應用UG軟件解決葉輪加工

王明河

（中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司，哈爾濱150066）

應用UG軟件解決葉輪加工

王明河

（中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司，哈爾濱150066）

介紹了使用UG軟件進行葉輪程序設計的過程，利用UG軟件的CAM模塊中變軸加工功能設計加工操作。通過對零件結構分析，確定了粗、精加工工序。通過對流道的粗銑、葉型的半精銑、流道的精銑、葉型的精銑及清根等的一系列操作，完成葉輪型面的銑削。在設計加工程序時，圍繞UG變軸加工這一功能，綜合運用多種刀軸控制方法，解決刀具與零件的干涉碰撞、過切及多余。在保證零件加工精度的同時，還要考慮最大程度地提高加工效率，縮短加工時間。

流道；刀軸；驅動；刀軌

0 引言

五軸聯動數控加工是數控加工中的高技術之一，涉及到三維造型、刀位計算技術、計算機仿真技術、后置處理技術和金屬切削技術等多個環節。在當前這個高度信息化的社會，隨著計算機輔助設計與制造系統的不斷發展，五軸聯動過程中關鍵的刀位計算越來越快捷與準確，為五軸聯動加工技術在實際生產中的廣泛應用奠定了良好的基礎，但是由于其在刀位計算、后置處理等方面的高技術特征，使得一般用戶不便于開發和應用，形成了技術門檻。而掌握了該技術的一些機床制造商和軟件開發商卻充分享受高技術帶來的高附加利益，通過出售技術和產品，通過提供升級、培訓等相關服務獲取了巨大的利益。從制造業當前的形勢看，機床制造商全力進軍五軸加工設備，軟件開發商積極開發或捆綁五軸編程功能，不斷鞏固和發展自己的地位，可以說，五軸加工技術的開發應用代表著數控制造行業未來數年內的主要發展方向。

從整體式葉輪的幾何結構和工藝過程可以看出，整體式葉輪加工軌跡規劃的約束條件比較多，相鄰的葉片之間空間較小，加工時極易產生碰撞干涉，自動生成無干涉加工軌跡比較困難。因此在加工葉輪的過程中不僅要保證葉片表面的加工軌跡能夠滿足幾何準確性的要求，而且由于葉片的厚度有所限制，所以還要在實際加工中注意軌跡規劃以保持加工的質量。目前國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用軟件，有美國NREC公司的MAX-PAC葉輪加工專用軟件，瑞士Star rag數控機床所帶的整體葉輪加工模塊，還有Hyper mill等專用的葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如：UG、CATTIE、Pro/E等也可用于整體葉輪加工。

本文以車間實際加工過的燃機葉輪作為對象，以UGNX6.0為平臺，將葉輪加工相關的工藝分析、程序設計順序、刀軸控制、刀具選擇等技術進行歸納總結。

圖1 燃機葉輪

1 葉片的CAM過程

圖1所示的葉輪的CAM工作主要是對葉片的銑削加工和對輪轂面的清理加工，從工藝上來講，該葉輪加工主要由以下4個不同的操作順序組成：

1）粗加工葉片間的流道。該操作屬于粗加工開槽步驟，其主要目的是高效地切除毛坯余量，給精加工留少許的加工余量，同時釋放加工應力，使零件的時效變形達到穩定狀態。

2）加工葉片表面。該操作及以下操作屬于精加工、半精加工操作。在前期的粗加工后，經過一段時間的擱置，零件的時效變形已達到穩定狀態，此時精加工葉片后的變形已不會很大。對于小的加工變形，可通過選擇刀具、切削參數或者在設計程序時，通過設置正負余量等參數的方法來抵消精加工時的葉片變形，保證葉片的位置和形狀精度。

3）銑削輪轂部分。該操作用于葉片半精加工之后，清理流道上殘余量，達到輪轂精銑目的。

4）葉片根部圓角加工。該操作是清根步驟。葉片根部為R1.5的圓角，加工葉片和輪轂后，由于刀尖圓弧半徑原因，葉片根部圓角未到尺寸，需用R1.5的球頭刀清理剩余殘留量，達到葉片根部圓滑光順的目的。

葉輪的葉片一般屬于扭曲直紋面，可以用側銑或點銑的方法進行加工。采用側銑方式可具有很高的加工效率和表面光潔度，但眾所周知，側銑扭曲直紋面時不可避免地存在加工過切和多余量問題，而我們現在無法估算過切量的大小，所以就無法修正刀軸解決加工誤差問題。因此，加工該葉輪我們采取點銑的方式，采用這種方法加工時，只有刀頭部分接觸葉片，用“相關于驅動”的方式可以簡單、準確地控制刀軸，通過調整刀具傾角，就可有效地避免過切葉片。加工時，沿葉片高度方向分層加工，靠控制相鄰走刀形成的殘留高度來保證葉面光度。

