基于UG CAM的發動機葉片數控加工編程的研究

劉婧 石皋蓮 崔勇

摘要：以某型發動機葉片為研究對象，對該零件進行結構加工工藝分析，制定合理的加工工藝卡，利用UG NX軟件的CAM功能實現了該零件的數控編程和仿真加工，通過虛擬加工過程仿真檢查刀具與工件間的過切和欠切，刀具、零件之間的干涉現象，得到了正確的刀路軌跡以及用于加工的數控NC程序和后處理文檔。提高了工作效率，降低了生產成本，并為此類零件數控程序的編制提供了參考依據。

關鍵詞：葉片;UG CAM;多軸加工

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0250-02

發動機葉片由于用途不同、所處的環境不同導致其大小不同，但是所有的葉片都很薄，加工時容易變形。為了保證葉片能在極端環境下穩定長時間工作，其生產往往采用鍛造后再數控銑進行精加工。數控銑采用多軸聯動銑削，裝夾簡單方便并且加工后的變形很小。

UG NX軟件的CAM模塊可以在實體模型上直接生成加工程序，并保持與實體模型全相關，用戶可以在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運動的情況并可對其進行修改。該模塊修改靈活，能夠有效地解決復雜零件數控加工手動編程效率低、可靠性差等問題。圖1所示是利用UG NX軟件進行CAM編程的一般步驟。

本文以某型發動機葉片為例，詳細介紹了利用UG NX軟件進行數控編程和仿真加工的具體過程，具有一定的參考價值。

1 零件UG CAM編程

1.1 加工工藝分析

該零件的加工內容主要包括葉片頂面、側面，葉根面和底座，粗糙度要求Ra3.2。零件毛坯為航空鋁材，毛坯采用鍛造成形，底座側面已經加工到位，其他面留有2mm余量。采用平口鉗將零件毛坯裝夾在立式五軸聯動機床上，將UG NX CAM編程的程序導入后實現零件的加工。

首先對零件進行幾何分析得到最小內凹圓弧半徑為R3（加工該圓角面時刀具參考半徑不得大于3mm）。

通過分析零件的幾何特征，制定合理的加工工藝方案，確定合適的工藝參數，根據由粗到精的加工原則制定如表1所示的加工工藝表。使用不同型號的銑刀加工該零件至滿足圖紙要求。該葉片高度較高且有內凹面，且較薄，故采用五軸加工可變輪廓銑銑削以減少刀具干涉導致過切與變形。

1.2 編制加工程序

首先設置加工環境。根據工藝分析結果，進入UG軟件加工模塊，對CAM加工環境進行選擇。該零件主要利用UG CAM中的可變輪廓銑功能完成零件的數控加工編程，因此在【加工環境】對話框中選擇相對應的配置【cam general】和設置【mill-multi-axis】。

創建父節點組。創建父節點組是數控加工編程過程中非常重要的環節，在父節點組所做的設置可以自動繼承到子節點中。在編程之前，需要設置工件坐標系、加工坐標系、安全平面等。選擇【幾何視圖】進入【MCS】界面，依次設定加工坐標系、安全平面等。

設置幾何體。雙擊MCS下拉菜單中的WORKPIECE彈出【銑削幾何體】對話框，單擊指定毛坯后的圖標，彈出【毛坯幾何體】對話框，選擇預先在建模模塊創建好的毛坯，完成銑削幾何體的設置。

創建刀具。選擇【機床視圖】單擊【創建刀具】圖標，在“子類型”區域中選擇“mill” 圖標，創建加工中需要用到的三把刀具。

創建工序。（1）創建葉片側面粗加工程序。單擊“創建工序”，在類型中選擇【mill-multi-axis】，工序子類型中選擇“可變輪廓銑”， 在位置程序中選擇“PROGRAM”，刀具選擇“D10R5銑刀”，幾何體選擇“WORKPIECE”，方法選擇“MILL ROUGH”， 名稱輸入“VARIABLE_CONTOUR”單擊“確定”彈出“可變輪廓銑”對話框。因為加工葉片側面時刀具容易與葉根圓角和底座上表面發生干涉導致過切，所以需要指定檢查幾何體，單擊【指定檢查】選擇葉根圓角面和底座上表面為檢查面，同時修改【切削參數】設置中的【安全設置】的退刀檢查安全距離為0.01mm。【驅動方法】選擇“曲面”指定葉片側面為驅動幾何體，【切削模式】選擇“螺旋”，【步距】選擇“數量”，【步距數】指定“50”，單擊“確定”。【投影矢量】選擇“刀軸”，【刀軸】選擇“相對于驅動體”指定“前傾角10”“側傾角45”，按照表1中設置進給和主軸轉速，單擊“生成”，得到葉片側面粗加工刀路如圖2所示。如果提示無法進刀或者生成的刀路錯亂，則需要查看是否“材料側”錯誤或者走刀方向選擇與側傾角配合導致過切。如果“材料側”錯誤導致過切，則單擊【材料反向】箭頭確保箭頭指向零件外部更改。如果走刀方向選擇與側傾角配合導致過切則將“側傾角”數值改為其相反數或者將【切削方向】選擇為之前的相反方向更改。因為“相對于驅動體”允許用戶定義一個向前、向后、向左或向右傾斜的“可變刀軸”。其中“前傾角”定義了刀具沿“刀軌”前傾或后傾的角度。正的“前傾角”的角度值表示刀具相對于“刀軌”方向向前傾斜。“側傾角”定義了刀具沿“刀軌”左傾或右傾的角度。正值將使刀具向右傾斜（按照您所觀察的切削方向），負值將使刀具向左傾斜。

