曲面UV方向優化在UG多軸數控編程中的應用

劉輝

摘要：本文對曲面參數方程中空間坐標與曲紋坐標進行研究，分析了曲線網與曲面的結構關系，在UG NX軟件中完成了葉輪軸輪轂面UV交叉曲線再提取，重新構建UV方向優化的參數化曲面。以該曲面為驅動體，實現了葉輪軸四軸加工工藝的設計和銑削刀路優化，完成了葉輪軸的實際加工，提升了輪轂面銑削質量，能夠提高葉輪軸的使用性能。

關鍵詞：曲面方程;UV方向;多軸加工;刀路優化

0 ?引言

西門子公司的UG NX系列軟件在零件數控加工編程領域提供了多種CAM加工策略，具有強大的軌跡運算和刀路優化功能，在產品加工、模具加工、復雜部件多軸聯動加工領域得到廣泛應用。隨著《中國制造2025》的推進和供給側結構性改革的不管深化，行業對機械制造產品提出更高的要求，傳統的數控加工正朝著多軸化不斷邁進。然而，受限于設備一次性投入成本限制，直接上馬五軸聯動加工中心帶來較大的資金壓力。當前，三軸數控加工中心因其經濟實惠，維護使用成本低、技術成熟等優點，在企業和院校保有量巨大。通過開通數控系統的第四軸功能，加裝A/B軸伺服回轉工作臺，實現四軸聯動技術手段成熟，已成為獲得多軸機床的首選方案。雖然在零件加工的復雜程度和刀軸控制上不及五軸機床，在細長軸回轉銑削、鍵槽花鍵銑削、葉片銑削、一般葉輪加工仍有較高應用價值。UG NX軟件的多軸加工策略多數針對五軸復雜零件加工場景，對四軸加工局限較多，刀路往往不甚理想。本文提出以構建合理的曲面UV方向為途徑，實現四軸零件的刀路優化加工。

1 ?曲面UV方向

曲面上一點P的笛卡爾直角坐標（x，y，z）可表示為：

D中元素經映射構成空間R3中的曲面S，（u，v）為曲面S的參數[1]，式（1）為S的坐標式參數方程。（u，v）通常稱為曲面的曲紋坐標，（x，y，z）為曲面上點的空間坐標。

兩族曲線構成曲面上的UV曲線網，曲面由這些曲線網交織而成。對同一曲面，曲面的參數方程不是唯一的，可以由不同的（u，v）參數來表達，也就是曲面可以基于不同的曲線網組成，形成曲面差異化的UV方向。

2 ?UV方向構建方法

以某型葉輪軸為例，輪轂部分銑削要求刀具軌跡符合區域特征形狀，驅動曲面UV方向與區域變化方向一致[2]，以滿足零件運行狀態下的使用要求。基于UG NX12軟件建立葉輪軸參數化模型，在多個葉片陣列中選取其中一個輪轂區域，抽取特征曲線作為區域邊界，同時也是曲面參數方程的收斂邊界，如圖1所示。

使用“通過曲線網格”命令，選擇主曲線1、2以及交叉曲線1、2，主線串、交叉線串與輪轂面設置連續性G1相切關系，構建網格曲面。此時新建曲面與輪轂表面貼合，最大間隙0.012mm，模型精度滿足輪轂曲面銑削精度要求，曲面UV方向如圖2所示。

3 ?葉輪軸輪轂區域四軸銑削加工

3.1 葉輪軸輪轂加工工藝分析

毛坯選擇45#鋼棒料，車削預加工至葉輪軸包圍尺寸，轉入四軸加工中心銑削。A軸轉臺配置三爪自定心卡盤及尾座，采用“一夾一頂”的裝夾方式[3]， 右端夾持在卡盤上，左端使用固定頂尖支承，裝夾方法安全可靠，能夠承受粗、精加工較大切削力。根據葉輪軸零件尺寸，充分考慮剩余材料的殘留高度及精加工余量的均勻度，選用D8四刃整體硬質合金立銑刀粗加工，D4R2球頭銑刀用作精加工刀具。切削速度計算公式可表示為：

式中：Vc——切削速度，m/min;

d——銑削刀具有效直徑，mm;

n——主軸轉速，rpm。

采用高速加工思路，設定切削速度為150m/min，代入式（2）并結合實際加工經驗和刀具性能、主軸限速等，確定粗精加工轉速為6000rpm。進給速度計算公式可表示為：