1.1 葉片開槽

葉輪的加工首先是開槽，去除大部分余量。經分析可以查出該葉輪兩葉片根部（倒角）間的最小距離為4.1 mm。在加工順序設計時可以首先使用φ8直徑的平頭銑刀分層加工，對于最小距離4.1mm處，可使用φ4錐度球頭刀加工。

在處理模型時，需要仿輪轂的形狀做6個回轉面（圖2所示），用于流道粗加工。每一個回轉面代表一個加工深度。

圖2 做6個回轉面

1）定義輪轂區域。由于在掃底編程時也需要輪轂區域作為驅動幾何體，所以可以先做出輪轂區域。

摘取葉片根部倒角處（與葉轂相切）的曲線，然后再摘取相應的輪緣邊界線，采用SWEPT方式，就可以得到以葉片根部為邊界的輪轂面（圖3）。

圖3 輪轂面

2）開槽。粗加工葉片間的流道。

刀具選擇：φ8R1平頭刀、φ5球頭刀、φ4球頭刀。

操作方法：選擇輪轂作為驅動幾何，刀軸方式為“插補”。

加工方式：以前面所做的6個回轉面作為切削層，參考左右葉片表面傾轉狀態設計插補矢量，用以控制刀軸。用φ5球頭刀、φ4球頭刀來進入、清理φ8平頭刀所加工不到的地方。剩余余量設置為0.5，留作精加工時的毛坯余量。

1.2 加工葉片

半精加工和精加工葉片。

刀具選擇：φ5錐度球頭刀、φ4錐度球頭刀。

操作方法：選擇葉片作為驅動幾何，選擇相鄰葉片及輪轂為檢查幾何，刀軸方式為“相關于驅動”。

加工方式：采用φ5錐度球頭刀半精加工葉片，采用左右葉片交替變換切深的切削方法，剩余余量設置為0.2，然后用φ4錐度球頭刀精加工葉片。殘余高度值設置為0.3。更改殘余高度值的大小可獲得不同的光度，用以區別半精加工和精加工，精加工時殘余高度值設置為0.03。刀軌見圖4。

圖4 刀軌

1.3 掃底

對輪轂部分進行加工，分半精加工和精加工步驟。

刀具選擇：φ5錐度球頭刀、φ4錐度球頭刀。

操作方法：選擇葉片作為檢查幾何，選擇輪轂面作為驅動幾何，刀軸方式為“法向于驅動”。

加工方式：采用φ5錐度球頭刀半精加工輪轂，剩余余量設置為0.2，然后再用φ4錐度球頭刀精加工輪轂。殘留高度設置為0.03。根據光度要求可適當更改。刀軌見圖5。

圖5 刀軌

1.4 清根

進行葉片根部圓角加工。

需要注意的問題是必須準確控制刀軸，防止刀具切入零件。可采用多種方法控制刀軸，均可達到要求。本次加工采用的是一種較簡單的驅動方式，即“相關于驅動”。

刀具選擇：φ3球頭2.5°錐銑刀。

操作方法：選擇葉片作為驅動幾何，選擇相鄰葉片面作為檢查幾何，刀軸方式為“相關于驅動”。

加工方式：通過設置驅動面的余量，逐漸清根。步距設置為1%（相對于刀具直徑），刀軸最大擺角設置為3°。清根刀路為沿著葉盆、葉背的一條連續曲線。刀軌見圖6。

圖6 刀軌

2 加工中的干涉碰撞與刀軸修正

在五軸數控加工中，由于刀具方向不斷變化，刀具與曲面的干涉現象可能發生。程序設計完后，盡管經過UG自身的仿真切削功能進行校驗，沒有發現過切現象，但在實際加工中，特別是在進、退刀階段，仍發現有一些小的干涉，影響了葉片的形狀。因此，在編程時，要充分考慮參數設置的裕度問題，如設置刀軸與檢查面的安全距離、用“相關與驅動”方法控制刀軸時，刀軸與驅動面的角度、輪廓的公差精度等。裕度充分，可避免反復地在工件上試刀、改程序，從而提高效率。

3 結語

經后處理程序輸出成加工程序后，在MIKRON UCP800五坐標加工中心（圖7）上加工出該葉輪。加工出的葉輪如圖8所示。

圖7 五坐標加工中心

圖8 加工后的葉輪

用UG軟件編制葉輪程序，方法靈活，沒有固定模式，技術難度大，對編程人員要求高。其輸出程序前的前期工作量很大，需要做大量輔助點、線、面和實體，用這些特征作零件體、驅動體及檢查體等來準確地限制刀位和控制刀軸。因此，在編程時，不但要細心而且更要有耐心，認真地進行仿真切削檢查，盡量避免在試加工時更改程序。

（編輯：昊 天）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0157－02

王明河（1973-），男，高級工程師，主任工藝師，主要從事數控加工及仿真加工技術研究工作。

2014-02-12