（2）創建葉片側面精加工程序。復制葉片側面粗加工工序，粘貼后更改以下參數：【步距數】改為“300”，【刀具】改為“D5R2.5銑刀”，勾選“相對驅動體”選項下的“應用光順”（光順功能可消除或減少刀軌中的銳刺和滑移，同時還可保持精加工公差），【方法】改為“MILL FINISH”，修改對應的進給和主軸轉速，生成葉片側面精加工刀路。

（3）創建葉根圓角精加工程序。單擊“創建工序”，工序子類型中選擇“可變輪廓銑”，刀具選擇“D4R2銑刀”，方法選擇“MILL FINISH”， 名稱輸入“VARIABLE_CONTOUR-1”單擊“確定”彈出“可變輪廓銑”對話框。單擊【指定檢查】選擇葉片側面和底座上表面（容易發生干涉的面）為檢查面，同時修改【切削參數】設置中的【安全設置】為0.01mm。【驅動方法】選擇“曲面”指定葉根圓角面為驅動幾何體，【切削模式】選擇“螺旋”，【步距】選擇“數量”，【步距數】指定“8”，單擊“確定”。【投影矢量】選擇“刀軸”，【刀軸】選擇“相對于驅動體”指定“前傾角10”“側傾角45”，勾選“應用光順”，按照表1中設置進給和主軸轉速，單擊“生成”，得到葉根圓角精加工刀路如圖3所示。

（4）創建葉片底座上表面精加工程序。單擊“創建工序”，工序子類型中選擇“可變輪廓銑”，名稱輸入“VARIABLE_CONTOUR-2”。單擊【指定部件】選擇葉片底座上表面，單擊【指定檢查】選擇葉片側面和葉根圓角面為檢查面，同時修改【切削參數】設置中的【安全設置】的為0.01mm。【驅動方法】選擇“邊界”，選擇“曲線/邊”模式指定【驅動幾何體】，打開創建邊界對話框，【類型】選擇“封閉的”，【刨】選擇“自動”，【材料側】選擇“外部”，【刀具位置】選擇“相切”，單擊“成鏈”選擇葉片底座上表面外邊緣輪廓線，單擊“創建下一個邊界”將【材料側】更改為 “內部”，單擊“成鏈”選擇葉根圓角面下邊緣輪廓線，完成驅動幾何體的設置，【驅動設置】中【切削模式】選擇“跟隨周邊”，【步距】選擇“殘余高度”并將“最大殘余高度”改為“0.03”完成驅動方法設置。【投影矢量】選擇“指定矢量”選擇“-ZC”，【刀軸】選擇“遠離點”（遠離點允許擁護定義偏離焦點的“可變刀軸”，指定該點后，走刀過程中刀軸矢量方向的反向指向該點），選擇葉片中軸線位于葉片底座下方的一點（0，0，-50），按照表1中設置進給和主軸轉速，單擊“生成”，得到葉片底座上表面精加工刀路如圖4所示。若刀軌出現跳刀現象，可適當調整驅動參數以達到理想效果。

1.3 加工仿真

在UG/CAM 數控編程技術中，加工仿真通過虛擬加工過程仿真檢查刀具與工件間的過切和欠切，刀具、零件之間的干涉現象，得到正確的刀路軌跡。操作簡單，成本低廉。

1.4 后置處理

后置處理是數控加工中的一個重要環節，主要任務是把CAM軟件生成的加工程序文件轉換成特定機床可接受的數控代碼文件。將該文檔導入機床即可進行葉片的加工。

2 總結

本文利用UG NX軟件中的CAM模塊，對發動機葉片進行數控加工編程與仿真，分析零件結構特征及加工工藝方案，合理選擇相應的機床和刀具，自動生成了滿足車間加工的數控加工程序和后處理文檔。通過刀路軌跡和實體模擬仿真，檢查刀具與零件之間可能發生干涉碰撞、過切欠切，及時修改優化加工程序，確保了實際加工過程中數控程序的正確性和可靠性。

通過試驗件的檢測分析，發現該方法具有一定的合理性和準確性，能夠有效提高零件的加工效率。

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【通聯編輯：代影】