基于UG8.0的整體式葉輪五軸數(shù)控加工研究

魏巖,韓旭,蘭海,閻長(zhǎng)罡

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連創(chuàng)新零部件制造公司，遼寧 大連 116028 )*

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基于UG8.0的整體式葉輪五軸數(shù)控加工研究

魏巖1,韓旭1,蘭海2,閻長(zhǎng)罡1

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連創(chuàng)新零部件制造公司，遼寧 大連 116028 )*

通過(guò)對(duì)整體式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，合理的安排了數(shù)控加工工藝過(guò)程.利用UG8.0葉輪加工模塊進(jìn)行刀具軌跡的規(guī)劃，進(jìn)而生成數(shù)控程序.為保證程序的合理性，使用VERICUT數(shù)控仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行仿真，生成了符合實(shí)際加工要求的NC代碼.最后在機(jī)床實(shí)際加工，驗(yàn)證了葉輪加工工藝安排的合理性及可行性.

整體式葉輪；加工工藝；UG8.0；VERICUT

0 引言

整體式葉輪作為典型的透平機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)上的關(guān)鍵部件，普遍應(yīng)用在航空航天、水利等各領(lǐng)域.基于整體式葉輪葉片薄、曲面扭轉(zhuǎn)角大、數(shù)量多、葉片之間空間狹窄的特點(diǎn)，加工時(shí)易產(chǎn)生碰撞、過(guò)切等問(wèn)題，是典型復(fù)雜曲面類零部件[1].目前，CAD/CAM技術(shù)對(duì)于加工整體式葉輪的方法研究比較多，已出現(xiàn)的成熟的商業(yè)軟件，包括應(yīng)用面比較廣泛的UG，MASTERCAM等軟件，更有諸如POWERMILL，HYPEMILL等專業(yè)智能軟件.由于UG在此類軟件中具有較好的造型功能和較強(qiáng)的五軸編程功能，所以在數(shù)控加工中應(yīng)用比較廣泛.

在生產(chǎn)加工中，刀具與機(jī)床、工件之間的碰撞和干涉很難測(cè)量和計(jì)算，這給保證加工過(guò)程的順利進(jìn)行帶來(lái)了問(wèn)題.基于VERICUT強(qiáng)大的加工仿真功能，在實(shí)際加工之前就能完成加工工藝和數(shù)控程序的校驗(yàn)，得到滿足加工要求的NC代碼，從而保證實(shí)際加工的準(zhǔn)確性和合理性[2].本文采用UG8.0專業(yè)葉輪模塊進(jìn)行編程，運(yùn)用VERICUT進(jìn)行模擬仿真，制定出了較為合理的加工工藝.

1 整體式葉輪數(shù)控加工工藝規(guī)程

1.1 整體式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)分析

整體式葉輪結(jié)構(gòu)主要由輪轂、葉片和葉根圓角三部分組成.其中，葉片曲面由壓力曲面、吸力曲面和包覆曲面構(gòu)成(如圖1)[3].

圖1 整體式葉輪結(jié)構(gòu)

整體式葉輪的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片采用扭轉(zhuǎn)角度較大的復(fù)雜曲面、葉片與流道面之間需要圓角過(guò)度以保證葉根部的強(qiáng)度，這給加工葉輪帶來(lái)了很大的難度.整體式葉輪加工如下：

(1)整體式葉輪各流道面比較狹窄，與之相連的葉片較長(zhǎng)且厚度薄，造成其剛性相對(duì)較低，加工中易產(chǎn)生形變;

(2)所用刀具直徑相對(duì)較小，加工中易產(chǎn)生讓刀、震顫、斷裂等問(wèn)題;

(3)葉片曲面扭轉(zhuǎn)角大，葉片之間相對(duì)較窄，加工時(shí)刀具方向不易控制，容易發(fā)生碰撞、過(guò)切等問(wèn)題.

基于以上加工難點(diǎn)，綜合考慮整體式葉輪各結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文制定出一套較為合理的葉輪五軸數(shù)控加工工藝規(guī)程[4].

1.2 整體式葉輪數(shù)控加工方案

1.2.1 刀具選擇

刀具的選擇對(duì)于整體式葉輪加工具有重要作用，采用合適的刀具類型及材料既能夠保證所需加工精度要求，同時(shí)也能夠延長(zhǎng)刀具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率.

本文中整體式葉輪毛坯材料采用鋁合金，為提高加工效率，保證加工質(zhì)量，做出如下幾點(diǎn)工藝安排：

(1)針對(duì)流道開(kāi)粗吃刀量大的特點(diǎn)，選用剛性較高的圓鼻刀以提高加工效率;

(2)流道及葉片的半精加工選用較大直徑的球頭刀;

(3)由于葉根部圓角為1.5mm，故采用球頭半徑與葉根圓角相同，且錐度為2°的球頭錐形刀對(duì)葉片和葉根圓角進(jìn)行精加工.

