基于NX 的風(fēng)扇輪葉片多軸加工工藝研究＊

高志賢

（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001）

風(fēng)扇輪葉片設(shè)計(jì)為流動(dòng)性曲面，一般的加工方法和手段難以滿足加工的精度要求，隨著五軸以上數(shù)控機(jī)床在企業(yè)中的裝備應(yīng)用，使此類零件的高效優(yōu)質(zhì)加工得以實(shí)現(xiàn)[1-3]，風(fēng)扇輪實(shí)體模型如圖1 所示。UG NX（Unigraphics NX）軟件作為集CAD（Computer Aided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）/CAE（Computer Aided Engineering）于一體的通用軟件，在加工行業(yè)，特別是多軸加工領(lǐng)域，有很廣泛的應(yīng)用，其自帶的加工仿真模擬功能，能模擬刀具刀柄及機(jī)床的加工[4-5]。通過利用NX 軟件其開放靈活的后置處理，可以生成適合三軸及多軸數(shù)控機(jī)床加工的NC 代碼（數(shù)字信息控制機(jī)械控制器能識(shí)別的代碼）程序。下面以風(fēng)扇輪葉片為載體進(jìn)行分析。

圖1 風(fēng)扇輪實(shí)體模型

1 風(fēng)扇輪葉片的CAM 模型

在CAD 建模時(shí)主要考慮零件本身的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，是否符合加工的要求未完全考慮，因此要根據(jù)制造的要求建立零件的CAM 模型。風(fēng)扇輪零件主要的加工對(duì)象為風(fēng)扇輪的葉片，在輪底面的3 個(gè)槽和中間孔若與葉片同時(shí)加工，則加工到此處時(shí)刀具會(huì)下切，切削力易產(chǎn)生突變，切削不順暢，在邊緣上很容易出現(xiàn)過切現(xiàn)象。為消除這種不利因素的影響，更便于加工，在自動(dòng)編程之前，使用NX 軟件同步建模技術(shù)中的替換面與刪除面命令進(jìn)行修補(bǔ)或刪除，較方便地修補(bǔ)掉這些槽，并構(gòu)建了風(fēng)扇輪葉片的CAM 簡(jiǎn)化模型，如圖2 所示。

圖2 風(fēng)扇輪的CAM 模型

2 風(fēng)扇輪葉片的加工工藝規(guī)劃及刀路設(shè)計(jì)

2.1 加工工藝規(guī)劃

加工工藝方案是否合理直接決定著NX 自動(dòng)生成加工程序的優(yōu)劣。粗加工盡量選擇較大直徑的銑刀，由于葉片中間的空隙較小，若一次開粗完成，要選直徑較小的銑刀，這就會(huì)降低零件加工的效率和加劇刀具的磨損。因此在選用較大直徑的銑刀開粗后，為保證較高效率及葉片根部圓角的加工，使用較小的銑刀對(duì)葉片進(jìn)行局部清角半精加工，可以保證精加工葉片時(shí)加工余量均勻，最后使用球頭銑刀分別對(duì)葉片背面、頂部及前面應(yīng)用NX 軟件多軸加工的可變輪廓銑進(jìn)行精加工，從而保證了葉片的表面質(zhì)量和加工精度。加工工藝規(guī)劃如表1 所示。

表1 加工工藝

2.2 刀路設(shè)計(jì)及仿真加工

2.2.1 葉片粗加工

葉片粗加工采用MILL_CONTOUR（輪廓銑）中的CAVITY_MILL（型腔銑），這種銑削方式是刀具在同一高度內(nèi)完成一層銑削，按照每一層的截面生成刀路，此方式可以快速地去除大量材料，加工效率高，刀路生成計(jì)算時(shí)間短，刀具承受切削力均勻，切削完成后毛坯切削樣式呈階梯狀。

NX 軟件中型腔銑的參數(shù)設(shè)置為先選擇幾何體（部件、毛坯），選擇直徑為10 mm 的立銑刀，切削模式選擇“跟隨部件”，步進(jìn)選擇刀具直徑的60%，每刀切削深度為1 mm。切削參數(shù)選擇“層優(yōu)先”，順銑方式，部件側(cè)面余量為0.3 mm，底面余量為0.2 mm，內(nèi)公差為0.08 mm，外公差為0.1 mm；非切削移動(dòng)參數(shù)中進(jìn)給類型選“螺旋”下刀，傾斜角為5°，進(jìn)刀選“圓弧”進(jìn)刀，圓弧半徑為5 mm，毛坯材料為鋁，進(jìn)給速度為1 000 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。設(shè)計(jì)的粗加工的刀路如圖3 所示。

