基于UG、VERICUT和PRODUCTION MODULE復雜曲面數控加工仿真與優化

張文健 孫星星

摘要：在復雜曲面數控加工中，整體葉輪的加工具有很強的代表性，本文根據整體葉輪的結構特點分析了數控加工工藝路線;通過UG設置刀具走刀軌跡， UG/Post Builder 后置處理器生成NC代碼;運用 VERICUT軟件進行了數控加工仿真;運用Production Module軟件對葉輪加工進行了優化分析。避免了碰撞和干涉、降低生產成本、提高了生產率。

Abstract： In the NC machining of complex curved surface， the machining of integral impeller is very representative. This paper analyzes the NC machining process route according to the structural characteristics of integral impeller. The tool path is set by UG， and the post processor of UG/Post Builder generates NC code. The numerical control machining simulation is carried out by VERICUT software. The Production Module software is used to optimize the impeller processing. Collision and interference are avoided， production cost is reduced， and productivity is improved.

關鍵詞：復雜曲面;葉輪;數控加工;加工仿真;優化

Key words： complex curved surface;impeller;CNC machining;machining simulation;optimization

0? 引言

整體葉輪作為透平機械的核心部分，廣泛應用于水利、汽車、航空、航天等重要領域，涉及空氣動力學、流體力學等多個學科。其結構特點是葉片薄、呈三維彎扭復合結構、葉片間隔小，加工中易發生撞刀、干涉等難題。因此，在加工前利用數控加工仿真軟件進行仿真驗證、利用優化軟件對程序進行優化是很有必要的。[1-5]

本文利用UG NX8.5對整體葉輪葉片、流道等主要部位進行刀具軌跡規劃，通過后置處理器優化生成數控代碼，之后利用VERICUT仿真軟件進行運動仿真，檢查干涉、碰撞等現象，最后運用Production Module軟件對葉輪加工進行優化分析。

1? 葉輪加工工藝

整體葉輪的結構主要由輪轂曲面（也稱為流道曲面）、葉片和葉片根部圓角組成，而葉片曲面由壓力曲面、吸力曲面和包覆曲面構成，如圖1所示。

整體葉輪的葉片是扭轉角度較大的復雜曲面，葉片與流道面之間需要圓角過渡來保證葉片根部的強度。這些結構都會大大增加制造難度，具體分析如下：①葉片曲面扭轉角度大，葉片之間的空間相對較小，加工時刀具方向控制需要特別嚴格，稍有不慎就會發生過切，碰撞等危險。②由于加工空間受限，選用刀具直徑相對較小，加工中易產生刀具震顫和刀具折斷等問題。③葉片較薄，加工過程中容易出現彎曲變形。

為了加工出符合技術要求的整體葉輪，必須全面地分析整體葉輪的結構，對葉片曲面、扭轉角度、過渡圓角等進行認真分析核實，從而制定出合理的加工方案。

1.1 整體葉輪加工工藝分析

整體葉輪需要加工的位置主要劃分為葉片、流道和根部圓角。每部分的加工側重點都有所不同，因此在制定工藝路線時既要保證葉輪的加工質量，又要保證生產效率和經濟節約。通常要遵循基準在先、工序合理、先粗后精、分面加工的工藝原則。

1.1.1 整體葉輪加工工藝階段劃分

根據上述的工藝原則要求，將葉輪的加工劃分為三個階段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是為了盡快地去除葉輪毛坯上多余的大量的材料，加工出葉輪的基本形狀，這個過程注重效率;半精加工是進一步去除余量，生成加工余量比較均勻的葉輪表面，為精加工做準備，這個過程加工效率與加工質量兼顧;精加工是保證零件的加工尺寸和加工精度、粗糙度等完全符合圖紙技術要求。

