螺旋葉片的五軸數控加工與仿真研究

吉中帥 趙盛威 臧劍波 陳俊羽 徐顧自 崔陽晨 代韓棟

（無錫職業技術學院 機械技術學院，無錫 214121）

隨著現代科學技術的發展，機械行業隨之迅速發展，加工出的零件形狀變得復雜多樣，傳統的加工設備已無法滿足現階段的加工需求，因此傳統的機械加工設備已漸漸淡出人們的視線，涌現出更加先進的加工設備。熟練掌握計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技術是能夠操作這類設備的關鍵[1]。掌握好多軸加工技術既能避免二次裝夾的誤差，也能減少加工時間，提高生產效率[2]。可見，熟練掌握CAM技術和多軸加工技術，對我國進入工業制造強國具有里程碑意義。

1 螺旋葉片的五軸加工工藝

1.1 工藝分析

工件材料設定為鋁合金6061。該工件由柱狀體、凸臺、螺旋葉片、凹型槽、孔、平面和曲面構成[3]。工件上半部分屬于錐度葉輪，且由于葉輪是五軸加工中的難點，而NX軟件中有葉輪模塊，因此加工錐度葉輪時使用NX軟件中葉輪模塊建模可以降低編程的難度。

根據上述分析可知，如在三軸數控加工機床上加工該零件，需多次裝夾才能完成加工，從而增加了加工成本、延長了加工時間，并產生了多次裝夾所造成的裝夾誤差和重復定位誤差等。

1.2 工件毛坯

工件最大圓柱包容體所需要的尺寸為Φ78 mm× 108 mm。為防止加工時對刀帶來誤差，毛坯應選以工件最大外輪廓尺寸為底面直徑的圓柱，因此所需要的毛坯為Φ80 mm×110 mm的圓柱棒料，如圖1所示。

1.3 裝夾方案

采用三爪卡片夾具進行工件的定位與夾緊。機床為HZ-5AXIS，特點是AC軸適用于加工復雜的曲面工件，加工本零件Z軸行程不夠，需要墊高三爪卡盤，同時能保證C軸與工作臺有較大的安全距離。

1.4 加工工藝

依據上述的分析步驟，設計該產品的加工工藝參數，見表1。

表1 螺旋葉片的加工工藝參數

2 螺旋葉片的CAM編程

在制定出加工工藝路線后，需要對待加工工件進行刀具加工工藝路線的編制。優異的刀具加工工藝路線既能夠保證加工工件擁有較好的表面質量，又能提高加工工件的加工效率。此外，在UG中編制螺旋葉片的刀具加工工藝路線。

2.1 刀具粗加工工藝路線的編制

對該加工工件進行粗加工，是需要在粗加工過程中切削大量的加工工件材料。該工件粗加工過程可分為二夾輔助面、底座開粗和三軸定軸開粗等[4]。采用NX軟件中“型腔銑”編制底座開粗的刀路軌跡，如圖2所示。

2.2 刀具半精加工工藝路線的編制

對該加工工件進行半精加工，是為了能夠進一步切削經過粗加工后殘留下的工件余量，使該加工工件的加工余量均勻。該工件半精加工過程可分為底座底面半精、四軸定軸側壁半精和中間圓柱凹陷曲面半精兩處等。采用NX軟件中“底壁銑”工序編制底座底面半精的刀路軌跡，如圖3所示。

2.3 刀具精加工工藝路線的編制

對螺旋葉片進行精加工，該加工過程采用NX軟件中的“葉片精加工”“固定輪廓銑”與“可變輪廓銑”工序，為葉片曲面和底座編制精加工刀路軌跡，如圖4所示。

3 螺旋葉片的VERICUT軟件加工仿真

VERICUT軟件是一種具有實用價值的NC仿真工具，可以反映加工過程中刀具、毛坯、夾具和軸的移動狀態，從而避免加工過程中產生的碰撞、干涉、過切等問題[5]，并通過NC優化編程來優化螺旋葉片的加工速度和加工后的螺旋葉片表面質量。

在VERICUT工作環境下建立HZ-5AXIS五軸坐標NC模擬系統，對NX推導的螺旋葉片NC編程進行了模擬和編程，并給出了相應的計算步驟。

3.1 HZ-5AXIS五軸數控仿真平臺的構建

搭建HZ-5AXIS機床的數控模擬平臺，需要做到以下4個步驟。

（1）構建數控加工機床的幾何模型。在NX軟件工作環境中，先構造HZ-5AXIS機床的各個零部件的模型，然后依次進行裝配。

（2）構建機床運動學模型。在VERICUT工作環境下構造HZ-5AXIS機床的數控模擬平臺的運動模型，既需要明確知道待加工的有螺旋葉片的工件的各加工組件相互之間的運動學關系，又要依據五軸數控加工機床HZ-5AXIS的運動形式確定其兩大運動學傳動鏈，如圖5所示。

依據機床的運動學關系，在VERICUT工作環境中，先依次一一導入運動學傳動鏈中所涉及的各加工組件，包括機床床身、3個公共直線軸（X軸、Y軸和Z軸）、2個旋轉軸（A軸和C軸）、主軸、刀具、夾具、工件和毛坯等，再一一導入與之相對應的待加工工件的各部分組件模型文件。

（3）依據五軸數控機床相配套的控制系統文件，選擇與HZ-5AXIS相匹配的數控系統。

（4）設定五軸數控機床基本參數，也就是五軸數控機床起點、沖程限制和沖突探測等。

3.2 螺旋葉片的仿真加工

HZ-5AXIS五軸數控模擬平臺搭建完成后，在對螺旋葉片進行加工仿真驗證時需要做到以下方面：

（1）在VERICUT工作環境下，建立待加工的螺旋葉片的加工刀具庫和所需的加工坐標系；

（2）采用NX后處理工藝的NC數控加工程序，并一一導入加工毛坯和螺旋葉片配套對應的夾具模型文件；

（3）驗證NX后處理工藝的NC數控加工程序的正確性。

先進行模型重置，然后點擊“仿真到末端”，仿真完成后，模型如圖6所示。模型顏色顯示，沒有過切、少切現象。

4 結語

首先，合理利用五軸定向加工命令，分別采用型腔銑、平面輪廓銑等工序方法進行開粗加工工序的程序編制；其次，分析討論了零件頭部螺旋葉片的加工方式，并得出了對于加工螺旋葉片時可以使用葉輪模塊簡化螺旋葉片加工過程的結論；最后，采用數字孿生技術進行1∶1對照，可實現加工前的預知，使編程、仿真、加工形成一個閉環。