基于IMSpost下的葉輪加工五軸后處理研究與實踐

熊運星,閆國琛

(浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 寧波 315012)

0 引言

由于機床廠商、用戶需求不同,五軸機床結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,客戶定制特殊結(jié)構(gòu)機床越來越多,同時控制系統(tǒng)的多樣性,對于產(chǎn)品或模具加工工藝的要求日趨提升,尤其是匹配各廠家機床的后處理的技術(shù)要求越來越高,因此對五軸或多軸機床后處理技術(shù)的研究與實踐,對提升復(fù)雜曲面類零件高效、高質(zhì)量加工具有重要理論意義和推廣價值。

葉輪產(chǎn)品加工工藝具有高效、高精度、高質(zhì)量的特點[1]。葉輪產(chǎn)品通常是在高轉(zhuǎn)速、高負載沖擊環(huán)境下工作。其質(zhì)量和精度要求高,如表1所示。本文通過IMSpost定制的后處理,以葉輪零件加工工藝優(yōu)化為目標,利用UG NX CAM編程軟件完成葉輪零件的編程與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化,運用VMC-300小型機床完成葉輪的工藝優(yōu)化及機床加工。

表1 葉輪加工發(fā)展趨勢

1 IMSpost后處理開發(fā)

1.1 IMSmachine平臺機床結(jié)構(gòu)搭建

根據(jù)表2所示機床主要技術(shù)參數(shù),構(gòu)建機床運動結(jié)構(gòu)及相關(guān)行程、角度等參數(shù)設(shè)計。通過簡單運動分析模型與實際加工機床的一致性,構(gòu)建的機床文件如圖1所示。

圖1 實際加工機床結(jié)構(gòu)

表2 五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)

本文以VMC-300小型機床為例開展五軸加工中心后置處理研究。該機床軸系結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖2所示,該配置C軸回轉(zhuǎn)工作臺,擺角為±360°,A軸回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)角范圍為-120～30°,該類機床具有主軸結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、制造成本低的優(yōu)點,但由于工作臺自重會導(dǎo)致機床剛性不足,故工作臺一般設(shè)計較小,且承重較輕,因此適用于體積小、重量輕的小型精密零件和精密模具的加工。

圖2 AC轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)機床

1.2 IMSpost平臺搭建五軸后處理

VMC-300機床的控制系統(tǒng)為fanuc系統(tǒng),因此選取fanuc30i控制系統(tǒng)模塊進行相關(guān)控制機床代碼的設(shè)定。根據(jù)軟件導(dǎo)入的機床模型文件(如圖1所示),系統(tǒng)自動設(shè)置后處理機床結(jié)構(gòu)為AC雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)類型,同時相關(guān)機床參數(shù)與實際加工機床一致,如圖3所示。

圖3 IMSpost平臺后處理搭建

1.3 編程格式的設(shè)置

本文對編程的代碼進行系列優(yōu)化,匹配機床實際加工及優(yōu)化機床加工相關(guān)操作及工藝。IMSpost軟件主要設(shè)置程序開始(相關(guān)程序要求)[2]、操作開始(換刀冷卻開始位置)、操作結(jié)束(換刀需要)、程序結(jié)束(加工結(jié)束后機床相對位置)、主軸、冷卻液(在合適的位置開關(guān)切削液)、換刀等內(nèi)容。設(shè)計人員主要考慮第一次換刀及多個工序轉(zhuǎn)換間換刀之前一系列操作動作(機床回零、刀具位置等),確保換刀順利進行,設(shè)備安全運行,如圖4所示。

圖4 機床換刀設(shè)置

1.4 UG CLFS刀位文件的輸出

UG NX輸出的刀位文件需要特定的設(shè)置才能正確讀入IMSpost平臺中[3],并對該刀位文件正確識別出快速移動、切削移動、刀具號及刀具補償?shù)戎噶?軟件根據(jù)讀入的刀位點坐標值及刀具向量值,IMSpost后處理平臺將相應(yīng)的刀位點、向量值轉(zhuǎn)換為機床匹配的NC代碼,滿足機床加工精度要求,如表3所示。

