基于UG軟件閉式葉輪數(shù)控多軸加工工藝分析研究

王繼群

【摘 要】閉式葉輪被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，本文以UG軟件為平臺(tái)，對(duì)閉式葉輪的數(shù)控多軸加工工藝進(jìn)行了分析研究，制定了工藝方案，對(duì)其刀具路徑進(jìn)行了合理規(guī)劃，避免了加工干涉，最后完成了仿真加工，取得了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】閉式葉輪；UG；數(shù)控多軸加工；刀具路徑

0 引言

近些年來(lái)，閉式葉輪被廣泛的應(yīng)用在航空、冶金、軍事、能源動(dòng)力等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1，相對(duì)于開(kāi)式葉輪，它的軸盤(pán)、蓋盤(pán)和葉片三位一體，避免了氣流損失，提高了氣動(dòng)效率。傳統(tǒng)的加工方法主要是采用鑄造的方式，但是葉輪的精度難以保證，另外由于鑄造時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中等問(wèn)題，葉輪容易損壞。隨著數(shù)控多軸技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中更多的是采用數(shù)控多軸機(jī)床加工生產(chǎn)閉式葉輪。但是閉式葉輪的結(jié)構(gòu)具有一體性和封閉性、加之葉片曲面較為復(fù)雜，加工時(shí)又要考慮刀具干涉的問(wèn)題，加工難度很大。因此，如何正確規(guī)劃閉式葉輪數(shù)控加工的刀具路徑，避免干涉，制定合理的加工工藝，就顯得十分重要。由于閉式葉輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須在五軸的數(shù)控加工中心上才能完成，而針對(duì)于多軸加工，主要采用軟件自動(dòng)編程，這里選用全球最為高端的工業(yè)軟件—UG，本文以UG軟件為平臺(tái)，對(duì)閉式葉輪的整個(gè)加工工藝進(jìn)行分析研究。

圖1 閉式葉輪

1 閉式葉輪的三維實(shí)體建模

圖2 閉式葉輪的三維建模

首先我們利用UG軟件對(duì)閉式葉輪進(jìn)行三維建模，建模這一步很關(guān)鍵，它決定著后面工作的成敗。由于閉式葉輪是由軸盤(pán)、蓋盤(pán)和葉片三個(gè)部分組成的，所以對(duì)其分別建模，再將三者組合在一起。其中，軸盤(pán)和蓋盤(pán)的建模比較簡(jiǎn)單，直接用三維旋轉(zhuǎn)命令即可完成，葉片的建模較為復(fù)雜，先使用樣條命令生成三次樣條光滑曲線，掃掠成實(shí)體薄片，由于葉片厚度并不是均勻一致，我們?cè)賹?duì)葉片的前后端面進(jìn)行修改，完成單個(gè)葉片的造型。最后使用空間陣列命令，完成所有葉片的造型。

2 閉式葉輪的數(shù)控加工工藝方案

由于閉式葉輪和開(kāi)式葉輪在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別，軸盤(pán)、蓋盤(pán)和若干個(gè)葉片連在一起，加工時(shí)數(shù)控銑刀不可能像加工開(kāi)式葉輪那樣有很大的活動(dòng)空間，為了防止銑刀和葉輪本身發(fā)生干涉，只能從葉輪通道的進(jìn)出氣孔進(jìn)行加工，如圖3，這將大大限制銑刀活動(dòng)范圍，因此一定要合理規(guī)劃刀具路徑，同時(shí)也要避免加工干涉。整體的工藝方案如下：

（1）數(shù)控車削閉式葉輪的回轉(zhuǎn)體；（在數(shù)控車床上完成，這里不再論述）；

（2）閉式葉輪通道的粗加工；

（3）閉式葉輪通道的半精加工；

（4）閉式葉輪通道的精加工。

圖3 銑刀加工閉式葉輪

3 刀具路徑的規(guī)劃

合理的規(guī)劃刀具路徑是閉式葉輪加工的關(guān)鍵，下面從5個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析研究。

3.1 走刀步長(zhǎng)

走刀步長(zhǎng)是指數(shù)控銑刀相鄰的兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的距離，步長(zhǎng)越小，加工效果越精確，但是刀路軌跡復(fù)雜，耗時(shí)較大，步長(zhǎng)越大則正好相反，切削效率高，但是精度較差。在UG軟件中，可以通過(guò)公差來(lái)控制走刀步長(zhǎng)，根據(jù)閉式葉輪實(shí)際的情況，確定公差的大小，在軟件參數(shù)設(shè)置中輸入公差值，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)計(jì)算出合理的走刀步長(zhǎng)，找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

