基于NX與VERICUT轉輪體五軸高效加工方案研究與實踐

王信，劉勇，劉光虎

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644000）

0 引言

隨著工業制造技術的發展和進步，數控加工技術被廣泛應用于各個領域。針對高難度零件的加工，五軸加工技術被廣泛運用于航空航天、模具制造等領域，尤其在葉輪零件的制造中占有重要地位[1]。五軸加工技術可以實現零件在多個角度的切削加工，能夠有效提高零件的加工效率和加工精度。因此，如何提高五軸加工技術的應用水平，提高零件加工精度和效率，成為當前研究的熱點問題之一[2]。本文將介紹一種基于NX和VERICUT的轉輪體零件五軸高效加工方案，旨在提高轉輪體零件的加工效率和加工精度，為提高葉輪類零件的五軸加工效率和加工精度提供實際參考。

1 CAD/CAM預處理

1.1 三維建模

在五軸加工之前，需要進行葉輪零件的CAD/CAM預處理，以確保加工程序的正確性和可靠性[3]。零件圖顯示輪轉體加工特征面包括葉輪、球面、五邊形、孔和刻字等特征。由于葉輪特征具有葉片較薄、葉片間距小和葉片沿軸向均勻對稱分布的特點，加工葉輪特征是轉輪體加工的難點。如果加工順序不合理、刀具選用不當或切削速度過快，都容易造成葉輪加工區域變形。基于零件圖，使用NX軟件將葉輪的CAD圖樣轉化為三維模型，包括葉輪的形狀、結構等信息。通過三維模型可以準確了解轉輪體各個加工特征的位置，有助于加工過程中的順序安排和切削參數選擇。轉輪體零件圖如圖1所示。

圖1 轉輪體零件圖

1.2 加工工藝方案設計

結合NX-CAM模塊與GS200五軸高速機床的優勢，制定適當的切削用量及刀具類型，以提升轉輪體加工的效率與精度，同時延長刀具使用壽命[4]。該加工方式將轉輪體加工分為兩次裝夾加工，毛坯選用φ65 mm×60 mm棒料，夾具選用三爪卡盤。第一次裝夾以棒料外圓作為定位面進行葉輪特征、圓柱特征加工；第二次裝夾則以φ50外圓特征面作為定位基準面，通過三爪卡盤定位夾緊，完成五邊形特征的粗加工和精加工。轉輪體加工工藝如表1所示。

表1 轉輪體數控加工工藝

1.3 NX五軸加工編程設計

1）編程準備。基于NX2206對轉輪體進行五軸數控加工編程設計，進入NX-CAM模塊，按照步驟設置必要參數，包括WCS、幾何體、毛坯和刀具等，為后續編程設計做準備。對于WCS的設置，選用毛坯頂面中心作為“WCS”坐標原點，并選擇“自動平面”作為安全平面選項。設置安全距離為“20.0”。在工件幾何體方面，創建了φ65 mm×60 mm棒料毛坯，并進行相應的選擇，如圖2所示。根據加工工序表，為每個工序創建所需的加工用刀具。

圖2 編程準備

2）創建葉輪、圓柱特征加工策略。NX五軸加工編程可以通過多軸聯動實現復雜零件的一次加工完成，通過自動計算程序實現精細、精確的加工，從而保證產品的質量和精度[5]。葉輪、圓柱特征加工順序為：粗加工→葉輪半精加工→圓柱精加工→葉輪精加工。粗加工選用“mill_contour ”工序，工序子類型選用“型腔銑”，通過移除垂直于固定刀軸的平面切削層中的材料對輪廓形狀進行粗加工。在對材料進行粗加工后，大部分材料已被切除，但葉輪特征由于粗加工刀具直徑較大，粗加工刀具無法完全完成葉輪特征的粗加工，此時需要選用一把較小直徑的刀具完成葉輪特征的半精加工，經半精加工后葉輪特征剩余材料均勻，既能保證刀具切削的穩定性，又能保證葉輪特征面的加工精度[6]。葉輪特征二次開粗前后對比如圖3所示。