表3 刀位點及刀具向量與NC代碼轉(zhuǎn)換

2 葉輪加工工藝

編程人員(1)分析葉輪幾何特征(主流葉片、分流葉片、輪轂面、圓角面等),根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品材料選擇合適的加工刀具,確定加工工藝,制定合適的加工方案,并進行工藝優(yōu)化(不同切削參數(shù)下的產(chǎn)品質(zhì)量);(2)通過五軸編程軟件規(guī)劃刀位軌跡路線,并進行仿真驗證;(3)選擇合適的后置處理,進行試切加工;(4)投入實際生產(chǎn),如圖5所示。

圖5 葉輪加工技術(shù)路線

葉輪加工過程如圖6所示,首先進行葉輪整體開粗,使用R3球刀,然后使用R3球刀分別對主葉片、分流葉片進行精加工,葉輪輪轂面采用往復(fù)走刀進行精加工,對主葉片、分流葉片根部未加工到位部分進行清根加工(R1.5球刀),最后對分流葉片弧面部分進行精加工。輸出并保存粗精加工刀位文件,UG刀位文件后綴名為．CLS。葉輪加工工藝參數(shù)如表4所示。

圖6 葉輪加工工藝

表4 葉輪加工方法及刀具選擇

葉輪實際加工工藝及參數(shù)受葉輪的實際使用情況影響,根據(jù)現(xiàn)場葉輪加工參數(shù)及機床長時間加工優(yōu)化,該機床下的加工工藝參數(shù)如表5所示[3]。

表5 常見加工工藝參數(shù)

3 后處理仿真一體化

IMSverify 是一個機床作動模擬系統(tǒng),透過機床模擬運行實際G代碼驗證,模擬NC加工過程,以檢測刀具路徑中是否可能存在的錯誤風(fēng)險,事前預(yù)防零件、夾具、刀具、刀桿和機床干涉之檢查,提供加工者更完整模擬驗證,進而得到正確加工。

IMSverify真正實現(xiàn)以實體為基礎(chǔ)的模擬提供了最準確的材料加工驗證。從UG NX的CAM系統(tǒng)中導(dǎo)入毛坯和夾具的實體,模擬過程中的結(jié)果也保存為實體,可作為進程中的中間毛坯,以及與原始設(shè)計零件資料的比對。與IMSpost產(chǎn)品整合,使用IMSpost查看CAM系統(tǒng)的APT資料[4],UG NX通過專用接口啟動IMSverify,如圖7所示。

圖7 NX-IMSverify 一體化仿真

通過輸入NC代碼、選擇圖7設(shè)置好的與實際加工一致的機床模型[5]、匹配機床加工的合適后處理,并加載設(shè)計模型、毛坯模型、夾具體等,模擬分析實際加工過程中出現(xiàn)的任何問題(過切、撞刀、欠加工),并進一步優(yōu)化加工的工藝參數(shù),提高加工效率與加工質(zhì)量。具體仿真過程如圖8所示。

圖8 葉輪實體化仿真

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了實際機床的3D結(jié)構(gòu)及運動學(xué)關(guān)系,通過IMSpost后處理平臺導(dǎo)入實際3D機床模型,并加載了與實際機床系統(tǒng)匹配的控制系統(tǒng),配置正確的輔助參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、換刀動作、冷卻液動作等)、對導(dǎo)入的UG NX編程軟件的CLSF刀位文件進行NC代碼的轉(zhuǎn)換,確保加工的正確性。以葉輪加工編程、工藝分析、工裝設(shè)計等內(nèi)容,通過IMSverify軟件進行實體模擬仿真,確保實際加工時的準確性和穩(wěn)定性[6]。