基于UG的汽輪機(jī)葉片四軸加工方法的研究

張文建，彭一男，馮恒昌

（華北電力大學(xué)，保定 071003）

0 引言

UG NX7.0的CAM模塊包括平面銑、型強(qiáng)銑、固定軸曲面輪廓銑、可變軸曲面輪廓銑、車加工、切削仿真及后處理等十幾個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊中又包括多種不同的模板。用戶通過使用NX CAM提供的不同加工模塊，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，加工表面形狀和加工精度要求選擇適合的加工類型，可以進(jìn)行各種復(fù)雜零件的粗精加工。

1 葉片工藝分析

汽輪機(jī)葉片主要應(yīng)用在汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，零件對(duì)加工后的表面粗糙度和輪廓精度要求較高。其葉身較長、葉片壁薄，所以合理的進(jìn)行加工程序的編制，選擇合理的切削用量、因地制宜地選用刀具材料成為順利加工出該零件的關(guān)鍵技術(shù)之一。選用四軸數(shù)控加工中心進(jìn)行葉片加工，其通過控制刀軸各個(gè)矢量方向的改變來加工各曲面，在編制加工程序時(shí)需要注意各曲面刀路的重疊相接。根據(jù)葉片的特點(diǎn)，我們采用的程序編制流程為：型腔銑粗加工葉片，固定軸輪廓銑半精加工和精加工葉片的各個(gè)曲面，最后區(qū)域銑削精加工葉柄部分。

2 加工操作

UG的CAM模塊提供了交互式編程產(chǎn)生精確具軌跡的方法 ,用戶可通過觀察刀具運(yùn)動(dòng)來圖形化編輯刀具軌跡,最終的刀位源文件經(jīng)過后置處理即生成數(shù)控加工程序。

2.1 準(zhǔn)備工作

首先建立毛坯，在建模環(huán)境下，通過拉伸得到葉片的毛坯，半徑為80mm。進(jìn)入加工環(huán)境，建立加工坐標(biāo)系。坐標(biāo)系建立在毛坯的中心，通過旋轉(zhuǎn)葉片，使葉片模型全部在毛坯范圍內(nèi)。由于葉片有彎扭角度，在建模時(shí)需要建立兩個(gè)工藝臺(tái)，以便在裝夾時(shí)使兩邊中心對(duì)中。在加工時(shí)，粗加工出工藝臺(tái)并留出精加工時(shí)刀具下刀的位置即可。建立3個(gè)基準(zhǔn)面，為以后設(shè)置安全平面做準(zhǔn)備。工藝臺(tái)與基準(zhǔn)面建立如圖1所示。最后創(chuàng)建一把端銑刀和一把球頭銑刀，端銑刀直徑為7.7mm，球頭銑刀直徑為6mm，半徑為3mm。

圖1 工藝臺(tái)與基準(zhǔn)面的建立

2.2 編寫型腔銑粗加工程序

型腔銑程序作為粗加工程序可快速出去除零件的毛坯余量，為零件的后續(xù)加工做準(zhǔn)備。首先建立粗加工坐標(biāo)系，使Zm軸方向與葉身曲面法線方向一致。在部件選擇時(shí)注意將工藝臺(tái)作為加工部件選中，同時(shí)需給刀具留出進(jìn)刀的距離。走刀方式選擇跟隨周邊。跟隨周邊用于創(chuàng)建一條沿著輪廓順序、同心的刀位軌跡，能維持刀具在步距運(yùn)動(dòng)期間連續(xù)地進(jìn)刀，以產(chǎn)生最大化的材料切除量。刀軸方向?yàn)橹付ㄊ噶?，方向與葉片后緣曲面法線一致。刀具選擇直徑為7.7mm的端銑刀。粗加工時(shí)，全局每刀深度可以稍大一些，設(shè)置為1mm。在切削層設(shè)置項(xiàng)中，選擇斜基準(zhǔn)面作為切削層的終點(diǎn)。在切削參數(shù)項(xiàng)中，將底部面與側(cè)壁量一致去掉，底部余量和壁余量分別設(shè)置為0.25mm和0.1mm。在非切削移動(dòng)中，安全項(xiàng)中選擇使用繼承的，進(jìn)刀的各參數(shù)設(shè)置如圖2所示。最后設(shè)置進(jìn)給和速度項(xiàng)，點(diǎn)擊生成按鈕，生成刀具路徑。葉片后緣刀路軌跡如圖3所示*。同理可生成葉片后緣的粗加工程序。

