1、基于 UG NX6.0 的整体叶轮的多轴加工技术摘要：叶轮加工是当今多轴联动数控加工最常见的实例，也是数控加工的难点之一。本文详细地介绍了叶轮加工的全过程及加工过程的注意事项，为复杂产品的模型建立和多坐标数控编程提供了设计思路和方法。关键词：UG；整体叶轮；多轴加工Multi Axis NC Machining for Whole Impeller Based on UG NX4.0The machining for whole impeller is very universal today, and how to machine it effectively and accurately
2、has been a chanllenge in cnc machining. It has been introduced detailedly the whole process of machining for the impeller in this paper. it can give a good advice to machining the complex part in the multi-axis NC.Key words: UG; whole impeller; multi axis machining 引言作为动力机械的关键部件,整体式叶轮广泛应用于航天航空等领域,其加
3、工技术一直是制造业中的一个重要课题。叶轮的加工质量直接影响整机的动力性能和机械效率,数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。整体叶轮的加工难点主要表现在: 三元整体叶轮的形状复杂,其叶片多为非可展扭曲直纹面。整体叶轮相邻叶片的空间较小,而且在径向上设有半径的减小通道越来越窄,因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外,刀具极易与相邻叶片发生干涉。刀位规划时的约束条件多,自动生成无干涉刀位轨迹较困难 1 。前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件 ,如美国 NREC 公司的MAX25,MAX2AB 叶轮加工专用软件等。目前,我国大多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型
4、CAD/CAM 软件,如 UG NX、CATIA、MasterCAM 等来加工整体叶轮 2 。本文选用目前流行且功能强大的 UG NX6.0 对复杂曲面整体叶轮进行加工仿真研究。1 整体叶轮数控加工工艺根据叶轮的几何结构特征和使用要求(如图 1) ,其基本加工工艺流程为 : 在锻压铝材上车削加工回转体的基本形状； 外型整体粗加工； 流道粗加工； 叶片精加工； 对底部倒圆进行清根。图 1 叶轮几何结构特征2 机床准备DMU-100T 是从德国 DMG 公司引进的一台全闭环五轴联动数控加工中心, 采用主轴摆动+圆工作台旋转结构。行程参数为: X 轴 1080mm, Y 轴 710mm, Z 轴 7
5、10mm, B 轴( 主轴摆动)103, C 轴( 工作台旋转 )360。该机床具有转速高、联动结构稳定性高、五轴联动技术成熟的特点。机床控制系统采用 HEIDENHAIN iTNC 530 系统。利用 UG/Post Builder 软件构建 DMU-100T 机床专用的后置理。3 刀具的选择为提高加工效率,在进行流道开粗和流道半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀,但是也要注意使刀具直径小于两叶片间最小距离；在叶片精加工过程中,应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀,即保证刀具半径大于流道和叶片相接部分的最大倒圆半径。在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时,选择的刀具半径小于流道和叶
6、片相接部分的最小倒圆半径。4 数控编程4.1 粗加工粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，其考虑的重点是加工效率，要求大的进给量和尽可能大的切削深度。以便在较短的时间内切除尽可能多的余量，粗加工对表面质量的要求不高，因此，提高粗加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。在 UG 加工状态下，在“创建操作” 对话框中，选择类型“MIL-CONTOUR” 建立机床控制操作，再选择子类型“CAVITY-MILL” 型腔铣。这是三轴联动的粗加工模式，选用直径为 25R5 的圆角铣刀加工，切削方式采用“ 跟随部件”，背吃刀量的 0.6mm，刀具与刀具之间的步距为刀具直径的 65%，部件侧面与底面留余