1.1.2 加工刀具的選擇

首先，采用的銑刀不僅要具有良好的切削性能、排屑和斷屑性能，而且銑刀幾何形狀要適應曲面加工。其次，由于葉片之間的空隙有限，所選用刀桿剛度有要求，否則在加工過程中容易發生震顫，嚴重可導致刀桿折斷。因此，在機床功率、銑頭轉速范圍和機床剛性足夠的條件下，利用仿真軟件采用不同直徑刀具進行計算，盡量采用大直徑刀具以提高加工效率。[6]根據上述工藝原則對刀具做出如下分析：①根據頂部開粗材料去除率大的特點，選用端銑刀進行加工，以提高加工效率;②流道和葉片的加工選用球頭刀;③葉片根部圓角的清根，采用球頭半徑與根部圓角相同，且錐度為2°的球頭錐形刀對葉片根部圓角進行精加工。

1.1.3 整體葉輪的加工工藝路線

根據對葉輪結構、制造難點和整體葉輪加工工藝的分析，本文將采用如下加工工藝路線：①頂部開粗。將葉輪毛坯頂部多余材料去除。②流道開粗。此工序主要是為了去除葉片之間的大部分材料，對加工效率要求高，因此要快速地將多余材料去除，同時要留好葉片粗加工和精加工余量。③葉片的粗加工。粗加工注重加工效率。④流道精加工。葉片加工完成后，需要對流道進行加工。此工序需要注意避免刀軸和已加工好的葉片曲面發生干涉、碰撞。⑤葉片的精加工。精加工注重葉片表面質量和尺寸精度。⑥圓角清根。葉片和輪轂之間的連接部分是圓角過渡，需要對根部圓角進行加工，車間通常把此工序稱為清根。

2? 葉輪數控加工刀具軌跡

根據上述工藝路線，借助UG NX8.5提供的多軸銑削加工模塊生成刀具軌跡，UG NX8.5數控編程流程圖如圖2所示。

根據上述的加工工藝路線，制定葉輪的加工程序，如表1所示。

各加工程序所使用刀具及相關參數如表2所示。

UG軟件操作步驟如下：

①打開UGNX8.5由建模環境進入加工環境，在彈出的“創建幾何體”對話框中“類型”下拉列表框中選擇類型“mill—multi-blade”，如圖3所示。單擊工具條上的“幾何視圖”，在左側的樹形圖上，右擊“workpiece”，選擇“編輯”，彈出“工件”對話框，設置“指定毛坯”、“指定部件”等，如圖4所示。點擊在“workpiece”下的“multi_blade_geom1”，彈出“多葉片幾何體”對話框，完成輪轂、包覆、葉片、根部圓角的設置，如圖5所示。