圖3 粗加工刀路

2.2.2 局部清角加工

風(fēng)扇輪葉片在經(jīng)過粗加工后，若直接進(jìn)行多軸精加工，由于葉片各部分余量不均，對(duì)刀具沖擊較大，直接影響葉片加工的表面質(zhì)量和精度，所以需要對(duì)葉片進(jìn)行局部清角的半精加工?？紤]到葉片根部的圓角，選擇刀具為直徑6 mm 的合金球刀，加工方式選擇MILL_CONTOUR（輪廓銑）中的ZLEVEL_PROFILE（深度輪廓銑），參數(shù)設(shè)置為選擇部件，陡峭空間范圍選擇“無”，合并距離設(shè)置為3 mm，最小切削長(zhǎng)度為1 mm，每刀深度為0.3 mm，切削順序選擇“始終深度優(yōu)先”，切削方向?yàn)轫樸?，部件?cè)面余量為0.3 mm，內(nèi)、外公差設(shè)為0.03 mm，非切削移動(dòng)參數(shù)設(shè)置進(jìn)刀類型為“插削”，高度為3 mm，進(jìn)刀類型選擇“與封閉區(qū)域相同”，進(jìn)給速度為800 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。局部清角加工仿真模擬如圖4 所示，通過局部清角加工仿真模擬可以看出，葉片的表面質(zhì)量得到了很大提高。

圖4 局部清角加工

2.2.3 葉片精加工

葉片精加工采用五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，即五軸聯(lián)動(dòng)除了3 個(gè)移動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)外，還有2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可以同時(shí)聯(lián)動(dòng)，在NX 軟件中體現(xiàn)的是刀具在加工時(shí)采用曲面驅(qū)動(dòng)、表面積驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式，按照一定的加工方法策略產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿著指定的投影矢量方向投到零件幾何體上形成投影點(diǎn)，刀具沿投影點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并最終生成刀具五軸加工路徑[6-7]。

分別對(duì)葉片的背面、頂部及前面進(jìn)行精加工，選擇多軸加工方式M I L L_M U LT I_A X I S 中的VARIABLE_CONTOUR（可變輪廓銑）?？勺冚喞娪糜诰庸び奢喞嫘纬傻膮^(qū)域的加工方式，這種方式通過精確控制刀軸和投影矢量，使刀具沿著復(fù)雜曲面的復(fù)雜輪廓運(yùn)動(dòng)[8]。對(duì)葉片背面進(jìn)行加工參數(shù)設(shè)置，設(shè)置為指定加工部件，驅(qū)動(dòng)方式選擇為“曲面”，投影矢量為“刀軸”，刀具選擇為直徑8 mm 的合金球刀，刀軸指定為“相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體”，設(shè)定前傾角為0°，側(cè)傾角為55°，內(nèi)、外公差均設(shè)為0.005 mm，切削模式為“往復(fù)”，步距數(shù)目為40，進(jìn)刀類型為“圓弧-平行于刀軸”，進(jìn)給速度為800 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為4 000/min。葉片背面五軸加工刀路仿真如圖5 所示。

圖5 葉片背面五軸加工刀路仿真

葉片頂部加工路徑操作參數(shù)設(shè)置成刀軸指定為“垂直于驅(qū)動(dòng)體”，其他參數(shù)相同。葉片前曲面加工路徑參數(shù)設(shè)置如下：切削模式為“往復(fù)”，步距數(shù)目為80，刀軸指定為“側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體”，側(cè)傾角為20°，其他參數(shù)相同。葉片的精加工刀路如圖6 所示。

圖6 葉片精加工刀路

3 后置處理生成加工程序

在刀具路徑設(shè)計(jì)好后，需要將刀路通過專用的后置處理器轉(zhuǎn)換成所需要的特定數(shù)控系統(tǒng)三軸或多軸加工機(jī)床能讀取的G 代碼（數(shù)據(jù)程序中的指令）程序。不同數(shù)控系統(tǒng)的指令代碼及程序格式差別較大，相應(yīng)的要進(jìn)行后置處理器的修改。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床后置處理器的開發(fā)關(guān)鍵為設(shè)置第四軸及第五軸的行程極限，否則程序在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)加工事故，損傷工件或機(jī)床[9-10]。NX 軟件后置處理器參數(shù)設(shè)置界面如圖7 所示。刀具路徑仿真模擬沒有刀具干涉等問題后，選擇所有的加工刀具路徑，調(diào)用開發(fā)好的后置處理器程序，輸入生成NC 程序的文件名，就可以生成數(shù)控機(jī)床加工所用的NC 代碼程序，部分后處理程序如圖8 所示。

圖7 后置處理器參數(shù)設(shè)置界面

圖8 部分后處理程序

4 結(jié)論

本文中應(yīng)用NX 軟件對(duì)復(fù)雜曲面的風(fēng)扇輪葉片進(jìn)行了數(shù)控加工，模擬仿真葉片加工中三軸及五軸曲面銑削的加工過程，體現(xiàn)了NX 軟件進(jìn)行數(shù)控加工的特點(diǎn)，大大節(jié)省了復(fù)雜曲面坐標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化了程序的編制過程，突出了NX 軟件五軸加工的優(yōu)勢(shì)，可以快速、優(yōu)質(zhì)地生成多軸加工程序。并通過軟件的模擬仿真刀路的功能，來檢驗(yàn)刀具的干涉情況及進(jìn)行過切檢查和優(yōu)化刀路，達(dá)到了降低產(chǎn)品的廢品率和提高加工質(zhì)量的目的。