陳文濤，夏芳臣，涂海寧

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

基于UG＆VERICUT整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真

陳文濤，夏芳臣，涂海寧

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

論文研究了整體葉輪的五軸數(shù)控加工工藝，在UG中創(chuàng)建葉輪的三維模型，并使用CAM模塊分別對(duì)葉輪流道面和葉片生成刀具軌跡，經(jīng)后置處理器生成NC文件。基于VERICUT構(gòu)建了DOOSAN VMD600五軸加工中心仿真環(huán)境，通過(guò)模擬整個(gè)機(jī)床加工過(guò)程，驗(yàn)證了數(shù)控加工程序和后處理器的正確性，從而縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

整體葉輪;五軸加工;仿真;VERICUT

0 引言

整體葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各類透平機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片薄，扭曲大，葉片間隔小。整體葉輪屬于復(fù)雜的曲面體零件，可以采用鑄造加工、電火花加工、電解加工及數(shù)控銑削加工等加工方法。數(shù)控加工柔性好，可加工復(fù)雜形狀葉輪，表面質(zhì)量好，效率高，適用廣泛，因此用數(shù)控機(jī)床加工葉輪是目前被廣泛采用的一種制造方法。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究［1～5］。目前采用通用的 CAD/CAM軟件來(lái)編制葉輪的數(shù)控加工程序，應(yīng)用較多的有 UG、MASTERCAM、CIMATRON等。由于零件形狀復(fù)雜，在CAD/CAM中生成的刀具軌跡考慮了干涉問(wèn)題，但沒(méi)有考慮到機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，不能確保數(shù)控程序的正確性和加工過(guò)程的安全性。

VERICUT是專為制造業(yè)設(shè)計(jì)的CNC數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化軟件，利用仿真加工，可以驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，減少零件首件調(diào)試的風(fēng)險(xiǎn)，增加程序的可信度;模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，減少實(shí)際的切削驗(yàn)證，檢測(cè)潛在的碰撞錯(cuò)誤，降低機(jī)床碰撞的風(fēng)險(xiǎn)［6］。本文采用VERICUT軟件主要解決的問(wèn)題有:①通過(guò)模擬整個(gè)加工過(guò)程，進(jìn)行干涉檢查，檢測(cè)加工過(guò)程中的碰撞干涉現(xiàn)象和加工后的零件是否出現(xiàn)局部過(guò)切或欠切;②驗(yàn)證了數(shù)控加工程序和后處理器的正確性。

1 整體葉輪五軸數(shù)控加工工藝規(guī)化

整體葉輪的用途多種多樣，其結(jié)構(gòu)形式和葉片構(gòu)造也各不相同。根據(jù)葉片曲面構(gòu)造方式的不同，整體葉輪可分為直紋曲面葉輪和自由曲面葉輪。本文的研究對(duì)象為直紋曲面葉輪，如圖1所示。

1.1 整體葉輪的加工階段劃分

整體葉輪的加工主要包括葉片、流道面和葉根圓角等曲面的加工，大約占整個(gè)毛坯材料的60%左右。根據(jù)零件的復(fù)雜程度可將整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程劃分成不同階段。本文中葉輪零件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，葉片扭曲小，且葉片為直紋面，所以把葉輪數(shù)控加工過(guò)程劃分成兩個(gè)階段，粗加工和精加工。粗加工的任務(wù)是盡快去除大量整體葉輪各個(gè)表面多余的材料，加工出整體葉輪的大致輪廓，為精加工做準(zhǔn)備。接下來(lái)精加工是整個(gè)加工階段中最重要的階段，其目的是為了獲得設(shè)計(jì)的加工精度和表面質(zhì)量。精加工又可細(xì)分為葉片精加工、流道面精加工和葉根圓角精加工。

圖1 整體式葉輪

整體葉輪數(shù)控加工階段流程如下:加工葉輪輪身(毛坯加工)——葉片流道面粗加工——葉片、葉根圓角粗加工——葉片、葉根精加工——流道面的精加工。

1.2 刀具的選擇

選擇刀具時(shí)應(yīng)綜合考慮毛坯的材料、機(jī)床類型、允許的切削用量、刀具剛性和耐用度等因素，當(dāng)然也要考慮加工的成本。粗加工時(shí)，多選擇平底立銑刀，也可以選擇帶有圓角的環(huán)形刀，這種刀具有效切削面積大，切除材料效率高。精加工多采用球頭銑刀，為保證刀具剛性，可采用錐柄球頭銑刀。

