离心泵叶轮五轴加工编程及仿真研究

0 引言

    随着我国流体技术的发展及与智能化产品的不断结合，形成了越来越多的流体技术应用。离心泵是常用的一种流体技术产品，它由叶轮、泵体、泵轴、轴承、密封件等零件组成。叶轮作为离心泵的核心部件，直接影响泵的力学性能，这取决于叶轮的设计是根据流体力学的基本原理来实现叶片的最大出力，并要求流道足够光滑以减少摩擦损失。所以离心泵对于叶片的结构和表面粗糙度要求都较高。叶轮流道狭小，存在薄壁及扭曲叶片，加工相对较困难。很多工厂直接将该类零件加工外包给其他公司，甚至从国外进口，高昂的费用及较长的零件交货期大大提高了产品成本。因此，将叶轮这类零件实现自主生产是企业需要面对的重要课题。

    叶轮的加工技术涉及CAD/CAM技术，数控加工仿真技术及五轴联动加工技术。其中CAM技术在我国还较落后，主要体现在后置处理，因为特定机床加工的NC程序，需要进行专门的后置处理。而目前使用较多的是通用后置处理器及在其基础上定制的专用后置处理器，较难保证数控代码程序的正确性。另外，机床、夹具、工件及刀具之间的干涉和碰撞在加工中是较难测量计算的，这对于加工的安全性和准确性又提出了更高的要求。随着Vericut仿真技术的不断应用，对NC代码进行仿真、验证与修改，可以形成供机床直接加工的数控程序，这大大提高了数控加工的准确性及编程加工效率。本文针对离心泵叶轮的加工运用NX/CAM自动编程与Vericut仿真相结合，对NX生成的数控程序进行了仿真验证。

1 五轴加工编程环境的建立

    1.1 零件模型的建立

    使用NX/CAD模块建立离心泵叶轮的三维模型。叶轮叶片和轴面对于泵的水力性能起到决定性的作用，轴面和叶片型线在流体技术应用中有特殊要求，根据流体力学的原理进行了特殊设计。与传统的叶轮建模方法不同，该叶轮在建模时采用了参数化建模，叶轮叶片较薄且存在较大扭曲，如图1a所示，图1b为零件毛坯。

图1 叶轮模型及毛坯

    1.2 工艺方案

    1.2.1 机床的要求

    叶轮的圆柱形包络尺寸为φ220×40，最大刀轴倾角为40°，基于叶轮形状的考虑，避免工件的频繁装夹，宜采用五轴联动立式加工中心来加工。根据零件圆柱形包络尺寸和最大刀轴倾角选择合适行程的机床（C轴必须为0～360°），本案例选择hermle C30U五轴联动立式加工中心。该加工中心采用HEIDENHAIN530系统，实现X，Y，Z，A，C轴五轴联动。各轴行程分别为X：650mm，Y：600mm，Z：500mm，A：-115°～115°，C：0～360°，主轴最高转速可达40000rpm，刀具容量24，最大功率26kW。通过初步机床选型进行模拟加工，可以检验机床的加工能力，这对于工厂实际加工零件的机床选型，工艺规划及成本控制具有重要的指导意义。