秦錄芳，孫　濤，時四強，楊　路

(徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室，江蘇 徐州　221008)

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基于UG的整體葉輪數(shù)控加工仿真研究*

秦錄芳，孫濤，時四強，楊路

(徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室，江蘇 徐州221008)

整體葉輪是由復(fù)雜空間曲面構(gòu)成的五軸加工零件，其廣泛的應(yīng)用于航空航天的發(fā)動機、汽輪機、液壓泵等設(shè)備，存在加工困難、加工質(zhì)量難以保證等問題。為提高整體葉輪的加工效率和加工質(zhì)量，在UG NX 8.0環(huán)境下進(jìn)行整體葉輪的刀軌規(guī)劃并生成刀軌文件，并在UG Post Builder模塊中設(shè)置專用的后處理器以生成NC代碼。研究結(jié)果為提高UG軟件在多軸加工領(lǐng)域的應(yīng)用，為合理規(guī)劃整體葉輪加工工藝，提高葉輪的加工效率和加工精度提供了實際參考。

整體葉輪；數(shù)控加工仿真；工序規(guī)劃；五軸加工

0　引言

整體葉輪是以工作介質(zhì)為氣體和液體等流體的機械裝備中極為關(guān)鍵的零件，往往它的質(zhì)量會決定整個機械設(shè)備的質(zhì)量，因此整體葉輪在各行業(yè)中占據(jù)不可替代的位置[1-2]。國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行研究[3-7]，結(jié)果表明：整體葉輪具有葉片薄而彎曲程度大、數(shù)目多和流道空間小等結(jié)構(gòu)特點，造成刀具和工件容易干涉、容易產(chǎn)生欠切和刀軌路徑規(guī)劃困難等問題，是典型的難加工復(fù)雜曲面零件。

目前整體葉輪的加工通常采用CAD /CAM軟件來編制葉輪的數(shù)控加工程序，包括通用型和專用型的CAD /CAM軟件。通用型CAD/CAM軟件如UG、MasterCAM等，專用型如Powermill、Hypermill等。由于UG在通用CAD/CAM軟件中具有較好的造型功能和較強的5軸加工功能，所以在數(shù)控加工中應(yīng)用最為廣泛[8-9]。

本文選用目前應(yīng)用較為廣泛的UG NX8.0軟件，對復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究，為提高UG軟件在多軸加工領(lǐng)域的應(yīng)用，為合理規(guī)劃整體葉輪加工工藝，提高葉輪的加工效率和加工精度提供實際參考。

1　整體葉輪數(shù)控加工的UG仿真規(guī)劃

1.1整體葉輪外形結(jié)構(gòu)和加工特點分析

圖1　整體葉輪的各曲面示意圖

依據(jù)葉輪的工作機理，我們又可以把整體葉輪的各表面命名為吸力曲面和壓力曲面，而葉輪的輪轂則被各葉片分割為相對獨立的流道面，如圖1所示。整體葉輪選用鍛鋁合金 LD30(6061)材料。

根據(jù)流體力學(xué)的要求，在設(shè)計整體葉輪時，通常會采用大扭角葉片的設(shè)計，同時葉片設(shè)計的也比較薄，葉片根部會使用倒圓角的設(shè)計，這些特殊的造型對整體葉輪的制造提出很大的挑戰(zhàn)，會產(chǎn)生加工精度難以保證、刀具易干涉和碰撞、容易產(chǎn)生欠切和刀軌路徑規(guī)劃困難等問題。

1.2整體葉輪加工刀具的選擇

刀具材料是整體葉輪保質(zhì)保量加工的重要影響，合適的刀具材料既可以提高刀具耐用度，也可以降低切削溫度和提高已加工表面質(zhì)量?，F(xiàn)在整體葉輪加工常用的刀具材料有整體硬質(zhì)合金以及各種涂層材料，如適用于鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料加工的刀具涂層材料TiAlN、Al2O3。

根據(jù)葉輪毛坯形狀和材料、刀具耐用度、加工成本等各方面綜合考慮，本文采用生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的硬質(zhì)合金刀具。