根據(jù)葉輪的加工階段，選用的刀具包括:①球頭刀R4×50mm，刃長(zhǎng) 40mm，帶 2°的錐角，整體合金刀，用于葉輪的開(kāi)粗;②球頭刀 R5×55mm，刃長(zhǎng)45mm，整體合金刀，用于葉輪精加工。

1.3 刀具軌跡的生成

整體葉輪采用五坐標(biāo)數(shù)控加工，因?yàn)槎嗔藘蓚€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所以可以加工復(fù)雜的零件，但也帶來(lái)了干涉問(wèn)題。葉片扭曲且間隔小的特點(diǎn)，流道面的加工采用點(diǎn)銑，加工流道面的過(guò)程中為了避免與葉片的干涉，刀軸矢量不能垂直于流道面，可以采用刀軸矢量指向于某一點(diǎn)的方法來(lái)避免與葉輪的干涉。葉片是直紋曲面，可以采用側(cè)銑法加工，即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側(cè)刃銑削葉片曲面。

目前采用通用的CAD/CAM軟件來(lái)編制葉輪的數(shù)控加工程序。本文采用UG NX7.0，根據(jù)葉輪的加工階段生成了刀具軌跡，包括流道面的開(kāi)粗和精加工，葉輪以及葉根圓角的粗加工和精加工。

1.4 后置處理

經(jīng)過(guò)UG生產(chǎn)的刀位文件還不能直接使用，需要經(jīng)過(guò)后置處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序，并輸入機(jī)床才能進(jìn)行零件數(shù)控加工。本文采用UG自帶的后置處理和制作機(jī)床描述信息模塊，選擇機(jī)床模型為“5-Ax Mill Vertical AC-Table”，立式帶 AC旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的五軸數(shù)控銑床，控制系統(tǒng)為HeidenhainTNC，最后生成了能夠加工整體葉輪的G代碼。

2 DOOSAN VMD600 5軸仿真機(jī)床構(gòu)建

仿真加工中心采用DOOSAN VMD600五軸數(shù)控機(jī)床，具有X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸，工作臺(tái)可以繞X和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即帶A角和C角。X、Y、Z軸行程為1050mm 、600mm 、500mm，A軸旋轉(zhuǎn)范圍 -120°～30°，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min，刀具存儲(chǔ)容量為24把。

在VERICUT中進(jìn)行仿真加工具體操作如下，工作流程如圖2所示。

圖2 VERICUT工作流程圖

一般情況下，如機(jī)床外殼，控制系統(tǒng)操作面板等實(shí)際仿真過(guò)程中不需要的部件可以不導(dǎo)出，本文在構(gòu)建機(jī)床時(shí)將不導(dǎo)出機(jī)床外殼、控制系統(tǒng)操作面板等部件。

(1)定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

新建項(xiàng)目文件，在機(jī)床機(jī)構(gòu)樹(shù)下，定義機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹(shù)。DOOSAN VMD600有兩大傳動(dòng)鏈，主軸傳動(dòng)鏈和毛坯進(jìn)給傳動(dòng)鏈。主軸傳動(dòng)鏈由主軸帶著刀具通過(guò)立柱沿著Z向運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)組件和實(shí)現(xiàn)X向運(yùn)動(dòng)的組件相連，依次添加 Base→X→Z→spindle→Tool。毛坯安裝在實(shí)現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動(dòng)的工作臺(tái)上，該組件還能實(shí)現(xiàn)A向旋轉(zhuǎn)，Y軸直線運(yùn)動(dòng)，所以依次添加Base→Y→A→C，這樣就得到了機(jī)床組件樹(shù)。

(2)添加幾何模型

定義好了機(jī)床組件樹(shù)之后，還要給每個(gè)組件添加模型。在UG NX7.0按照實(shí)際尺寸繪制各部件3D模型，然后導(dǎo)出各部件的stl格式文件，以便VERICUT的導(dǎo)入。添加幾何模型過(guò)程中可以設(shè)置模型的基點(diǎn)、顯示、顏色和定義位置。添加幾何模型后得到機(jī)床模型圖，如圖3所示。

