中心架，有效消除以及少工件变形，减少加工误差。同时，在加工中，若是应用大进给量的反向切削方法，则消除轴向切削弯曲变形问题，降低加工误差。只有采用轮廓的切向进、退刀方式，评价叶片加工表面主要参数，通过切削试验，研究切削速度、进给量及对工件粗糙度影响规律，优化叶片加工参数，才可以保证刀路轨迹平滑，保证叶片曲面的加工质量。如下图1所示：
3.2 工艺误差
此项误差主要是指让刀误差，它是在切削时，零件或刀具受到切削力而产生变形，最终导致加工误差的形成，此变形包含零件变形和刀具变形。在加工叶轮时，因为两片叶中间有宽度很小的通道，并且深度又很大。在叶片五轴零件加工后，其实际的几何参数与理想参数间，存在的差值就是加工精度。若是此时的加工误差越小，则零件的符合程度则越高，零件的加工精度也就越高。零件加工误差的大小可以直接反映出加工精度的高低，故此，在实际离心叶轮叶片加工中，可以通过分析影响这些工艺误差的因素，并找出其存在规律，找到减小工艺误差的方法，提高加工精度。
3.3 侧铣加工误差
针对叶片五轴的侧铣加工中，多使用五坐标联动加工的方式，其中主要是针对非可展直纹面表面的侧铣加工，并且从数学的角度来讲，不能用半径大于零的圆柱形成滚动包络面，否则将会影响刀具的实际操作。叶片五轴加工中，可以解除叶片工件的多次调试装卡，降低其复杂角度再定位的加工难度，不仅可以解决加工的时间，还可以避免加工误差。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。在加工中，可以针对叶片五轴运用环面刀具，根据其几何特点，采取离散点概念，建立其复杂的基于五轴叶片曲面的数学模型，应用刀轴矢量与刀位点表示刀具的具体位置，可以通过考察工件的曲目点与刀具位置关系，得到瞬时刀位的误差分布算法，然后再据此从宏观上，分析刀具表面与叶片五轴工件面接触的状况，计算出瞬时刀位的误差分布，并可以据此调整刀位，使其逐步达到优化的刀位，降低误差。
3.4 转子误差分析
把转子内径和外径光车到尺寸，精车轴孔到-0.03～-0.04的尺寸；然后就成为转子部件，车的时候，外圆、内圆和孔都是一次装夹；压轴的时候也有顺滑的模的，同轴度不够，压好轴后打跳动，一些误差在0.08，差的更达0.15。如图2为叶轮叶片转子：
一般的叶片有叶根、型面和围带三部分，最新型的压气机叶片只有型面和叶根部分，一般叶根在叶根槽里，看不出来。转子片不需要单个片子进行热处理，材料是DW800；转子是铸铝的，就是内外圆要车的。外转定子压入铝座中，铸铝的转子中心压入轴，保证精度。然后定转子再配合。根据最优刀具姿态和位置在曲面上的所有切割点，切割位置的源文件导出，可以转换成NC代码的五轴机床使各种类型的离心式叶轮。
4 虚拟测量技术的应用
在离心叶轮叶片五轴加工中，对于典型离心叶轮叶片零件加工，应用虚拟测量技术，结合UG编程模板与有限元分析，节省编程时间，具有实际的应用价值。 4.1 生成叶片加工误差模型
生成叶片加工误差模型，首先建立UG零件与毛坯的模型，然后再建立基于叶片加工的UG-CAM模型，之后创建叶片五轴加工刀具的轨迹，生成叶片加工的数控程序。在UG软件里利用加工刀位文件仿真生成。在离心叶轮叶片UG编程模板之中，可以根据叶片五轴零件特征，利用粗加工的工序循环操作，为精加工的工步中留0.5mm的余量。
4.2 构建虚拟测量路径
建立UG零件和毛坯模型，做好创建刀具轨迹的准备工作，并且在创建UG刀具轨迹中，对于轴颈类零件加工中，可以在工具的节点组之中，创建好粗车程序组和精车程序组，并针对五轴加工的细节设置好工件与毛坯。创建好路基轨迹之后，编辑好叶片加工的切削区域，并设置好五轴加工的切削策略。如下图3中所示就是设置的粗加工路径轨迹：
4.3 效益分析
在离心叶轮叶片加工中，分析叶片加工误差，应用虚拟测量技术，实际对离心叶轮叶片进行加工模拟时，考虑其弹性变形引起误差、塑性变形等问题，并且应该优化叶片加工工艺参数，以有效提高叶片加工精度。应用有限元分析的方法，分析离心叶轮叶片五轴加工中的变形分布规律，有效补偿叶片加工中的误差。可以基于虚拟测量技术的原理，在对实际的离心叶轮叶片五轴加工之中，可以准确应用虚拟测量方法，避免加工误差的发生，在UG模块平台上，实现对叶片加工误差的分析，确保实际加工精度。针对离心叶轮叶片加工中存在的问题，利用误差虚拟测量手段，建立加工误差高效虚拟测量方法，利用UG建立三维实体模型，对离心叶轮叶片加工进行物理仿真，有效提升加工直观性。
5 结语
综上所述，在实际离心叶轮叶片五轴加工中，根据离心叶轮叶片的结构特点，采取虚拟测量技术方法，并结合应用软件实现虚拟测量，不仅可以提升加工精度，还提高离心叶轮加工质量与加工效率，值得在实际加工中推广应用。
参考文献
[1] 戴林强.离心叶轮叶片五轴加工误差分析与虚拟测量技术的研究[D].湘潭大学，2012.
[2] 陈睿，刘新灵，蔡显新.离心叶轮叶片裂纹产生原因分析[J].理化检验（物理分册），2011，（1）.
[3] 杨井红，蒋建强，李洪举.基于UG的叶轮叶片五轴模拟加工的分析[J].广西轻工业，2011，（11）.
[4] 武凯，何宁.薄臂结构件铣削加工动态特性研究[J].机械设计与制造，2010，（7）.
[5] 赵中华，张水忠.基于UG平台叶轮五轴加工工艺及虚拟仿真技术研究[J].工艺与检测，2009，（8）.
[6] 申通.浅析离心压气机叶轮高精度五轴数控加工技术[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2013，（6）.
（责任编辑：黄银芳）