大曲率半径叶轮的四轴加工

傅飞++王销鋆

摘 要：使用四轴机床以及UG软件、VERICUT多轴验证软件，可以实现四轴机床加工大曲率半径叶轮。

关键词：叶轮；四轴机床；UG软件；VERICUT软件

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.078

目前，常用的叶轮加工设备是价格昂贵的数控五轴加工中心。为了使叶轮加工范围更加广阔、加工过程更加经济，引入了一种四轴联动数控加工大曲率半径叶轮类零件的粗加工和精加工叶轮时的编程方法。仿真和实体加工结果表明，只需一台加工中心，再配一个分度头四轴机床加工的叶轮就可以加工，其精度和表面粗糙度与五轴数控机床加工出的叶轮不相伯仲。从加工成本和生产实际情况考虑，研究叶轮的四轴数控加工方法对开发现有设备的加工潜力、降低叶轮加工成本有着重要的现实意义。

1 理论分析

叶轮加工划分为叶轮槽粗加工、叶轮粗加工、叶片精加工、叶片根部圆角精加工和流道精加工五道工序。叶轮槽粗加工采用分层切削方式，然后旋转一个角度再铣削另一个叶轮槽。在叶片、叶片根部圆角和流道加工中，由于刀具伸入叶轮中的长度较长，并且还要避免刀具与相邻叶片之间互不干涉，因此，刀轴的控制是四轴机床叶轮加工中最为关键的环节。在选取合理的刀轴矢量的同时，对刀轴进行干涉检查并修正刀轴矢量方向，使其在叶片加工过程中，通过控制刀轴各个矢量方向的变化加工各个曲面，从而完成叶片的加工。

1.1 基于UG软件的叶轮加工程序编制

UG软件是一个集CAD、CAE、CAM于一体的工程应用软件，其强大的数控编程功能可以满足应用者的大多数需求。在编制叶轮加工程序时，主要用到了CAM模块中的Cavity Milling、Variable Axis Milling等。

首先，以使用一台加工中心，再配一个分度头加工叶轮为前提，运用Cavity Milling完成叶轮槽粗加工和二次开粗。由于叶轮粗加工主要是去掉大量的材料，因此建议采用分层加工法，具体如图1所示。

（a）叶轮槽粗加工 （b）叶轮槽二次开粗

其次，运用Variable Axis Milling加工操作，完成叶轮零件的叶片、叶片根部圆角和流道部分多轴加工编程。在应用UG软件生成这类程序时要注意，由于使用的是四轴机床，也就是绕着X轴的带动零件旋转的A轴，关键在于在分度头旋转时如何避免刀具切削时与相邻叶片干涉。这就需要选择一个适合的矢量，也就是刀轴矢量方向，总有这样一个方向不会与相邻叶片干涉。在运用Variable Axis Milling完成叶轮零件精加工过程中，驱动方法采用“Surface Area”，刀轴选择“interpolate vector”，并通过合理设定“步距”和“切削步长”降低加工误差，保证加工精度。 叶片、叶片根部圆角和流道精加工都采用四轴联动回转式进刀加工的方法，具体如图2所示。

（a）叶片精加工 （b）叶片根部圆角精加工 （c）流道精加工

图2 叶片、叶片根部圆角和流道部分的精加工

1.2 基于VERICUT软件仿真叶轮加工及实体加工

VERICUT软件是一种可以模拟多轴加工的仿真应用软件。首先构建机床模型，创建刀具、毛坯，设定加工坐标系；然后把NC代码导入仿真软件VERICUT中进行整体叶轮粗精加工仿真，得到的仿真结果如图3所示。同时，验证加工程序的正确性以及模拟加工过程中刀具与工件或机床有无相互干涉、碰撞。这样可以最大限度地降低实际加工中的损失。在得到正确的结论后，将仿真验证的NC数控程序导入MAZAK 410B机床上，并对叶轮进行加工试切，验证了本文所提出的叶片加工方法是正确的，具体如图4所示。

2 结论分析

本文利用UG软件完成了叶轮多轴加工编程，利用VERICUT软件完成了MAZAK 410B四轴加工中心的仿真系统开发，解决了数控编程和实际制造加工中的过切、欠切以及刀具与机床部件和工装夹具的碰撞问题，降低了材料消耗和生产成本，提高了工作效率，并实现了叶轮的加工仿真。经与实际机床加工结果对比，验证了本方法的正确性和有效性。使用该方法不仅可以实现四轴机床上加工大曲率半径叶轮，降低生产成本，还可以降低加工设备和资源的消耗，对相关企业有很好的借鉴意义。

参考文献

[1]李云龙，曹岩.数控机床加工仿真系统VERICUT[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[2]杨胜群.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出社，2010.

[3]郑金兴，程慧群.基于UCdCAM和VERICUT的复杂零件数控加工仿真[J].横具制造，2006（11）.

[4]杜智敏，陈永涛，吴浩伟.UG NX4数控编程加工实例精解[M].北京：清华大学出版社，2006.

〔编辑：刘晓芳〕