基于UG NX的叶轮高速加工技术

李东君

(南京交通职业技术学院机电工程系，江苏南京211188)

高速加工与传统切削加工相比，可以实现极小公差和极小步距加工，提高了功效，获得高质量的表面，简化了工艺流程，特别在模具制造业、薄壁等零件加工中显示了极大的优势。叶轮作为机械传动装置零部件，其设计、加工技术在制造行业中一直是个重要课题。由于零件本身的精度和质量要求很高，型面的加工可直接影响到零件的工作性能，借助UG 软件是实现高效编程加工的有效途径，利用了高速加工技术在提高生产率、减少热变形、精度、表面质量等方面的独特优势。

1 叶轮工艺流程分析

由于叶轮在高速旋转下工作，对零件动平衡及尺寸精度与形位精度要求很高，因此叶轮零件的技术要求包括尺寸、形状、位置、粗糙度等几何方面的高要求，还包括良好表面光顺性、力求叶身表面纹理的统一。统一的流水线是最好的表面纹理，它在一定程度上限制了走刀方向及加工的刀路轨迹。

UGNX 软件加工零件操作流程:叶轮建模→工艺方法→创建程序、几何体、刀具、方法→创建操作:设置驱动、刀轴、投影矢量、切削参数、非切削移动等→生成刀轨→仿真验证→后处理→实际加工。基于叶轮工作特点及技术要求分析，叶轮高速加工工艺流程规划如图1所示，刀具选用及切削参数见表1。

图1 叶轮高速加工工艺流程

表1 加工叶轮采用刀具切削加工参数表

2 叶轮加工技术

2.1 叶轮粗加工

型腔铣是大多数复杂零件粗铣加工主要方式，叶轮粗加工可使用3 轴的型腔铣切削方式进行。

(1)加工前准备

完成叶轮建模后，如图2所示选择“mill_contour”型腔铣加工环境;设置毛坯上面中心为加工坐标系;并依次创建表1 的4 把刀具并命名:T1D10R2、T2D10、T3R3、T4R2，如图3所示;打开“铣削几何体”对话框，分别选定毛坯及部件。

图2 设置型腔粗铣加工环境

图3 设置5 参数刀具

(2)创建型腔铣操作

在“创建操作”对话框中，依次选择子类型“CAVITY_MILL”、程序“NC_PROGRAM”、刀具“T1D10R2”、几何体“WORKPIECE”、方法“MILL_ROUGH”，参数设置如图4所示，注意在选择相关参数时是在前期设置基础上进行的，需保持一致;刀轨参数为“跟随周边”、“%刀具平直”75、“全局每刀深度”1，设置切削参数“策略”为深度优先、选“岛清理”、 “余量”0.5、 “空间范围”中“毛坯”选择“使用3D”、“主轴转速”为12 000、“进给率”为5 000;最后生成刀轨，确认仿真加工，如图5所示。

图4 粗加工操作参数设置

图5 生成粗加工刀轨及仿真加工结果

2.2 叶轮半精加工

半精加工使用5 轴深度加工， “外形轮廓加工”驱动方式，投影矢量为“朝向点”。

在创建操作对话框中需注意选择“mill_multi_axis”类型，其余选择“ZLEVL_5AXIS”、 “PROGRAM”、 “T2R3”、 “WORKPIECE”、 “MILL_ROUGH”，如图6所示;“指定切削区域”为叶轮弧形面和叶片曲面，选择刀轴的倾斜方向为“远离点”，并通过点构造器设置参照点坐标为(0，0，－200)，设置“倾斜角”为50，最大壁高为45;设置刀轨中全局每刀深度为0.5，切削顺序为“深度优先”，设置切削参数“策略”选项卡，设置“在边上延伸”，余量为0.1，主轴速度为15 000，进给率为2 000;最终生成半精加工刀轨，仿真显示，如图7所示。

图6 五轴半精加工操作参数设置

图7 生成叶轮表面五轴半精加工刀轨及仿真加工结果

2.3 叶轮精加工

2.3.1 精加工叶轮内孔和台阶面

在创建操作对话框中，先需选择“mill_contour”类型，并依次设置:“ZLEVL_PROFILE”， “PROGRAM”、“T3D10”、 “WORKPIECE”、 “MILL_FINISH”，指定切削区域为内孔表面;在叶轮内孔与台阶面精加工中，需注意加工参数的设置，设置刀轨中全局每刀深度为0.5，所有刀路、半径为30，步距限制为150，最小拐角0，最大拐角175，“策略”选项卡中，选“在边上延伸”，设置余量0.1，设置“连接”选项卡:沿部件交叉斜进，倾斜角度30，选择“在层之间切削”，步距15，选“短距离移动上的进给”为25，步距为15，主轴速度为8 000，进给率为1 500;最后生成叶轮内孔面精加工刀轨，仿真结果如图8所示。