加工整體葉輪所用的銑刀有球頭銑刀、立銑刀、環(huán)形銑刀、圓錐銑刀和鼓形銑刀，其中立銑刀和球頭銑刀應(yīng)用最多。

通常情況下，粗加工時常選用刀刃較多的直徑較大的立銑刀或球頭銑刀快速去除材料以提高加工效率；精加工時常選用直徑較小的球頭銑刀，由于其頭部的圓弧有利于加工葉根過渡面及流道面，在一些情況下，也會選用錐度較小的錐形的球頭銑刀，來提高刀具的剛性；在一些特殊情況下，甚至?xí)捎霉你姷秮砑庸澢幂^厲害的葉片。根據(jù)本文涉及整體葉輪的實際結(jié)構(gòu)尺寸，選擇以下幾種銑刀來加工整體葉輪，如表1所示。

表1　刀具參數(shù)

1.3整體葉輪加工工序的確定

根據(jù)數(shù)控加工工藝的要求以及整體葉輪自身的特點，具體加工工藝規(guī)程如表2所示。

表2

1.4UG NX 8.0 環(huán)境下整體葉輪的刀軌規(guī)劃

整體葉輪的五軸加工是指葉輪的毛坯一次裝夾完成輪轂和葉片的加工。

根據(jù)上述的加工方案為基礎(chǔ)，通過運用 UG NX 8.0提供的多軸銑削加工模塊，實現(xiàn)整體葉輪數(shù)控加工中刀具路徑的生成是至關(guān)重要的，其CAM編程過程遵循的流程如圖2所示。

圖2　整體葉輪的CAM流程

1.4.1整體葉輪流道粗加工

整體葉輪流道粗加工要求高效去除材料，即采用合理的切削參數(shù)(如：高的切削速度和進(jìn)給量，大的切削深度)提高材料去除率。由于刀具直徑和材料去除率具有正比關(guān)系，所以在保證刀軌安全可靠的前提下盡量提高刀具直徑。

粗加工對整體葉輪的表面質(zhì)量和尺寸公差要求不高，主要是以提高粗加工效率為目的，同時兼顧加工余量和避免因切削力過大而導(dǎo)致的零件多度變形。具體操作如下：

圖3　Mill Orient對話框

(1)打開UG NX 8.0由建模環(huán)境進(jìn)入加工環(huán)境，在彈出的“創(chuàng)建幾何體”對話框中“類型”下來列表中選擇類型為“mill-multi-axis”，單擊工具條上的“幾何視圖”，在左側(cè)的樹形圖上，右擊“workpiece”上的“MCS”，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯”，彈出如圖3所示的對話框。

然后，依次進(jìn)行“工件坐標(biāo)系”、“安全距離”、“毛坯”、“部件幾何體”各項的設(shè)置。

圖4　創(chuàng)建刀具對話框

圖5　銑刀-球頭銑對話框

(3)創(chuàng)建工序。單擊工具條上的“創(chuàng)建工序”，彈出如6所示的對話框，進(jìn)入“創(chuàng)建工序”對話框，按圖上所示設(shè)置，單擊“確定”按鈕，進(jìn)入“可變輪廓銑”對話框，如圖7所示。

然后，進(jìn)行“切削區(qū)域”、“曲面區(qū)域驅(qū)動方法”、“插補矢量”的設(shè)置。在“投影矢量”類型下的矢量選擇“刀軸”選項，在“刀軸”類型下，選擇“插補矢量”，按照圖8所示的矢量方向完成“插補矢量”的設(shè)置。

圖6　創(chuàng)建工序?qū)υ捒?/p>

圖7　可變輪廓銑對話框

圖9　切削參數(shù)對話框

圖10　流道粗銑的刀具路徑圖

圖11　粗銑過后的模型

1.4.2整體葉輪葉片的粗加工

其設(shè)置步驟入上面類似，需選擇T2刀具，進(jìn)入“可變輪廓銑對話框”，設(shè)置“指定切削區(qū)域”為葉片上的三個面。

在“投影矢量”中設(shè)置“矢量”為“垂直于驅(qū)動體”，在“刀軸”的“軸”下拉列表中選擇“側(cè)刃驅(qū)動體”，在“指定側(cè)刃方向”處選擇圖12所示的方向。

葉片的粗加工設(shè)定完成后，單擊刀軌生成的按鈕，即可得到如圖13所示的刀軌。

圖12　指定側(cè)刃方向的設(shè)置圖

圖13　葉片粗銑的刀具路徑

1.4.3整體葉輪流道的精加工

整體葉輪的流道精銑與流道的粗銑基本相似，只有部分尺寸上，精度控制上略有差別。創(chuàng)建5mm的球頭銑刀，名稱為“finish-Tool-5”，其他參數(shù)采用默認(rèn)。在“創(chuàng)建工序”對話框的“刀具”下拉列表中選擇“Finish-Tool-5”，在“方法”下拉列表中選擇“MILL_FINISH”，完成設(shè)置。在“曲面區(qū)域驅(qū)動方法”中進(jìn)行如圖14所示的參數(shù)設(shè)置，其余與粗銑時相同。

