引言

在現(xiàn)代智能制造體系中，數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)國家發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型，精密模具、軌道交通、航空、醫(yī)療器械等新興產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，零件的復(fù)雜性和精度要求越來越高。葉輪具有加工路徑多、約束多、葉片曲率大以及可加工空間小等特點(diǎn)，是典型的難加工的復(fù)雜曲面零件。普通三軸和四軸銑床已經(jīng)無法滿足類似葉輪這種高精度、高強(qiáng)度復(fù)雜零件的加工需求。文章以葉輪為加工實(shí)例，介紹基于UG 的葉輪五軸加工編程，并用UG仿真環(huán)境進(jìn)行試加工仿真，利用五軸高速機(jī)床完成零件的試加工驗(yàn)證，為合理提高葉輪的加工工藝、加工效率以及加工精度提供實(shí)際參考。

1 基于UG的葉輪三維建模

葉輪的建模難點(diǎn)主要在葉片，尤其是創(chuàng)建空間曲線，建模步驟如下。

（1）將葉輪分為輪緣和葉片2 部分，在yOz 平面建立輪轂的錐形截面，將截面繞Z 軸旋轉(zhuǎn)1 周，形成底部直徑80mm，高度30mm 的錐形輪轂，在輪轂表面繪制合適長度的草圖曲線，并按照規(guī)律延伸，變化規(guī)律改為3 次。

（2）用曲面加厚命令加厚葉片，生成葉片實(shí)體。

（3）用陣列功能生成陣列葉片。

（4）合并輪轂與葉片并移除參數(shù)，形成葉輪實(shí)體，生成的葉輪三維模型如圖1 所示。

圖1 葉輪三維模型

2 葉輪加工工藝方案

2.1 加工工藝分析

葉輪加工的難點(diǎn)主要在葉片，因?yàn)槿~片較薄且葉片間距較小的特征，如果加工順序、刀路制訂不合理、刀具選擇不正確、切削速度過快或者過慢都會(huì)導(dǎo)致過切，甚至刀具崩壞等問題。

2.2 加工工藝方案

根據(jù)葉輪加工難點(diǎn)，結(jié)合五軸高速機(jī)床的性能，合理選用刀具類型及切削用量，制訂合理的數(shù)控加工工序，既能提高葉輪的加工精度和加工效率，又能延長刀具使用壽命。葉輪的毛坯選用的是Φ80mm×30mm 帶中心孔，中心孔尺寸為Φ16mm。毛坯的工裝夾具選用階梯式的芯軸，上方用螺釘和墊片固定夾緊，下方則是過渡盤，葉輪工裝夾緊方式如圖2 所示。首先完成葉輪的開粗，其次對輪轂和葉片的表面繼續(xù)精加工，最后對葉片和輪轂的結(jié)合處進(jìn)行清根處理。葉輪五軸加工工藝參數(shù)見表1。

表1 葉輪五軸加工工藝

圖2 葉輪工裝夾緊示意

3 葉輪五軸加工編程及仿真

3.1 五軸加工編程準(zhǔn)備

創(chuàng)建Φ80mm×30mm 的圓柱毛坯，并進(jìn)入UG 加工模式，分別設(shè)置加工坐標(biāo)系WCS、幾何體、毛坯和刀具等，設(shè)定被加工件與刀具底面的安全距離為10mm。

3.2 葉輪五軸加工編程

（1）葉輪整體開粗。葉輪粗加工采用“mill_multi blade”，其子工序選用“Impeller Rough”，該工序是使用輪轂和包覆之間的切削層來移除葉片之間的材料。指定葉片及葉根圓角，刀具選用R4 球銑刀，切削層深度模式選擇“從包覆插補(bǔ)至輪轂”，切削深度為2mm。刀軌光順百分比設(shè)定為25%，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為8000r/min，進(jìn)給速度設(shè)定為3000mm/min，生成粗加工刀路，葉輪粗加工刀路如圖3 所示。將以上工序連續(xù)復(fù)制7 次，即可得到剩余開粗刀路，葉輪整體開粗刀路如圖4 所示。

