基于UG软件闭式叶轮数控多轴加工工艺分析研究

王继群

【摘 要】闭式叶轮被广泛的应用在各个领域中，本文以UG软件为平台，对闭式叶轮的数控多轴加工工艺进行了分析研究，制定了工艺方案，对其刀具路径进行了合理规划，避免了加工干涉，最后完成了仿真加工，取得了很好的效果。

【关键词】闭式叶轮；UG；数控多轴加工；刀具路径

0 引言

近些年来，闭式叶轮被广泛的应用在航空、冶金、军事、能源动力等各个领域，如图1，相对于开式叶轮，它的轴盘、盖盘和叶片三位一体，避免了气流损失，提高了气动效率。传统的加工方法主要是采用铸造的方式，但是叶轮的精度难以保证，另外由于铸造时产生应力集中等问题，叶轮容易损坏。随着数控多轴技术的发展，在工业领域中更多的是采用数控多轴机床加工生产闭式叶轮。但是闭式叶轮的结构具有一体性和封闭性、加之叶片曲面较为复杂，加工时又要考虑刀具干涉的问题，加工难度很大。因此，如何正确规划闭式叶轮数控加工的刀具路径，避免干涉，制定合理的加工工艺，就显得十分重要。由于闭式叶轮的结构复杂，必须在五轴的数控加工中心上才能完成，而针对于多轴加工，主要采用软件自动编程，这里选用全球最为高端的工业软件—UG，本文以UG软件为平台，对闭式叶轮的整个加工工艺进行分析研究。

图1 闭式叶轮

1 闭式叶轮的三维实体建模

图2 闭式叶轮的三维建模

首先我们利用UG软件对闭式叶轮进行三维建模，建模这一步很关键，它決定着后面工作的成败。由于闭式叶轮是由轴盘、盖盘和叶片三个部分组成的，所以对其分别建模，再将三者组合在一起。其中，轴盘和盖盘的建模比较简单，直接用三维旋转命令即可完成，叶片的建模较为复杂，先使用样条命令生成三次样条光滑曲线，扫掠成实体薄片，由于叶片厚度并不是均匀一致，我们再对叶片的前后端面进行修改，完成单个叶片的造型。最后使用空间阵列命令，完成所有叶片的造型。

2 闭式叶轮的数控加工工艺方案

由于闭式叶轮和开式叶轮在结构上有一定的区别，轴盘、盖盘和若干个叶片连在一起，加工时数控铣刀不可能像加工开式叶轮那样有很大的活动空间，为了防止铣刀和叶轮本身发生干涉，只能从叶轮通道的进出气孔进行加工，如图3，这将大大限制铣刀活动范围，因此一定要合理规划刀具路径，同时也要避免加工干涉。整体的工艺方案如下：

（1）数控车削闭式叶轮的回转体；（在数控车床上完成，这里不再论述）；

（2）闭式叶轮通道的粗加工；

（3）闭式叶轮通道的半精加工；

（4）闭式叶轮通道的精加工。

图3 铣刀加工闭式叶轮

3 刀具路径的规划

合理的规划刀具路径是闭式叶轮加工的关键，下面从5个方面对其进行分析研究。

3.1 走刀步长

走刀步长是指数控铣刀相邻的两个插补点之间的距离，步长越小，加工效果越精确，但是刀路轨迹复杂，耗时较大，步长越大则正好相反，切削效率高，但是精度较差。在UG软件中，可以通过公差来控制走刀步长，根据闭式叶轮实际的情况，确定公差的大小，在软件参数设置中输入公差值，系统自动会计算出合理的走刀步长，找到一个最佳的平衡点。

3.2 进刀方式

数控加工中，进刀方式有很多种，例如垂直进刀、倾斜进刀、圆弧进刀、螺旋进刀等等。其中加工效果最好的进刀方式是螺旋进刀，但是使用螺旋进刀，铣刀的刀路轨迹比较复杂，进刀时有可能和工件发生碰撞，因此对于闭式叶轮的封闭结构，我们在UG软件中选用圆弧进刀方式，避免发生干涉。

3.3 刀具跨越方式

刀具跨越是指铣刀在切削时由出气口跨越到进气口，或者是由进出气口跨越到闭式叶轮侧面，由于闭式叶轮的结构紧凑，叶片之间的空间狭小，叶片又被封闭在轴盘和盖盘之间，铣刀在跨越时非常容易和工件发生碰撞，为了保证安全，我们在UG软件中设置安全平面，即铣刀在跨越时先退到安全平面，然后再进刀到下一个切削区域。

3.4 走刀方式

在UG软件中数控铣刀的走刀方式有很多种，这里采用双向走刀，即刀具往复运动时都参与切削加工，如图4。双向走刀和单向走刀相比，避免了抬刀，节省时间，是比较经济的走刀方式。

图4 双向走刀方式

3.5 加工方法

对闭式叶轮采用层切法进行加工，它是把整个加工过程划分粗加工、半精加工、精加工为三个步骤，每一个步骤中，在闭式叶轮的出气口侧和进气口侧，按照一定的顺序对不同的待加工区域进行数控铣削，完成一个区域的加工后，退刀至安全平面，之后再进行下一个区域的切削加工。如此反复，一直到全部加工完零件的待加工区域，最后根据实际情况进行叶轮的清根处理。

4 加工干涉的避免

加工干涉是指刀具在数控加工中对工件过切或者与工件发生碰撞，对于闭式叶轮这一类复杂结构零件的数控加工，往往更容易发生干涉。如果发生干涉的话，有可能损坏工件，甚至发生生产事故。避免干涉的关键是对刀轴矢量的控制，在UG软件中，采用朝向点来控制刀轴矢量，最终确定刀轴的安全活动空间。

5 加工仿真

所有的工艺和参数在UG软件中设定以后，使其生成闭式叶轮数控加工的刀路轨迹，如图5。

图5 刀路轨迹

然后后进行模拟仿真，仔细观察仿真效果，如遇到问题，及时进行参数的修改，争取达到最理想的效果。最后结合机床的型号进行后置处理，生成数控程序，通过网络把程序传输给数控机床，进行闭式叶轮的生产加工，如图6。

图6 闭式叶轮的铣削加工

6 结束语

闭式叶轮的结构比较复杂，生产加工具有一定的难度。通过对其进行工艺分析，利用UG软件完成了叶轮的生产加工，随着UG软件版本的不断更新，功能的不断发展和完善，闭式叶轮的加工精度和质量一定会进一步得到提高。

【参考文献】

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[2]田欣利，余安英，林允森，等.叶片多轴数控加工方法与关键技术研究进展[J].工艺与检测，2008，6：124-127.

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[4]苏云玲.三元整体叶轮的几何造型与五坐标数控加工[D].大连：大连理工大学，2004.

[责任编辑：杨玉洁]