基于UG的流线方式加工分流叶片

2015-12-06虞俊

精密制造与自动化 2015年1期

关键词：圆角流线叶轮

虞俊

（常州轻工职业技术学院江苏常州 213164）

基于UG的流线方式加工分流叶片

虞俊

（常州轻工职业技术学院江苏常州 213164）

与其它计算机辅助制造软件一样，UG的CAM软件针对叶轮加工给出了独立的模块，此模块的操作步骤方便、简洁。针对大多数叶轮，特别是叶片间距较大的叶轮特别有效。但当面对小间隙叶轮时，经常出现局部区域刀具轨迹不完整且频繁跳刀等现象，因此影响叶片的表面加工质量。以实际加工的小间隙离心泵叶轮为例，介绍了基于UG的使用流线驱动方式加工分流叶片的方法。即指定流曲线和交叉曲线来形成网格驱动，其中流曲线确定刀轨的形状，交叉曲线确定刀具的加工范围。系统在网格范围内产生光滑、连续的刀轨，从而有效解决了UG叶轮加工模块在加工此叶轮分流叶片时的跳刀问题。

流线驱动分流叶片叶轮加工流曲线交叉曲线。

随着计算机辅助制造软件的深入应用和多轴机床逐步推广，叶轮成为五轴机床的较为常见的加工产品之一。各大CAM软件都提供了相应的叶轮加工模块，以便用户便捷的完成叶轮的刀具轨迹生成。但面对叶片间隙较小的叶轮，由于刀具较容易与周边叶片发生碰撞，这些叶轮加工模块在生成刀轨时，往往在局部区域会出现不能完全加工或刀轨不连续等问题，最终影响整个叶轮的表面质量，以UG软件为例，介绍了使用流线驱动方式，加工分流叶片的思路与加工步骤。

1 小间隙分流叶片加工中出现的问题

如图1所示为离心泵叶轮的局部结构，此叶轮材料为不锈钢，牌号为1Cr13，属于较难切削材料。分流叶片距离主叶片的距离为3.293 mm，叶片根部圆角半径为1.52 mm，主叶片的高度34 mm。相对于主叶片的高度，分流叶片与主叶片之间的间隙过小，且分流叶片底部圆角连接不是特别光顺(如图2所示)。

UG软件自带有叶轮加工模块，在加工大间距叶轮时，只需定义轮毂面、包裹面、主叶片、分流叶片和圆角，系统能很方便的生成整体粗加工，叶片、底面和圆角的精加工程序。但在加工较小间隙叶轮时，会在某些加工部位出现加工不完整和跳刀等问题。本例在对分流叶片加工过程中，叶片底部0～20%范围内，出现数十次跳刀（如图3所示），随着加工精度的提高，跳刀次数以几何级数增长。严重影响分流叶片的表面质量和加工效率。出现这一问题是因为UG的叶轮加工模块中为防止过切与碰撞，刀具侧倾角取得相对较大，且用户无法更改。因此，此处分流叶片只能用五轴曲面精加工策略来完成。

图1 离心泵叶轮的局部结构

图2 分流叶片底部圆角

图3 叶片底部跳刀

2 驱动方式的选择

为得到较为光顺的分流叶片表面质量，五轴精加工策略中有曲面驱动和流线驱动两种方案可供选取。两者特点如下。

曲面驱动对驱动体的要求较为严苛，驱动体必须为曲面，且是排列整齐的曲面栅格（如图4所示），即需要有光滑、连续的UV方向，否则系统提示驱动体无效。另外，曲面驱动只能有“对中”和“相切”两类刀具位置。

图4 曲面栅格

图5 流线栅格

流线驱动较曲面驱动而言非常灵活，驱动体可以是曲面、边、点等元素，当选用曲面做驱动体时，可以是UV方向规则排列的曲面，也可是UV方向排列杂乱的曲面（如图5所示）。流线驱动时加工范围可系统自动判断，也可手工选取。流线驱动有“对中”、“相切”和“接触”三类刀具位置。

曲面驱动和流线驱动，是五轴加工时最为常用的两种方式，对于较为光滑的待加工表面，相同的残留高(若同为0.002 mm)，曲面驱动能得到精度较高的加工质量，若待加工面UV变化较大，排列不一致，则流线驱动更具柔性。

3 分流叶片曲面分析

3.1 倒拔模角度测量

分流叶片内侧模型中存在倒拔模角度，需对此进行测量，以便更有效地确定加工该处时的刀具侧倾角。单击UG软件中的【分析】→【形状】→【拔模】菜单栏，拾取分流叶片内侧表面并确定，测得内型腔存在-37.1°倒拔模角度（如图6所示）。故在加工此面时，若不设置前倾角，刀具相对于此面的侧倾角需大于该值。

图6 分流叶片内侧模型倒拔模角度

3.2 分流叶片表面的UV排列

观察分流叶片表面的UV排列，以便确定选用何种驱动方式。拾取分流叶片的所有曲面，按下Crtl+J，在线框显示栏中，设置U、V数量均为20，分流叶片的UV排列如图7所示。内、外侧面UV方向较为规则，但圆角部分，前缘、后缘UV排列呈碎片化。若使用曲面驱动，则需分成二十多块区域进行加工，区域与区域间接刀痕迹明显，影响整体质量。

图7 分流叶片的UV排列

为使加工后分流叶片表面光滑、平整，宜采用流线驱动，将分流叶片分成前缘、后缘、外侧面、内侧面和顶面五个区域进行加工。

4 流线驱动加工分流叶片

单击UG软件中的“创建操作”按钮，选择加工类型为“mill_mutli_axis”,子类型为“variable_streamline”选择刀具为R1.5的球形刀，选择相应几何体和加工方式后，进入可变轴流线曲面精加工界面。拾取如图8阴影部分所示，内侧曲面及周边圆角作为加工区域。

图8 分流叶片的阴影

单击“流线”驱动方式对应的“编辑”按钮，系统根据所选区域自动生成流曲线和交叉曲线（如图9所示），虽然看似光顺连续，但在与前、后缘相接处，刀轨较中间部位紧密，加工后此处明显内凹。为得到最佳效果，需手动指定流曲线和交叉曲线。拾取如图10所示底部圆角下边缘线串为流曲线1，顶部圆角上边缘线串为流曲线2，用于控制刀轨流向；拾取前缘圆角线串为交叉曲线1，后缘圆角线串为交叉曲线2，用于控制刀轨起始端与终止端。图中流线路径较自动选取时更简洁、均匀。切削模式为“往复上升”，步距离为残留高度0.002mm，刀轴方向为“侧刃驱动体”，角度为39º。