圖14　曲面區(qū)域驅(qū)動方法參數(shù)設(shè)置

“投影矢量”和“刀軸”進(jìn)行和粗銑時相同的設(shè)置，對“刀軌設(shè)置”中“切削參數(shù)”的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

對“非切削參數(shù)”的設(shè)置與粗銑時相同。到此，流道的精加工已經(jīng)完成。其余操作和粗銑時相同。

1.4.4整體葉輪葉片的精加工

整體葉輪葉片的精加工UG設(shè)置步驟和粗加工過程類似，在參數(shù)設(shè)置上，需創(chuàng)建5mm的球頭銑刀用于精加工葉片。

圖15　葉片精銑刀具軌跡

進(jìn)入加工工序，只有“驅(qū)動方法”和“刀軌設(shè)置”跟粗銑時有所不同，其他均相同。在“驅(qū)動方法”類型下選擇“曲面”選項，選擇與粗銑時相同的曲面，由于精加工的精度較高，因此在“驅(qū)動設(shè)置”時，要使表面精度更高，因此要限制“最大殘余高度”為0.05，具體按如圖14所示進(jìn)行設(shè)置。單擊“確定”完成設(shè)置。

生成刀具軌跡后，如圖15所示。

1.4.5整體葉輪清根處理

圖16　整體葉輪的清根刀具軌跡

清根處理，實際上就是對倒角曲面進(jìn)行精銑，因此只要按照精銑流道的方法進(jìn)行操作即可，特別要注意的就是在“刀軸”類型下的“插補矢量”的設(shè)置，要選擇盡可能多的矢量來控制刀軌，讓其盡可能的光順即可，其余的均與流道精銑相同。生成的刀具軌跡圖如圖16所示。

1.4.6對整體葉輪的刀具軌跡的編輯處理

在“工序?qū)Ш狡?幾何”中選擇“T5”右擊，在彈出的快捷菜單中選擇“對象→變換”命令。在彈出的“變換”命令對話框中設(shè)置刀具路徑的旋轉(zhuǎn)復(fù)制參數(shù)，單擊“確定”完成變換設(shè)置，得到如圖17所示的變換后的刀具路徑圖。其余各操作按照上述變換方法，均可得到，最終結(jié)果如圖18所示。

圖17　整體葉輪全部的刀具軌跡圖

圖18　整體葉輪的最終加工圖

2　基于UG Post-Builder的多軸后處理

通過利用上述方法生成的刀位文件(CLF)，可以較好的觀察刀具相對于加工坐標(biāo)系運動的過程(即刀軌的運動)。由于各機床本身的NC代碼格式要求不同，所以需進(jìn)行后置處理，即將刀軌文件轉(zhuǎn)化為合適的數(shù)控加工程序(即NC代碼)，才能滿足機床的實際控制要求。

UG Post-Builder是UG提供的一個強大的后處理編輯器，可以設(shè)置很多不同型號的機床，因此其使用更具有廣泛性和實用性。針對整體葉輪的加工，本文采用UG Post-Builder模塊，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理程序的開發(fā)。

2.1機床參數(shù)的設(shè)置

圖19　Post Builder新建文件參數(shù)設(shè)置

啟動UG/Post Builder新一個后處理文件，將其命名為“two-table-AC-Machine”，按照如圖19所示進(jìn)行設(shè)置。完成后單擊“OK”后進(jìn)入Post-Builder設(shè)置界面。

在界面的“Machine Tool”選項中，包含“General Parameters”和“Fourth Axis/“Fifth Axis”兩個模塊，用于設(shè)置機床行程、回零點坐標(biāo)值、直線插補精度、快速移動速度最大值、設(shè)置機床的旋轉(zhuǎn)主體、旋轉(zhuǎn)平面、旋轉(zhuǎn)精度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動范圍、旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)中心相對于機床原點的位置等。由于General Parameters中的默認(rèn)設(shè)置均包含了實驗所需的極限值，所以不做修改。

2.2程序格式的設(shè)置

UG/Post Builder中的“Program”項目，將一個NC程序分成了五個不同的部分：①程序開始；②操作開始；③刀軌路徑；④操作結(jié)束；⑤程序結(jié)束。

