基于UG、VERICUT和PRODUCTION MODULE复杂曲面数控加工仿真与优化

张文健 孙星星

摘要：在复杂曲面数控加工中，整体叶轮的加工具有很强的代表性，本文根据整体叶轮的结构特点分析了数控加工工艺路线;通过UG设置刀具走刀轨迹， UG/Post Builder 后置处理器生成NC代码;运用 VERICUT软件进行了数控加工仿真;运用Production Module软件对叶轮加工进行了优化分析。避免了碰撞和干涉、降低生产成本、提高了生产率。

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.

关键词：复杂曲面;叶轮;数控加工;加工仿真;优化

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

0  引言

整体叶轮作为透平机械的核心部分，广泛应用于水利、汽车、航空、航天等重要领域，涉及空气动力学、流体力学等多个学科。其结构特点是叶片薄、呈三维弯扭復合结构、叶片间隔小，加工中易发生撞刀、干涉等难题。因此，在加工前利用数控加工仿真软件进行仿真验证、利用优化软件对程序进行优化是很有必要的。[1-5]

本文利用UG NX8.5对整体叶轮叶片、流道等主要部位进行刀具轨迹规划，通过后置处理器优化生成数控代码，之后利用VERICUT仿真软件进行运动仿真，检查干涉、碰撞等现象，最后运用Production Module软件对叶轮加工进行优化分析。

1  叶轮加工工艺

整体叶轮的结构主要由轮毂曲面（也称为流道曲面）、叶片和叶片根部圆角组成，而叶片曲面由压力曲面、吸力曲面和包覆曲面构成，如图1所示。

整体叶轮的叶片是扭转角度较大的复杂曲面，叶片与流道面之间需要圆角过渡来保证叶片根部的强度。这些结构都会大大增加制造难度，具体分析如下：①叶片曲面扭转角度大，叶片之间的空间相对较小，加工时刀具方向控制需要特别严格，稍有不慎就会发生过切，碰撞等危险。②由于加工空间受限，选用刀具直径相对较小，加工中易产生刀具震颤和刀具折断等问题。③叶片较薄，加工过程中容易出现弯曲变形。

为了加工出符合技术要求的整体叶轮，必须全面地分析整体叶轮的结构，对叶片曲面、扭转角度、过渡圆角等进行认真分析核实，从而制定出合理的加工方案。

1.1 整体叶轮加工工艺分析

整体叶轮需要加工的位置主要划分为叶片、流道和根部圆角。每部分的加工侧重点都有所不同，因此在制定工艺路线时既要保证叶轮的加工质量，又要保证生产效率和经济节约。通常要遵循基准在先、工序合理、先粗后精、分面加工的工艺原则。

1.1.1 整体叶轮加工工艺阶段划分

根据上述的工艺原则要求，将叶轮的加工划分为三个阶段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是为了尽快地去除叶轮毛坯上多余的大量的材料，加工出叶轮的基本形状，这个过程注重效率;半精加工是进一步去除余量，生成加工余量比较均匀的叶轮表面，为精加工做准备，这个过程加工效率与加工质量兼顾;精加工是保证零件的加工尺寸和加工精度、粗糙度等完全符合图纸技术要求。

1.1.2 加工刀具的选择

首先，采用的铣刀不仅要具有良好的切削性能、排屑和断屑性能，而且铣刀几何形状要适应曲面加工。其次，由于叶片之间的空隙有限，所选用刀杆刚度有要求，否则在加工过程中容易发生震颤，严重可导致刀杆折断。因此，在机床功率、铣头转速范围和机床刚性足够的条件下，利用仿真软件采用不同直径刀具进行计算，尽量采用大直径刀具以提高加工效率。[6]根据上述工艺原则对刀具做出如下分析：①根据顶部开粗材料去除率大的特点，选用端铣刀进行加工，以提高加工效率;②流道和叶片的加工选用球头刀;③叶片根部圆角的清根，采用球头半径与根部圆角相同，且锥度为2°的球头锥形刀对叶片根部圆角进行精加工。

1.1.3 整体叶轮的加工工艺路线

根据对叶轮结构、制造难点和整体叶轮加工工艺的分析，本文将采用如下加工工艺路线：①顶部开粗。将叶轮毛坯顶部多余材料去除。②流道开粗。此工序主要是为了去除叶片之间的大部分材料，对加工效率要求高，因此要快速地将多余材料去除，同时要留好叶片粗加工和精加工余量。③叶片的粗加工。粗加工注重加工效率。④流道精加工。叶片加工完成后，需要对流道进行加工。此工序需要注意避免刀轴和已加工好的叶片曲面发生干涉、碰撞。⑤叶片的精加工。精加工注重叶片表面质量和尺寸精度。⑥圆角清根。叶片和轮毂之间的连接部分是圆角过渡，需要对根部圆角进行加工，车间通常把此工序称为清根。