圖3 葉輪粗加工刀路                  圖4 葉輪整體開粗刀路

（2）輪轂及葉片精加工。葉片與葉片之間形成的區(qū)域稱為流道，在經(jīng)過葉輪的整體開粗后，流道和葉輪表面還留有0.2mm 余量需要進(jìn)行精加工。輪轂的精加工采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Hub Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R2 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設(shè)定為25%，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為12000r/min，進(jìn)給速度設(shè)定為1000mm/min，生成輪轂的精加工刀路。將以上工序連續(xù)復(fù)制7 次，即可得到輪轂精加工刀路，如圖5 所示。葉片的精加工采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Blade Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R2 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設(shè)定為25%，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為12000r/min，進(jìn)給速度設(shè)定為1000mm/min，生成葉片的精加工刀路。將以上工序連續(xù)復(fù)制7 次，即可得到葉片精加工刀路，如圖6 所示。

 圖5 輪轂精加工刀路                    圖6 葉片精加工刀路

（3）清根。為保證零件加工表面更加平整光滑，需要對葉片與輪轂的連接處清根。清根需要采用精加工的方式，選用的刀具為R1 斜角球銑刀，采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Blend Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R1 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設(shè)定為25%，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為12000r/min，考慮到刀具尺寸較小，為防止出現(xiàn)斷刀，故進(jìn)給速度設(shè)定為800mm/min，生成清根的精加工刀路。將以上工序連續(xù)復(fù)制7 次，即可得到葉片精加工刀路，如圖7 所示。

圖7 葉片精加工刀路

3.3 葉輪加工仿真

（1）設(shè)置仿真環(huán)境。點(diǎn)擊菜單欄中的“文件”，選擇“實(shí)用工具”目標(biāo)最大單元長度，然后選擇“用戶默認(rèn)設(shè)置”。在“用戶默認(rèn)設(shè)置界面”中，選擇仿真模塊下的“前置處理器”，然后點(diǎn)擊“求解器和環(huán)境”。在“求解器和環(huán)境”界面中，勾選“基于組件的仿真”，然后點(diǎn)擊確認(rèn)。

（2）加工仿真準(zhǔn)備。在UG 工序?qū)Ш狡髦羞x擇“機(jī)床視圖”，出現(xiàn)通用機(jī)床的選擇界面，在庫中調(diào)用機(jī)床、刀具以及設(shè)備。機(jī)床選擇MILL 下的“sim05_mill_5ax”五軸數(shù)控銑床。選擇好機(jī)床后，在部件安裝界面設(shè)定部件定位方式為“使用部件安裝聯(lián)接”，將動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系放置部件底部圓心位置，選擇完成后自動(dòng)生成所需機(jī)床。刀具選擇銑加工方式，并選擇球頭銑刀，設(shè)定球頭銑刀參數(shù)或拖動(dòng)已有刀具至機(jī)床刀庫中。選擇工序視圖中已編寫好的加工工序，并選擇“加工路徑”中的“仿真”。在加工仿真前驗(yàn)證是否有刀具及機(jī)床碰撞的情況，確認(rèn)無誤后選擇“機(jī)床仿真”對被加工件進(jìn)行加工仿真，根據(jù)需要調(diào)節(jié)仿真速度。葉輪的UG 加工仿真演示圖，如圖8 所示。

圖8 UG加工仿真演示

4 葉輪試切加工

五軸加工中心是一種功能全面的數(shù)控機(jī)床，如圖9 所示，它能夠?qū)崿F(xiàn)零件一次裝夾，并且可自動(dòng)、高精度、高效率的連續(xù)完成多個(gè)面的多種功率加工，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、電機(jī)以及精密器械等行業(yè)。利用UG 仿真加工確認(rèn)加工過程中無碰撞及干涉后，將加工毛坯按照圖2 的方式裝夾，并在五軸加工中心內(nèi)進(jìn)行試切加工，如圖10 和圖11 所示。

圖9 五軸加工中心

圖10 葉輪試切加工                             圖11 葉輪實(shí)物

5 結(jié)束語

首先，分析葉輪的建模及加工難點(diǎn)，制訂對應(yīng)的加工工藝路線及加工策略；其次，利用UG 編程環(huán)境制訂加工步驟并生成軌跡刀路，利用UG 軟件自帶的仿真模塊，對葉輪五軸加工進(jìn)行動(dòng)畫仿真，確認(rèn)無碰撞、過切以及干涉等問題；最后，對葉輪進(jìn)行五軸加工試切并得到葉輪實(shí)物。從加工結(jié)果可以看出，合理的加工工藝路線及策略，能夠提高零件的加工質(zhì)量和效率。