7、量 0.5mm。其刀具路径如图 2 所以示。图 2 整体粗加工路径4.2 开槽与扩槽叶片扭曲且包角较大, 刀具要在通道内要合理摆动,使得刀具尽可能地接近叶片的两侧面而又不过切轮毂及轮盖, 采用通常的刀轴驱动方法很难实现。刀轴插补( ToolAxis Interpolation) 这一功能对于叶轮通道加工非常有用,它通过在叶片与轮毂的交线上定义一系列的矢量以控制刀轴, 轮毂面上其余刀具位置点的刀轴矢量由 U、V 双向线性插值或样条插值获得。这样, 刀轴能很好地按照加工的需要而得到控制, 在不过切的情况下, 最大限度地减少叶片面与轮毂之间的残留区。边界矢量的定义是一个十分细致的工作, 其基本原则是
8、: 避免刀轴的突变, 保证刀轴平滑变化。本文的刀轴控制矢量如图 3 在创建操作对话框中，选择类型“mill_multi_zxis” 多轴铣加工操作建立模板，选择“VARIABLE_CONTOUR”子类型变轴铣。几何体选择整体叶轮，为了避免有过切现象，选择流道两侧的面为干涉检查面，选择驱动方式为“表面积” ，刀轴选择“ 插补”，选用直径为 20mm 的球刀加工，选择多重深度切削，步进方式采用增量式，增量值为 0.5mm，部件留余量为 0.3mm。加工时需要考虑进刀退刀的问题,在非切削参数设置界面,选择“传递/ 快速”区域之间下拉条中定义好逼近、离开、移刀运动的设置，其中“安全设置”设置为“ 球”
9、半径选择 250mm. 生成的刀具路径如图 4 所以示。用刀路变换命令加工其余流道曲面。图 4 流道粗加工路径4.3 叶片精加工SWARF 方法也叫侧刃或表面驱动法, SWARF 驱动刀轴随叶片直纹面的 U 向或 V 向连续变化, 刀具底部接触轮毂面。侧面接触叶片表面形成单条刀路, 从而实现叶片的精加工。在创建操作对话框中，选择类型“mill_multi_zxis” 多轴铣加工操作建立模板，选择“VARIABLE_CONTOUR”子类型变轴铣。选择驱动方式为“表面积” ，为了加工到位，曲面百分比方法设置如图 5。刀轴选择“侧刃驱动”，切削模式选择单向。选用直径为 20mm 的球刀加工，部件留余
10、量为 0。产生的刀路路径如图 6 所示，用刀路变换命令加工其余叶轮曲面。图 5 曲面百分比设置图 6 叶轮精加路径4.4 流道精加工同样选择类型“mill_multi_zxis”多轴铣加工操作建立模板，选择“VARIABLE_CONTOUR”子类型变轴铣。几何体选择整体叶轮，为了避免有过切现象，选择流道两侧的面为干涉检查面，选择驱动方式为“表面积”，刀轴选择“ 插补”步进方式采用“ 残余波峰高度”，残余高度为 0.005,选用直径为 20mm 的球刀加工。产生的刀路路径如图 7 所示，用刀路变换命令加工其余流道曲面。图 7 流道精加工刀具路径4.5 叶片底部圆角清根加工同样选择类型“mill_
11、multi_zxis”多轴铣加工操作建立模板，选择“VARIABLE_CONTOUR”子类型变轴铣。几何体选择根部圆角部位，选择驱动方式为“表面积”，刀轴选择“相对于驱动体”步进方式采用数字控制模式，步数为 15 步，设置非切削移动参数传递/连接选项区域之间“安全设置” 为“ 球”，半径选择 200mm，刀具使用 R8 的球刀。产生的刀路路径如图 8 所示用刀具路径，变换命令加工其余叶片底部圆角。图 8 叶片底部圆角清根刀具路径4.6 机床模拟加工仿真UG 系统自带有三种类型的五轴机床,本论文选用其中的回转 /摆动型机床进行虚拟仿真加工,摆头旋转轴是 B 轴,转台旋转轴是 C 轴。通过机床导航
12、器调入机床组件和刀具组件 ,叶轮零件安放在转台上面即可进行加工仿真。5 结论本文利用 UG NX6. 0 软件对整体叶轮进行了加工仿真,合理选择了加工使用的刀具和机床,并针对流道和叶片的几何特征确定了刀轴的控制方式，过选择了适当的刀具轨迹驱动方法进行了流道和叶片的加工，生成的加工轨迹。文中介绍的对流道的加工采用刀具轴插补刀具轴加工，这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具轴。当驱动或零件几何体非常复杂，又没有附加刀具轴控制几何体时，插补刀具轴可以控制剧烈的刀具轴变化，调节刀轨，避免碰到障碍物。指定的矢量越多，对刀具轴的控制越多。使用这种方法时，驱动几何体引导刀具侧刃，零件几何体引导刀具底部。可以控制输出很好的加工刀轨，加工出来的曲面质量相当高。五轴加工是最难也是最重要的是避免发生干涉，本文对对流道和底部圆角加工时对刀具的进退倒进行了控制，依据叶轮的特征，区域之间快速移动时以球的方式控制刀轴的移动，使刀轨变的更清晰，这样不仅提高加工效率，而且使加工变的更加安全。