2  叶轮数控加工刀具轨迹

根据上述工艺路线，借助UG NX8.5提供的多轴铣削加工模块生成刀具轨迹，UG NX8.5数控编程流程图如图2所示。

根据上述的加工工艺路线，制定叶轮的加工程序，如表1所示。

各加工程序所使用刀具及相关参数如表2所示。

UG软件操作步骤如下：

①打开UGNX8.5由建模环境进入加工环境，在弹出的“创建几何体”对话框中“类型”下拉列表框中选择类型“mill—multi-blade”，如图3所示。单击工具条上的“几何视图”，在左侧的树形图上，右击“workpiece”，选择“编辑”，弹出“工件”对话框，设置“指定毛坯”、“指定部件”等，如图4所示。点击在“workpiece”下的“multi_blade_geom1”，弹出“多叶片几何体”对话框，完成轮毂、包覆、叶片、根部圆角的设置，如图5所示。

②创建刀具。单击工具条上的“创建刀具”，按表2中所列的刀具的参数信息，完成刀具的创建，如图6所示。

③创建工序。单击工具条上的“创建工序”，进入“创建工序”对话框，完成各项设置。

④刀轨设置。对“刀轨设置”下各个参数如“切削模式”、“步距”、“切削参数”等进行设置，如图8所示。

完成各项设置后，生成刀具路径，仿真如图9-图12所示。

3  UG后处理与代码生成

3.1 运用UG/Post Builder后处理器

UG/Post Builder中需要设置机床、程序和刀轨、NC数据格式、输出设置、后置处理文件预览等5项参数。

3.2 运用后处理文件生成NC代码

将【工序导航器】调制几何视图，以流道粗加工为例，进行后处理操作生成NC代码。流道粗加工NC部分代码如下：

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  数控仿真与优化

4.1 VERICUT中进行整体叶轮的加工仿真

搭建虚拟机床，加载机床驱动，利用软件的建模模块根据机床的具体情况建立机床各部分的几何模型，根据机床的运动原理设定机床初始位置。建立各种加工资源，包括刀具库、添加工件毛坯，几何模型等，如图13所示。输入后置处理得到的NC程序，并配置相应参数。实现加工过程的仿真，通过观察加工过程，判断加工情况。根据日志文件的报警情况，修改刀具轨迹。仿真过程如图14所示。

4.2 Production Module中数控程序的优化

Production Module优化分析可以改进切削力、温度、负载平衡、降低振动、缩减加工周期，并且优化后的NC程序可以直接进行加工。

4.2.1 对叶轮流道粗加工进行仿真分析

根据生产经验，设置进给速度1m/min，转速2000r/min，通过仿真分析得到图15，图中受力最大的地方在葉片与轮毂交界处，如图黑点所示为受力最大（对应图中刀具位置）。由于在加工时是按层逐步切削，所以最大受力点会循环出现。由于刀具受力产生这种循环波动，会导致切削不稳定，容易引起刀具震颤，影响加工质量。利用Production Module对加工进行优化分析，设置刀具受力峰值为900N得到图16。图中红色线是未进行优化前加工受力曲线，绿色线是优化后受力曲线。可看出，优化后，加工时间由2249.4s缩减到1504.2s，效率提升了33%，而且在整个切削过程中，刀具受力变得均匀，未出现急剧变化的峰值。

4.2.2 对叶片进行加工受力分析

如图17所示，最大受力点在叶片前缘处，进行优化后切削力变得均匀，见图18，消除了受力突变峰值，加工过程平稳。

叶片流道优化后程序如下：

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  结语

本文以整体叶轮数控加工为例，运用UG NX8.5进行数控加工;运用VERICUT软件建立虚拟仿真，验证了程序的正确性，避免了在实际加工中出现碰撞和干涉;运用Production Module软件对叶轮的加工过程进行受力分析并进行优化，使得加工过程受力更加平稳，缩短加工时间提高了加工效率。此项研究，避免了碰撞和干涉、降低生产成本、提高了生产率，为提高整体叶轮加工水平有着重要意义。

参考文献：

[1]植田勋.离心式压缩机三元叶轮加工程序[J].风机技术，1986（6）：49.

[2]孙春华，陈晖，刘华明.复杂曲面整体叶轮CAD/CAM技术研究[J].高技术通讯，2003，13（6）：51-53.

[3]曹利新，苏云玲.三元整体叶轮曲面造型及其计算机辅助制造技术[J].大连理工大学学报，2004（5）：681-684.

[4]任军学，张定华，王增强，等.整体叶盘数控加工技术研究[J].航空学报，2004，25（2）：205-208.

[5]丁羽锋，陈德道，马仲林.基于UG和VERICUT软件的整体叶轮四轴数控加工与仿真[J].铁道技术监督，2019（2）：41-45.

[6]杨林建.基于UG的大型水轮机叶片多轴数控加工研究[J].制造技术与机床，2011（10）：136-139.

[7]王磐，白海清，沈钰.整体叶轮五轴数控加工仿真与优化[J].工具技术，2017，51（07）：67-69.