式中：Vf——進給速度，mm/min;

fz——每齒進給量，mm;

z——銑刀齒數。

根據葉輪軸表面質量要求、工件材質、刀具性能并結合實際加工經驗設定粗加工fz=0.1mm，精加工fz=0.05mm，代入式（3）計算出粗加工進給速度2400mm/min，精加工進給速度1200mm/min。

3.2 刀路生成與優化

粗加工采取“3+1”定向開粗的方式，即A軸只分度，不與XYZ三軸聯動，通過調整優化刀軸矢量方向提供盡可能開放的銑削空間[4]。同時A軸在鎖定狀態夾持系統總體剛性好，能夠承受粗加工較大的切削力，保證銑削過程穩定進行。基于UG NX12加工模塊，粗加工采取三軸“型腔銑”加工模板，深度分層銑削，層高1mm，行距為刀具直徑70%，“跟隨周邊”切削模式，側面和底面余量0.2mm，光順所有刀路拐角，優化進退刀方式。由于只針對其中一個輪轂區域加工，在幾何體中指定修剪邊界，去除多余刀路，避免刀具與工件其他區域、卡爪發生干涉，減少空刀等影響加工效率的因素。

精加工采取四軸聯動的方式，利用A軸回轉去除銑削死角，保證輪轂曲面加工的完整度和表面質量。在UG NX12加工模塊中調用“可變輪廓銑”加工模板[5]，“曲面區域”驅動方法，選擇上述創建的網格曲面為驅動體，刀具位置與驅動體相切，調整好切削方向和材料方向，設置“往復”切削模式，根據產品要求，控制最大殘余高度不超過0.02mm，確保曲面加工精度和表面粗糙度，如圖3所示。采用“遠離直線”的刀軸控制方式，以刀軸為投影矢量，優化進退刀，確保刀路無干涉，如圖4所示。從生成的精加工刀路可以看出，刀具移動軌跡與前述構建的UV曲面方向完全一致，滿足區域特征和曲面走向對銑削刀具軌跡的要求，如圖5所示。

3.3 加工驗證

加工測試平臺使用漢川機床XH715D四軸立式加工中心，搭配FANUC 0i Mate-MD數控系統，配置8000rpm串行主軸，A軸回轉工作臺最小分割精度0.001°，重復定位精度4″，最大轉速22.2rpm，氣壓剎車扭矩47kg·m，平臺滿足葉輪軸零件加工工藝要求。按照前述加工工藝和切削用量，刀路經UG四軸后處理生成銑削程序并導入機床，順利完成葉輪軸試加工，結果如圖6所示，達到預期效果，通過檢驗產品精度滿足要求。

4 ?常用刀軌優缺點比較

基于UG NX12軟件，該型葉輪軸零件使用“旋轉底面加工”、未經曲面UV方向優化的“可變輪廓銑”生成刀路，經過與前述刀軌分析比較，得出優缺點如表1。

5 ?結束語

曲面參數方程可以由不同UV參數表達，UV曲線相互交織構成曲面內部框架。通過對切削區域形狀、技術要求、工作環境的深入研究，采用恰當的建模手段構建UV方向合理的切削區曲面作為驅動體，生成多軸加工優化刀路并加工出合格的產品。相比較UG NX軟件中未經UV方向優化的加工策略，優化后的刀具軌跡更加符合產品對數控銑削加工的要求，降低后續表面處理工作量，進一步提升了產品的使用性能，也為曲面幾何理論在多軸數控加工中的應用提供了一定思路。

參考文獻：

[1]彭家貴，陳卿.微分幾何[M].北京：高等教育出版社，2002：31-32.

[2]武芃樾，劉桃蘭，成均，等.基于掃掠驅動面的動葉輪葉片銑削工藝[J].制造技術與機床，2019（7）：81-84.

[3]曹著明，馮志新，顧春光，等.某凸輥復雜零件多軸加工研究[J].制造技術與機床，2019（4）：87-91.

[4]楊建中，王充，陳吉紅，等.航空增壓器葉輪多軸高效加工工藝與仿真優化[J].機械工程與自動化，2016（2）：4-7.

[5]王俊英，李斌，張丹.汽輪機葉片多軸加工工藝與檢測技術的研究[J].機床與液壓，2017，45（14）：64-66.