1.2.2 粗加工過(guò)程

(1)本次加工所用毛坯尺寸為Φ90×70，為了利于切削，首先對(duì)葉片以上部分先進(jìn)行開(kāi)粗.開(kāi)粗方式選用型腔銑，刀具選用Φ10R2圓鼻刀，刀軸設(shè)置ZM方向.刀軌設(shè)置中，采用跟隨周邊模式，刀具百分比選擇 70.切削層中范圍深度5mm，每刀的深度1 mm.切削參數(shù)中加工余量 1 mm.其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(a)所示.

(2)流道粗加工.為了提高加工效率，對(duì)于流道的粗加工采用3+2定軸開(kāi)粗的方法.同樣，采用型腔銑的方法，刀具選用Φ6R1圓鼻刀，刀軸為指定矢量，刀軸方向?yàn)榧庸ぷ鴺?biāo)XM軸方向，采用跟隨部件模式，刀具百分比選擇50，每刀的切削深度為1 mm.切削參數(shù)中，部件側(cè)面余量與底部余量均設(shè)為1 mm，其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(b)所示.

1.2.3 半精加工過(guò)程

(1)流道半精加工 基于葉片扭轉(zhuǎn)角大且成波浪形，粗加工后余量不均勻，影響精加工質(zhì)量.這里設(shè)置半精加工工序，保證余量加均勻[5].流道半精、精加工均采用模塊化編程方法，打開(kāi)葉輪加工模塊，設(shè)置葉轂、包覆面、葉片、葉根圓角.在驅(qū)動(dòng)方法中，設(shè)置前緣、葉片邊緣點(diǎn)、沿葉片方向，相切延伸為2 mm，后緣與前緣相同，指定起始位置.驅(qū)動(dòng)設(shè)置中，切削模式設(shè)為往復(fù)上升，步距設(shè)為恒定，最大距離為0.5 mm.刀具選擇D6R3錐度2°，刀軸設(shè)為自動(dòng)，切削參數(shù)中葉片余量為0.6 mm、葉轂余量為0.5 mm，其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(c)所示;

(2)葉片半精加工 在葉片精加工驅(qū)動(dòng)方法中，精加工的幾何體選擇葉片，切削面選擇左面、右面、前緣，切削模式為單向，其余默認(rèn).刀具選擇D4R2錐度2°，刀軸為自動(dòng).切削層中，深度模式設(shè)為從包覆插補(bǔ)至葉轂，每刀深度為0.4 mm.切削參數(shù)中，包覆余量設(shè)為0、葉片余量為0.4 mm、葉轂余量為0.5 mm，其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(d)所示.

圖2 基于8.0刀具路徑圖

1.2.4 精加工

(1)葉片以上部分精加工 采用深度加工輪廓方法，刀具選擇Φ10R2圓鼻刀，刀軸設(shè)置ZM方向.每刀切削深度為1 mm.在切削參數(shù)中，范圍深度選擇從葉輪頂部往下2.5 mm.在切削參數(shù)中，加工后余量均為0，刀具沿部件斜進(jìn)刀，斜坡角為5°，所得刀具路徑如圖2(e)所示.

(2)流道精加工 流道精加工設(shè)置與半精加工設(shè)置大致相同.驅(qū)動(dòng)方法中步距最大距離0.1mm.切削參數(shù)為葉片余量0.4 mm，葉轂余量0，其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(f)所示.

(3)葉片精加工 葉片精加工設(shè)置與葉片半精加工設(shè)置類似.切削層每刀的深度距離0.1 mm，切削參數(shù)余量0，其余默認(rèn).所得刀具路徑如圖2(g).

(4)圓角精加工 選擇圓角精加工模塊，刀具選擇D4R2錐度2°，為了保證葉根圓角、葉片及輪轂之間相接面光順，設(shè)置刀路在輪轂和葉片上各偏置0.2、0.3.步距設(shè)為0.1 mm，其余默認(rèn).所得刀路如圖2(h).

1.3 后置處理

本次實(shí)驗(yàn)采用的是SIEMENS840D系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)UG后處理器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，得到符合機(jī)床及系統(tǒng)的后置處理文件，從而生成NC代碼.如圖3為流道精加工程序.

圖3 NC代碼

2 VERICUT加工仿真

VERICUT可以根據(jù)需求建立與實(shí)際加工一致的控制文件、機(jī)床模型，并且可以導(dǎo)入加工所用工件和毛坯的模型文件.在加工仿真過(guò)程中對(duì)刀具路徑和切削狀態(tài)進(jìn)行交互式模擬，加工過(guò)后可以準(zhǔn)確的檢驗(yàn)工件精度及NC代碼，獲得理想結(jié)果[6].