3.2 進(jìn)刀方式

數(shù)控加工中，進(jìn)刀方式有很多種，例如垂直進(jìn)刀、傾斜進(jìn)刀、圓弧進(jìn)刀、螺旋進(jìn)刀等等。其中加工效果最好的進(jìn)刀方式是螺旋進(jìn)刀，但是使用螺旋進(jìn)刀，銑刀的刀路軌跡比較復(fù)雜，進(jìn)刀時(shí)有可能和工件發(fā)生碰撞，因此對(duì)于閉式葉輪的封閉結(jié)構(gòu)，我們?cè)赨G軟件中選用圓弧進(jìn)刀方式，避免發(fā)生干涉。

3.3 刀具跨越方式

刀具跨越是指銑刀在切削時(shí)由出氣口跨越到進(jìn)氣口，或者是由進(jìn)出氣口跨越到閉式葉輪側(cè)面，由于閉式葉輪的結(jié)構(gòu)緊湊，葉片之間的空間狹小，葉片又被封閉在軸盤(pán)和蓋盤(pán)之間，銑刀在跨越時(shí)非常容易和工件發(fā)生碰撞，為了保證安全，我們?cè)赨G軟件中設(shè)置安全平面，即銑刀在跨越時(shí)先退到安全平面，然后再進(jìn)刀到下一個(gè)切削區(qū)域。

3.4 走刀方式

在UG軟件中數(shù)控銑刀的走刀方式有很多種，這里采用雙向走刀，即刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)都參與切削加工，如圖4。雙向走刀和單向走刀相比，避免了抬刀，節(jié)省時(shí)間，是比較經(jīng)濟(jì)的走刀方式。

圖4 雙向走刀方式

3.5 加工方法

對(duì)閉式葉輪采用層切法進(jìn)行加工，它是把整個(gè)加工過(guò)程劃分粗加工、半精加工、精加工為三個(gè)步驟，每一個(gè)步驟中，在閉式葉輪的出氣口側(cè)和進(jìn)氣口側(cè)，按照一定的順序?qū)Σ煌拇庸^(qū)域進(jìn)行數(shù)控銑削，完成一個(gè)區(qū)域的加工后，退刀至安全平面，之后再進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域的切削加工。如此反復(fù)，一直到全部加工完零件的待加工區(qū)域，最后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行葉輪的清根處理。

4 加工干涉的避免

加工干涉是指刀具在數(shù)控加工中對(duì)工件過(guò)切或者與工件發(fā)生碰撞，對(duì)于閉式葉輪這一類復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的數(shù)控加工，往往更容易發(fā)生干涉。如果發(fā)生干涉的話，有可能損壞工件，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故。避免干涉的關(guān)鍵是對(duì)刀軸矢量的控制，在UG軟件中，采用朝向點(diǎn)來(lái)控制刀軸矢量，最終確定刀軸的安全活動(dòng)空間。

5 加工仿真

所有的工藝和參數(shù)在UG軟件中設(shè)定以后，使其生成閉式葉輪數(shù)控加工的刀路軌跡，如圖5。

圖5 刀路軌跡

然后后進(jìn)行模擬仿真，仔細(xì)觀察仿真效果，如遇到問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行參數(shù)的修改，爭(zhēng)取達(dá)到最理想的效果。最后結(jié)合機(jī)床的型號(hào)進(jìn)行后置處理，生成數(shù)控程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把程序傳輸給數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行閉式葉輪的生產(chǎn)加工，如圖6。

圖6 閉式葉輪的銑削加工

6 結(jié)束語(yǔ)

閉式葉輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生產(chǎn)加工具有一定的難度。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行工藝分析，利用UG軟件完成了葉輪的生產(chǎn)加工，隨著UG軟件版本的不斷更新，功能的不斷發(fā)展和完善，閉式葉輪的加工精度和質(zhì)量一定會(huì)進(jìn)一步得到提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]嚴(yán)思杰，周云飛，賴喜德，等.多軸加工刀軌最優(yōu)行距計(jì)算方法研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42（5）：35-38.

[2]田欣利，余安英，林允森，等.葉片多軸數(shù)控加工方法與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].工藝與檢測(cè)，2008，6：124-127.

[3]蔡永林，席光，樊宏周，等.任意曲面葉輪五坐標(biāo)數(shù)控加工刀具軌跡生成[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（1）：77-80.

[4]蘇云玲.三元整體葉輪的幾何造型與五坐標(biāo)數(shù)控加工[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]