②創建刀具。單擊工具條上的“創建刀具”，按表2中所列的刀具的參數信息，完成刀具的創建，如圖6所示。

③創建工序。單擊工具條上的“創建工序”，進入“創建工序”對話框，完成各項設置。

④刀軌設置。對“刀軌設置”下各個參數如“切削模式”、“步距”、“切削參數”等進行設置，如圖8所示。

完成各項設置后，生成刀具路徑，仿真如圖9-圖12所示。

3? UG后處理與代碼生成

3.1 運用UG/Post Builder后處理器

UG/Post Builder中需要設置機床、程序和刀軌、NC數據格式、輸出設置、后置處理文件預覽等5項參數。

3.2 運用后處理文件生成NC代碼

將【工序導航器】調制幾何視圖，以流道粗加工為例，進行后處理操作生成NC代碼。流道粗加工NC部分代碼如下：

N130 ;TECHNOLOGY： METHOD

N140 ;TOOL NAME ： BALL10

N150 ;TOOL TYPE ： Milling Tool-Ball Mill

N160 ;TOOL DIAMETER? ? ?： 10.000000

N170 ;TOOL LENGTH? ? ? ?： 40.000000

N180 ;TOOL CORNER RADIUS： 5.000000

……

N740 X-16.73407 Y78.70872 Z22.47822 C6.05533 A-44.98699

N750 X-16.49607 Y78.15932 Z22.68621 C6.05406 A-45.02471

N760 X-16.37476 Y77.88599 Z22.79292 C6.05343 A-45.04361

4? 數控仿真與優化

4.1 VERICUT中進行整體葉輪的加工仿真

搭建虛擬機床，加載機床驅動，利用軟件的建模模塊根據機床的具體情況建立機床各部分的幾何模型，根據機床的運動原理設定機床初始位置。建立各種加工資源，包括刀具庫、添加工件毛坯，幾何模型等，如圖13所示。輸入后置處理得到的NC程序，并配置相應參數。實現加工過程的仿真，通過觀察加工過程，判斷加工情況。根據日志文件的報警情況，修改刀具軌跡。仿真過程如圖14所示。

4.2 Production Module中數控程序的優化

Production Module優化分析可以改進切削力、溫度、負載平衡、降低振動、縮減加工周期，并且優化后的NC程序可以直接進行加工。

4.2.1 對葉輪流道粗加工進行仿真分析

根據生產經驗，設置進給速度1m/min，轉速2000r/min，通過仿真分析得到圖15，圖中受力最大的地方在葉片與輪轂交界處，如圖黑點所示為受力最大（對應圖中刀具位置）。由于在加工時是按層逐步切削，所以最大受力點會循環出現。由于刀具受力產生這種循環波動，會導致切削不穩定，容易引起刀具震顫，影響加工質量。利用Production Module對加工進行優化分析，設置刀具受力峰值為900N得到圖16。圖中紅色線是未進行優化前加工受力曲線，綠色線是優化后受力曲線。可看出，優化后，加工時間由2249.4s縮減到1504.2s，效率提升了33%，而且在整個切削過程中，刀具受力變得均勻，未出現急劇變化的峰值。

4.2.2 對葉片進行加工受力分析

如圖17所示，最大受力點在葉片前緣處，進行優化后切削力變得均勻，見圖18，消除了受力突變峰值，加工過程平穩。

葉片流道優化后程序如下：

N60 DEF REAL _camtolerance

N70 DEF REAL _X_HOME， _Y_HOME， _Z_HOME， _C_HOME， _A_HOME

N80 DEF REAL _F_CUTTING， _F_ENGAGE， _F_RETRACT

……

N680 X-8.06997 Y39.18264 Z72.76718 A-45.04361 C6.05342

N690 X-7.982 Y38.88181 Z72.65366 A-45.06247 C6.05279

N700 X-7.88907 Y38.57821 Z72.54713 A-45.0814 C6.05215

5? 結語

本文以整體葉輪數控加工為例，運用UG NX8.5進行數控加工;運用VERICUT軟件建立虛擬仿真，驗證了程序的正確性，避免了在實際加工中出現碰撞和干涉;運用Production Module軟件對葉輪的加工過程進行受力分析并進行優化，使得加工過程受力更加平穩，縮短加工時間提高了加工效率。此項研究，避免了碰撞和干涉、降低生產成本、提高了生產率，為提高整體葉輪加工水平有著重要意義。

參考文獻：

[1]植田勛.離心式壓縮機三元葉輪加工程序[J].風機技術，1986（6）：49.

[2]孫春華，陳暉，劉華明.復雜曲面整體葉輪CAD/CAM技術研究[J].高技術通訊，2003，13（6）：51-53.

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[5]丁羽鋒，陳德道，馬仲林.基于UG和VERICUT軟件的整體葉輪四軸數控加工與仿真[J].鐵道技術監督，2019（2）：41-45.

[6]楊林建.基于UG的大型水輪機葉片多軸數控加工研究[J].制造技術與機床，2011（10）：136-139.

[7]王磐，白海清，沈鈺.整體葉輪五軸數控加工仿真與優化[J].工具技術，2017，51（07）：67-69.