(1)導(dǎo)入控制系統(tǒng).VERICUT可多個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，諸如FANUC，SIEMENS, HEIDENHAIN等.本此實(shí)驗(yàn)選擇系統(tǒng)為SIEMENS840D.打開(kāi)VERICUT7.4.1，創(chuàng)建“新毫米項(xiàng)目”，在“控制”中添加SIEMENS840D系統(tǒng)即可.

(2)導(dǎo)入機(jī)床、模型和毛坯.VERICUT自帶多種類型機(jī)床，本次仿真所用機(jī)床為dmg_mori_nmv1500.在“工位1”下面的機(jī)床添加機(jī)床“dmg_mori_nmv1500”.將事先保存好的毛坯及模型的“STL”文件分別導(dǎo)入至“Fixture”下面的“Stock”和“Design”中.

(3)建立坐標(biāo)系.點(diǎn)擊“坐標(biāo)系統(tǒng)”，進(jìn)而“添加新的坐標(biāo)系”，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等方式可以將坐標(biāo)系移動(dòng)到指定的位置(即加工坐標(biāo)原點(diǎn)).

(4)G代碼偏置.此設(shè)置即為實(shí)際加工的對(duì)刀環(huán)節(jié)，如若設(shè)置有偏差則會(huì)影響加工仿真的效果.點(diǎn)擊“G代碼偏置”，將“偏置名”改為“基礎(chǔ)工作偏置”，其余默認(rèn)，點(diǎn)擊添加.選擇從“組件”到“坐標(biāo)原點(diǎn)”，相應(yīng)的名字分別改為“Tool”和“Csys1”即可.

(5)添加刀具.右鍵點(diǎn)擊“加工刀具”，進(jìn)入“刀具管理器”，創(chuàng)建本次加工所需刀具.在此可以對(duì)刀具的切削部分、刀桿、刀柄進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置并保存，保證加工仿真正確無(wú)誤.

(6)添加數(shù)控程序.右鍵“數(shù)控程序”，點(diǎn)擊“添加數(shù)控程序文件”，將事先保存好的程序文件導(dǎo)入“數(shù)控程序”中，順序按照粗-半精-精加工依次導(dǎo)入.完成加工仿真前期準(zhǔn)備.

(7)仿真結(jié)果.點(diǎn)擊右側(cè)“仿真至末端”按鈕，通過(guò)左側(cè)條形框可設(shè)置仿真速度，開(kāi)始整體式葉輪數(shù)控加工仿真，仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 整體葉輪VERICUT仿真結(jié)果

3 整體式葉輪實(shí)際加工結(jié)果

本次葉輪加工所用的實(shí)際機(jī)床為北京精雕科技的SmartCNC500型號(hào)五軸加工中心.具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先將之前經(jīng)過(guò)仿真后得到的葉輪各加工工序的加工程序，傳入到加工中心，然后進(jìn)行毛坯安裝、找正、對(duì)刀等工作后，啟動(dòng)機(jī)床對(duì)整體葉輪進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，加工過(guò)程和粗、精加工結(jié)果如圖5所示.

圖5 實(shí)際加工過(guò)程和結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)整體式葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)的分析，制定了合理的數(shù)控加工工藝規(guī)劃，并利用UG8.0葉輪加工模塊生成五軸加工程序，敘述了葉輪加工模塊及其子模塊編程的一般方法和步驟，為了在實(shí)際加工前驗(yàn)證程序的合理性，利用了VERICUT數(shù)控仿真系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行仿真，進(jìn)而保證了程序的準(zhǔn)確性.隨后進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，得到了滿意的結(jié)果.相信隨著UG軟件版本不斷跟新，功能不斷提升，整體式葉輪五軸加工工藝安排會(huì)更加合理，葉輪的質(zhì)量和精度也會(huì)得到更大的提升.

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Study of Five-Axis CNC Machining for Integral Impeller based on UG8.0

WEI Yan1, HAN Xu1, LAN Hai2, YAN Changhgang1

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Dalian Innovation Manufacture Company, Dalian 116028, China)

According to the analysis of the structural characteristics and the processing difficulties of integral impeller, the NC machining process was arranged reasonably. By using impeller machining module of UG8.0 for tool path planning, the NC programs was generated. In order to ensure the rationality of the programs, and the NC simulation software of VERICUT was used to simulate the programs, and the NC programs of meeting the requirements of actual processing was obtained. Finally the impeller was processed on the machine, then the feasibility and correctness of the impeller machining process was verified.

integral impeller; processing；UG8.0; VERICUT

1673- 9590(2016)06- 0099- 04

2016-04-11

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602139)

魏巖(1962-)，女，講師，學(xué)士，主要從事數(shù)控及數(shù)字化制造技術(shù)方面的研究

A

E- mail:weiyan15998426621@126.com.