圖3 葉輪特征二次開粗

圓柱特征精加工選用“mill_planar”工序，工序子類型選用“2D線框平面輪廓銑處理器”，該銑削工序使用輪廓切削模式生成單刀路和沿部件邊界描繪輪廓的多層平面刀路。在刀具補償中勾選“輸出接觸/跟蹤數據”，在機床加工過程中使用同一程序，通過更改刀具補償值加工工件至尺寸精度要求。葉輪特征精加工選用“mill_multi_blade”葉輪加工模塊，分別對葉輪輪轂、葉片、葉根圓角進行精加工。葉片及輪廓精加工工序參數設置不合理，易造成過切、欠切及精度達不到要求等情況[7]，如圖4（a）所示。在葉片精加工工序中，將每刀切削深度改為“從包覆插補至輪轂”，每刀切削深度為恒定“0.15 mm”，并在“策略”選項中將刀跟沿葉片方法延伸“3.0 mm”，防止葉片根部過切，修正參數后加工效果如圖4（b）所示。

圖4 修改參數精加工葉輪對比圖

3）創建多邊形特征加工策略。多邊形特征加工面有凸臺、凹槽、平面、字等，粗加工選用三軸定軸型腔銑，加工順序為：粗加工→平面精加工→凹槽特征精加工→刻字加工。粗加工選用三軸定軸型腔銑，在去除大部分材料后選用“mill_planar”加工工序，工序子類型選用“不含壁的底面加工”創建平面精加工策略。凹槽特征精加工選用“mill_planar”，工序子類型選用“腔銑”。多邊形特征上的字體是通過草圖曲線和文本繪制，普通的定軸文本加工方法無法選擇文本軌跡，所以加工方法選用“mill_multi_axis”，工序子類型選擇“可變輪廓銑”。指定文字平面為切削區域，部件余量為“-0.2 mm”，驅動方法選擇“曲線/點”，分別選擇加工曲線并確認。每個封閉曲線都必須是單獨的一個驅動組，否則會出現兩封閉曲線連刀過切現象，如圖5所示。

圖5 字體連刀過切

4）NX仿真切削加工。利用NX軟件中的仿真模塊對切削加工過程進行模擬和仿真，以驗證刀具路徑和切削策略的正確性、合理性和安全性。可以從視覺上展示加工路徑、切削參數、刀具形狀和切屑形態等信息，及時發現并糾正潛在的問題。轉輪體仿真加工效果如圖6所示。

圖6 NX轉輪體仿真加工效果

2 VERICUT虛擬加工仿真

為了保證加工程序的正確性和安全性，必須對加工程序進行虛擬加工仿真。本文VERICUT虛擬加工系統進行轉輪體的仿真驗證。VERICUT虛擬加工系統可以精確模擬實際的加工情況，并進行優化，確保加工程序的正確性和效率[8]。仿真驗證的過程如下：1）導入加工程序。將由NX 軟件生成的加工程序導入到VERICUT虛擬加工系統中。2）建立虛擬機床。根據實際的機床參數，建立相應的虛擬機床。3）設置工藝參數。根據加工材料、刀具等參數，設置加工工藝參數。4）模擬加工過程。通過VERICUT虛擬加工系統，模擬轉輪體零件的加工過程，并進行刀具軌跡優化。5）仿真驗證。對加工過程進行仿真驗證，以確保加工程序的正確性、效率和安全性。

通過上述仿真驗證，可以保障五軸加工的加工效率和加工精度。仿真結果清晰直觀，可以快速發現加工程序中可能存在的問題，并進行優化解決[9]。VERICUT虛擬加工仿真過程如圖7所示。

圖7 VERICUT虛擬加工仿真過程

3 GS200五軸高速機床試切加工

完成CAD/CAM預處理和虛擬仿真驗證后，即可使用GS200五軸加工中心進行實際的加工操作。GS200數控機床具有功能較全面的特點，可銑削、鏜削、鉆削和螺紋加工等多種工序，一次裝夾可實現多個面的多種工序的自動、高效、高精度連續加工，被廣泛應用于3C、航空、航天、能源、電動機、精密器械、高精醫療等行業[10]，GS200五軸機床如圖8所示。在GS200機床上對零件進行試切加工，加工結果如圖9所示。經精度測量驗證，使用NX-CAM軟件編制程序和加工路徑，并進行仿真加工后，與實際加工出的零件結果一致，零件精度符合零件圖樣的要求。

圖8 GS200 五軸加工中心

圖9 零件加工結果

4 結論

通過實際的加工實驗，本文驗證了基于NX和VERICUT 的轉輪體零件五軸高效加工方案的可行性。實驗結果表明，在優化后的加工程序的控制下，葉輪零件的加工效率和加工精度得到了明顯提高。這是因為基于NX 和VERICUT的葉輪零件五軸高效加工方案充分發揮了CAD/CAM預處理和虛擬仿真驗證的優勢，確保了加工程序的正確性和安全性，從而提高了葉輪零件的加工效率和加工精度。