图8 生成叶轮内孔面精加工刀轨及仿真加工结果

在操作导航器中复制孔精加工操作，选择叶轮的台阶面为操作加工的区域，其余参数不变，最后生成台阶侧面的精加工刀路，如图9所示。

图9 生成叶轮台阶面精加工刀轨及仿真加工结果

2.3.2 精加工叶轮弧形面

叶轮弧形面需划分为若干区域来分别切削，此例分为10片叶片，故分成10 部分。

在创建操作对话框中，根据表面加工特点选“mill_multi_ axis”类型，其余依次选“VARIABLE _ CONTOUR ”，“PROGRAM”、“T4R2”、“MCS_MILL”、 “MILL_FINISH”，设置如图10所示;设置可变轴轮廓部件几何体为全部叶轮弧形面，指定切削区域为分割后的叶轮弧形面之一。

图10 可变轴轮廓操作参数设置

在弧形面精加工中重点是驱动方式的选择，选择驱动为“流线”，重新选择流曲线及添加交叉曲线，如图11所示，设置驱动步距数为20，投影矢量为指定矢量，并选Z 轴，刀轴为垂直于部件或驱动体，主轴速度为8 000，进给率为1 500;最终生成如图12所示叶轮单片弧形面的精加工刀路，用同样办法复制生成其余9 片弧形面的精加工轨迹。

图11 动流线选择

图12 生成叶轮单片弧形面的精加工刀路

2.3.3 叶片精加工

叶片为复杂曲面，其精加工可使用可变轴曲面轮廓铣的“表面积”驱动方式，且投影矢量垂直于驱动体，刀轴为侧刃驱动。在创建操作时，选“mill_multi_axis”类型、刀具使用“T3R2”，指定切削区域选择为单个叶片的曲面，设置叶片上除倒圆角外的其余3 个面为驱动体，注意选择时须依次选择，且选择的面必须依次相连，步距数为30，如图13所示;并设置投影矢量为垂直于驱动体，侧刃驱动体为刀具夹持器的矢量方向，主轴速度为8 000，进给率为1 500，生成叶轮叶片的精加工刀路如图14 示;同理生成其余9 片叶片的精加工轨迹。

图13 叶片驱动方法设置

图14 生成叶片的精加工刀路

2.3.4 清角加工

叶片根部倒圆清角加工，可以使用可变曲面轮廓的“流线”驱动方式来操作，部件几何体和切削区域几何体换成了单个倒圆角面，流线驱动几何体保留程序默认的指定，且加工步距数为10，投影矢量选为垂直于驱动体，刀轴为4 轴，相对于驱动体，并设置前倾角为5，侧倾角为15，生成刀路如图15所示，注意在创建倾角操作时，选择几何体父组对象为MCS_MILL。同理生成其余9 条倒圆清角加工刀路，应用同样方法生成叶片顶面精加工刀路，如图16所示。叶片顶面的精加工也可使用可变轴轮廓铣的表面积驱动。

图15 清角精加工刀路

图16 叶片顶面精加工刀路

2.4 后处理

高速加工设置完成后，在导航器中分别选择不同的加工操作，再通过选择不同后处理器即可输出程序清单，注意在后处理生成程序清单时，单位选择“公制/部件”，如图17所示为生成的型腔粗铣程序清单。

图17 生成型腔铣程序清单

2.5 数控仿真加工验证

为了进一步验证零件的实际加工，在缺乏高速多轴数控机床的条件下，借助于数控仿真软件进行仿真加工验证，此处只验证3 轴粗铣操作，输入程序时需把程序清单的文件格式“ptp”转换为“cnc”，程序首行“G70”指令改为“G54”，并在程序末尾添加“M05”停机床主轴指令。图18所示为数控仿真软件仿真加工结果，仿真加工结果进一步验证了程序的有效性。

图18 应用数控仿真软件3 轴粗铣仿真加工结果

3 结论

选取在实际应用中具有典型复杂形状的叶轮零件进行高速加工设计，详细介绍了基于UG NX7.0/CAM 模块操作流程，通过分析其加工工艺流程与参数设计，首先应用三轴粗铣大部分余量，然后应用五轴进行半精加工，最后通过深度轮廓、可变轴轮廓、清角加工等方法对叶轮零件分部进行精加工，实现了基于软件的快速高效编程，并借助数控仿真加工软件进行验证，证实了程序与仿真过程的真实可靠性，可以直接应用于生产实际。

【1】高长银.UG NX6.0 数控五轴加工实例教程［M］.北京:化学工业出版社，2009.

【2】王卫兵.UG NX5 中文版数控加工案例导航视屏教程［M］.北京:清华大学出版社，2007.

【3】李东君.数控加工技术项目教程［M］.北京:北京大学出版社，2010.

【4】韩思明.UG NX5 中文版编程基础与实践教程［M］.北京:清华大学出版社，2008.

【5】冯明军.基于UG 的整体叶轮高速加工技术应用［J］.北京:中国科技信息，2010(15):129－130.

【6】张士军.UG 设计与加工［M］.北京:机械工业出版社，2009.