圖3 DOOSAN VMD600仿真機(jī)床

(3)機(jī)床參數(shù)設(shè)置

機(jī)床模型建好以后，還要對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置的參數(shù)有機(jī)床初始化位置，機(jī)床行程，干涉檢查設(shè)置，控制系統(tǒng)配置等。

①機(jī)床干涉檢查設(shè)置。確定已選中“開(kāi)機(jī)床仿真”復(fù)選框。在“碰撞檢測(cè)”標(biāo)簽中，選中“碰撞檢測(cè)”復(fù)選框。在“忽略在切刀和毛坯的間的碰撞”(刀具和毛坯之間的碰撞)下拉列表框中選擇“否”。分別設(shè)置刀具與家具之間、刀具與工作臺(tái)，主軸與夾具、主軸與工作臺(tái)的碰撞檢測(cè)。

②初始化位置設(shè)置。在“機(jī)床設(shè)定”→“表”→“添加”。在“位置名”下拉列表框中選擇“初始機(jī)床位置”，在“值(XYZABCUVWABC)”文本框中輸入X150 Y250 Z300;

③機(jī)床行程設(shè)置。在“機(jī)床設(shè)定”對(duì)話框中，按照上述加工中心DOOSAN VMD600設(shè)定X、Y、Z、A和C的行程范圍。

(4)新建刀具庫(kù)

按照前面所描述的刀具參數(shù)，添加兩把刀具R4和R5。

3 機(jī)床加工過(guò)程仿真

構(gòu)建好了機(jī)床后，下面添加仿真所必須的刀具、工裝、毛坯、數(shù)控程序等以進(jìn)行數(shù)控加工仿真，操作步驟如下:

(1)在VERICUT中打開(kāi)機(jī)床模型，在組件模型樹(shù)中，加載Fixture(夾具)和Stock(毛坯)。

(2)打開(kāi)“配置”→“控制”→“打開(kāi)控制文件”，加載控制文件hei530.ctl。

(3)設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)。設(shè)置毛坯上表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在“位置”中輸入0 0 226.7(226.7為夾具和毛坯的Z坐標(biāo)和)。

(4)設(shè)置程序零點(diǎn)。在配置G-代碼偏置中選擇程序零點(diǎn)，選擇從“Tool”到“坐標(biāo)原點(diǎn)”。

(5)加載之前所創(chuàng)建的刀具庫(kù)。

(6)調(diào)入加工程序。添加刀軌文件作為NC驅(qū)動(dòng)程序，本例中的NC程序經(jīng)UG自帶的后置處理器heidenhainTNC生成。

(7)在VERICUT主窗口中，點(diǎn)擊右下角的Reset按鈕重置模型，再點(diǎn)擊Play to End按鈕，開(kāi)始數(shù)控加工過(guò)程仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 整體葉輪的加工仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者在UG中創(chuàng)建葉輪的三維模型，利用CAM模塊分別對(duì)葉輪流道面和葉片生成相應(yīng)的刀具軌跡，經(jīng)后置處理器生成NC文件，然后基于VERICUT構(gòu)建了DOOSAN VMD600五軸加工中心仿真環(huán)境，通過(guò)模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，減少實(shí)際的切削驗(yàn)證，解決了刀具、工件與機(jī)床部件和夾具的碰撞問(wèn)題，驗(yàn)證了數(shù)控加工程序和后處理器的正確性，從而縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

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［6］楊勝群，唐秀梅，等.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

Five-Axis NC Machining and Simulation of Integral Impeller base on UG＆VERICUT

CHEN Wen-tao，XIA Fang-chen，TU Hai-ning
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

This paper studies the five axis NC machining technology of integral impeller，creates 3D model of the impeller based on UG，Separately create tool paths for the impeller passage and impeller blade，produced the NC program file by postprocessor.Constructed DOOSAN VMD600 five-axis machining center based on VERICUT，through simulating the whole machine processing process，verify correctness of the NC machining program and the postprocessor，so as to shorten the production cycle and reduce the cost.

integral impeller;five-Axis machining;simulation;VERICUT

TP273

A

1001-2265(2012)02-0102-03

2011-10-31;

2011-12-02

陳文濤(1985—)，男，江西贛州人，南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生，現(xiàn)從事CAD/CAM的學(xué)習(xí)研究，(E-mail)cwtwayne@163.com。

(編輯 趙蓉)