螺旋叶片的五轴数控加工与仿真研究

吉中帅 赵盛威 臧剑波 陈俊羽 徐顾自 崔阳晨 代韩栋

（无锡职业技术学院 机械技术学院，无锡 214121）

随着现代科学技术的发展，机械行业随之迅速发展，加工出的零件形状变得复杂多样，传统的加工设备已无法满足现阶段的加工需求，因此传统的机械加工设备已渐渐淡出人们的视线，涌现出更加先进的加工设备。熟练掌握计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技术是能够操作这类设备的关键[1]。掌握好多轴加工技术既能避免二次装夹的误差，也能减少加工时间，提高生产效率[2]。可见，熟练掌握CAM技术和多轴加工技术，对我国进入工业制造强国具有里程碑意义。

1 螺旋叶片的五轴加工工艺

1.1 工艺分析

工件材料设定为铝合金6061。该工件由柱状体、凸台、螺旋叶片、凹型槽、孔、平面和曲面构成[3]。工件上半部分属于锥度叶轮，且由于叶轮是五轴加工中的难点，而NX软件中有叶轮模块，因此加工锥度叶轮时使用NX软件中叶轮模块建模可以降低编程的难度。

根据上述分析可知，如在三轴数控加工机床上加工该零件，需多次装夹才能完成加工，从而增加了加工成本、延长了加工时间，并产生了多次装夹所造成的装夹误差和重复定位误差等。

1.2 工件毛坯

工件最大圆柱包容体所需要的尺寸为Φ78 mm× 108 mm。为防止加工时对刀带来误差，毛坯应选以工件最大外轮廓尺寸为底面直径的圆柱，因此所需要的毛坯为Φ80 mm×110 mm的圆柱棒料，如图1所示。

1.3 装夹方案

采用三爪卡片夹具进行工件的定位与夹紧。机床为HZ-5AXIS，特点是AC轴适用于加工复杂的曲面工件，加工本零件Z轴行程不够，需要垫高三爪卡盘，同时能保证C轴与工作台有较大的安全距离。

1.4 加工工艺

依据上述的分析步骤，设计该产品的加工工艺参数，见表1。

表1 螺旋叶片的加工工艺参数

2 螺旋叶片的CAM编程

在制定出加工工艺路线后，需要对待加工工件进行刀具加工工艺路线的编制。优异的刀具加工工艺路线既能够保证加工工件拥有较好的表面质量，又能提高加工工件的加工效率。此外，在UG中编制螺旋叶片的刀具加工工艺路线。

2.1 刀具粗加工工艺路线的编制

对该加工工件进行粗加工，是需要在粗加工过程中切削大量的加工工件材料。该工件粗加工过程可分为二夹辅助面、底座开粗和三轴定轴开粗等[4]。采用NX软件中“型腔铣”编制底座开粗的刀路轨迹，如图2所示。

2.2 刀具半精加工工艺路线的编制

对该加工工件进行半精加工，是为了能够进一步切削经过粗加工后残留下的工件余量，使该加工工件的加工余量均匀。该工件半精加工过程可分为底座底面半精、四轴定轴侧壁半精和中间圆柱凹陷曲面半精两处等。采用NX软件中“底壁铣”工序编制底座底面半精的刀路轨迹，如图3所示。

2.3 刀具精加工工艺路线的编制

对螺旋叶片进行精加工，该加工过程采用NX软件中的“叶片精加工”“固定轮廓铣”与“可变轮廓铣”工序，为叶片曲面和底座编制精加工刀路轨迹，如图4所示。

3 螺旋叶片的VERICUT软件加工仿真

VERICUT软件是一种具有实用价值的NC仿真工具，可以反映加工过程中刀具、毛坯、夹具和轴的移动状态，从而避免加工过程中产生的碰撞、干涉、过切等问题[5]，并通过NC优化编程来优化螺旋叶片的加工速度和加工后的螺旋叶片表面质量。

在VERICUT工作环境下建立HZ-5AXIS五轴坐标NC模拟系统，对NX推导的螺旋叶片NC编程进行了模拟和编程，并给出了相应的计算步骤。

3.1 HZ-5AXIS五轴数控仿真平台的构建

搭建HZ-5AXIS机床的数控模拟平台，需要做到以下4个步骤。

（1）构建数控加工机床的几何模型。在NX软件工作环境中，先构造HZ-5AXIS机床的各个零部件的模型，然后依次进行装配。

（2）构建机床运动学模型。在VERICUT工作环境下构造HZ-5AXIS机床的数控模拟平台的运动模型，既需要明确知道待加工的有螺旋叶片的工件的各加工组件相互之间的运动学关系，又要依据五轴数控加工机床HZ-5AXIS的运动形式确定其两大运动学传动链，如图5所示。

依据机床的运动学关系，在VERICUT工作环境中，先依次一一导入运动学传动链中所涉及的各加工组件，包括机床床身、3个公共直线轴（X轴、Y轴和Z轴）、2个旋转轴（A轴和C轴）、主轴、刀具、夹具、工件和毛坯等，再一一导入与之相对应的待加工工件的各部分组件模型文件。

（3）依据五轴数控机床相配套的控制系统文件，选择与HZ-5AXIS相匹配的数控系统。

（4）设定五轴数控机床基本参数，也就是五轴数控机床起点、冲程限制和冲突探测等。

3.2 螺旋叶片的仿真加工

HZ-5AXIS五轴数控模拟平台搭建完成后，在对螺旋叶片进行加工仿真验证时需要做到以下方面：

（1）在VERICUT工作环境下，建立待加工的螺旋叶片的加工刀具库和所需的加工坐标系；

（2）采用NX后处理工艺的NC数控加工程序，并一一导入加工毛坯和螺旋叶片配套对应的夹具模型文件；

（3）验证NX后处理工艺的NC数控加工程序的正确性。

先进行模型重置，然后点击“仿真到末端”，仿真完成后，模型如图6所示。模型颜色显示，没有过切、少切现象。

4 结语

首先，合理利用五轴定向加工命令，分别采用型腔铣、平面轮廓铣等工序方法进行开粗加工工序的程序编制；其次，分析讨论了零件头部螺旋叶片的加工方式，并得出了对于加工螺旋叶片时可以使用叶轮模块简化螺旋叶片加工过程的结论；最后，采用数字孪生技术进行1∶1对照，可实现加工前的预知，使编程、仿真、加工形成一个闭环。