本文需要設(shè)置的主要有：①Program Start Sequence：設(shè)置程序的開頭為：G54 G90 G40 G94 G71；②Auto Tool Change：M06， Manual Tool Change：M00；③End of Program：M30。

圖20　生成的NC代碼

保存文件后，在UG/Post Builder Version8.0對話框中，依次選擇“Utilities→End Template Post Data File”，彈出Install Post對話框，選擇“TOOL LIST(text)”讓它處于高亮顯示。單擊“New”按鈕彈出“打開”對話框，添加到template_post.dat 文件中。最后，單擊“OK”按鈕彈出“另存為”對話框單擊保存完成設(shè)置。其生成 NC 代碼如圖20所示。

3　總結(jié)

本文基于UG軟件，對整體葉輪的五軸加工方法進(jìn)行研究，為提高UG軟件在多軸加工領(lǐng)域的應(yīng)用，為合理規(guī)劃整體葉輪加工工藝，提高葉輪的加工效率和加工精度提供了實際參考。研究結(jié)論如下：

(1)分析了整體葉輪外形結(jié)構(gòu)和加工特性，確定了整體葉輪的刀具和加工工序。

(2)在UG NX 8.0環(huán)境下，進(jìn)行整體葉輪的刀軌規(guī)劃，完成了整體葉輪刀具軌跡的編輯處理，生成了整體葉輪全部的刀具軌跡。

(3)通過基于UG Post-Builder的多軸后處理，生成了整體葉輪的NC代碼文件。

[1] 李群, 陳五一. 基于UG的發(fā)動機整體葉輪三維造型研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2005 (9): 5-7.

[2] 曾豪華,屈圭,伍世棋. 葉輪零件的五軸數(shù)控制造質(zhì)量與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機床與液壓, 2012, 40(5): 54-58.

[3] Julien Chaves-Jacob, Gérard Poulachon, Emmanuel Duc. Optimal strategy for finishing impeller blades using 5-axis machining[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 58(5-8): 573-583.

[4] W Ferry, Y Altintas. Virtual Five-Axis Flank Milling of Jet Engine Impellers: PartⅠ- Mechanics of Five-Axis Flank Milling[J]. ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2007, 3 :339-353.

[5] 余道洋,韓江,趙韓. 基于解析法的整體式葉輪側(cè)銑高精加工技術(shù)[J]. 中國機械工程, 2015, 26(3): 304-307.

[6] 任軍學(xué), 姜振南, 姚倡鋒,等. 開式整體葉盤四坐標(biāo)高效開槽插銑工藝方法[J]. 航空學(xué)報, 2008, 29(6):1692-1698.

[7] 胡創(chuàng)國, 張定華, 任軍學(xué),等. 開式整體葉盤通道插銑粗加工技術(shù)的研究[J] . 中國機械工程, 2007, 18 ( 2) : 153-155.

[8] 陳文濤,夏芳臣,涂海寧. 基于UG &VERICUT整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2012,(2): 102-104.

[9] 梁蔓安, 唐清春, 黎家宏. 基于UG的五軸聯(lián)動機床后置處理器研究與實現(xiàn)[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2011(6):17-22.

(編輯李秀敏)

Research of CNC Machining Simulation for Integral Impeller Based on Software UG

QIN Lu-fang, SUN Tao, SHI Si-qiang, YANG Lu

(Jiangsu Key Laboratory of Large Engineering Equipment Detection and Control, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou Jiangsu 221008, China)

Integral impeller is widely used in engine of aeronautics and astronautics, turbine, and hydraulic pump, and so on. There are some problems in processing of integral impeller because complex space surfaces of integral impeller need to be five-axis machined, such as difficult machining, the no means guaranteed machining quality, etc. To solve these problems, software UG NX8.0 is used to plan tool paths of integral impeller and papers of tool paths are generated. Besides, special post-processor is set to generate NC codes based on UG Post Builder module. The research results improve application range of software UG in multi-axis machining, and provide valid

for rational planning of integral impeller machining.

integral impeller; CNC machining simulation; process planning; five-axis machining

1001-2265(2015)11-0098-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.028

2015-05-12；

2015-06-15

江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室項目(JSKLEDC201406)

秦錄芳(1979—)，女，河南新鄉(xiāng)人，徐州工程學(xué)院講師，研究方向為高效精密加工，(E-mail)798033365@qq.com。

TH164；TG506

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