圖2 進(jìn)刀參數(shù)的設(shè)置

圖3 葉片后緣的粗加工軌跡

2.3 編寫固定軸曲面輪廓銑加工程序。

固定軸曲面輪廓銑是用于精加工由輪廓曲面形成的區(qū)域加工方法，通過精確控制刀軸和投影矢量，使導(dǎo)軌沿著非常復(fù)雜的曲面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。在切削區(qū)域選擇中，選擇要加工的曲面。由于葉片在葉身與葉柄處有一定的陡峭度，所以在進(jìn)刀角度中選擇45°進(jìn)刀，這樣可以在陡峭部分得到良好的加工效果。由圖4和圖5對(duì)比，可以看出在陡峭部位，取90°的進(jìn)刀角度會(huì)有明顯的刀路斷接現(xiàn)象，45°進(jìn)刀角度刀路連接順暢，稀疏合理。

圖4 采用90°進(jìn)刀的刀路軌跡

圖5 采用45°進(jìn)刀的刀路軌跡

在刀軸選擇時(shí)，半精加工與精加工的刀軸選擇可以稍微不一樣，這樣加工出來的曲面精度較高。對(duì)于半精加工，刀軸方向和Zm軸一直，而在精加工中，用兩點(diǎn)選擇方法選擇垂直于葉片的葉柄棱線作為刀軸的方向。半精加工時(shí)，余量都為0.1mm，進(jìn)刀類型為插削，安全設(shè)置為平面，利用上面建立的斜基準(zhǔn)面偏置一定距離來設(shè)置安全平面。精加工時(shí)只要將余量設(shè)置為0，其余和半精加工設(shè)置的參數(shù)一樣。

2.4 編寫其他表面精加工程序。

由于葉片有彎扭角度，只變換兩次加工角度加工不到全部的葉身，需要通過選擇不同的切削曲面來建立其它加工程序來完成。選擇曲面時(shí)可以通過剪裁曲面來選擇，也可以通過設(shè)置區(qū)域方法來界定。為了使編程簡(jiǎn)單，本文采用設(shè)置區(qū)域方法來界定。區(qū)域銑削驅(qū)動(dòng)方法為非陡峭，陡角為20°。

2.5 程序模擬仿真

對(duì)已編寫的程序進(jìn)行模擬仿真是檢驗(yàn)程序正確性最為直觀快捷的方法，編程人員可通過UG NX7.0附帶的程序仿真功能檢驗(yàn)程序的正確性，具體的操作步驟如下：

在幾何視圖下，選擇所有程序右擊，選擇【刀軌確認(rèn)】命令，彈出【導(dǎo)軌可視化】對(duì)話框，選擇【2D動(dòng)態(tài)】選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊開始，即可以看到模擬仿真的過程。2D仿真狀態(tài)通過不同刀路顏色可看到整個(gè)程序中每一步的仿真狀態(tài)，可更直觀的檢查程序的正確性。

2.6 后置處理

后置處理的任務(wù)是根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制指令格式，將前置計(jì)算的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并按其指令格式進(jìn)行編碼，成為數(shù)控機(jī)床的加工程序。具體操作步驟如下：

圖6 后處理對(duì)話框

圖7 部分NC代碼

首先利用UG/Post Builder的后置處理程序，通過設(shè)置機(jī)床的控制系統(tǒng)、最大行程等相關(guān)參數(shù)創(chuàng)建3個(gè)可實(shí)現(xiàn)從刀位文件到G指令轉(zhuǎn)換處理的控制文件。然后在幾何視圖下，選擇粗加工程序右擊，選擇【后處理】，彈出后處理對(duì)話框，如圖6，選擇mazak h630，點(diǎn)擊應(yīng)用，即生成粗加工程序的NC程序。同理可生成精加工后處理程序。部分NC代碼如圖7所示。

3 實(shí)際加工

將后處理生成的NC代碼通過串行通訊接口傳送到加工中心系統(tǒng)即可進(jìn)行實(shí)體加工。通過葉片加工實(shí)例表明，加工出來的葉片表面粗糙度小，輪廓清晰，精度較高，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用 UG軟件完成四軸數(shù)控編程加工葉片，提高了葉片加工精度，縮短了葉片的生產(chǎn)周期，為葉片類零件的制造提供了切實(shí)可行的方法。由實(shí)例可以看出其各種參數(shù)的設(shè)置、整個(gè)葉片加工工藝的制定以及編程者的經(jīng)驗(yàn)等都是成功加工出葉片的關(guān)鍵因素。本文對(duì)葉片類零件的四軸編程和制造具有一定的參考價(jià)值。

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