虞 俊

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164）

基于UG的流線方式加工分流葉片

虞 俊

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164）

與其它計算機(jī)輔助制造軟件一樣，UG的CAM軟件針對葉輪加工給出了獨(dú)立的模塊，此模塊的操作步驟方便、簡潔。針對大多數(shù)葉輪，特別是葉片間距較大的葉輪特別有效。但當(dāng)面對小間隙葉輪時，經(jīng)常出現(xiàn)局部區(qū)域刀具軌跡不完整且頻繁跳刀等現(xiàn)象，因此影響葉片的表面加工質(zhì)量。以實際加工的小間隙離心泵葉輪為例，介紹了基于UG的使用流線驅(qū)動方式加工分流葉片的方法。即指定流曲線和交叉曲線來形成網(wǎng)格驅(qū)動，其中流曲線確定刀軌的形狀，交叉曲線確定刀具的加工范圍。系統(tǒng)在網(wǎng)格范圍內(nèi)產(chǎn)生光滑、連續(xù)的刀軌，從而有效解決了UG葉輪加工模塊在加工此葉輪分流葉片時的跳刀問題。

流線驅(qū)動 分流葉片 葉輪加工 流曲線 交叉曲線。

隨著計算機(jī)輔助制造軟件的深入應(yīng)用和多軸機(jī)床逐步推廣，葉輪成為五軸機(jī)床的較為常見的加工產(chǎn)品之一。各大CAM軟件都提供了相應(yīng)的葉輪加工模塊，以便用戶便捷的完成葉輪的刀具軌跡生成。但面對葉片間隙較小的葉輪，由于刀具較容易與周邊葉片發(fā)生碰撞，這些葉輪加工模塊在生成刀軌時，往往在局部區(qū)域會出現(xiàn)不能完全加工或刀軌不連續(xù)等問題，最終影響整個葉輪的表面質(zhì)量，以UG軟件為例，介紹了使用流線驅(qū)動方式，加工分流葉片的思路與加工步驟。

1 小間隙分流葉片加工中出現(xiàn)的問題

如圖1所示為離心泵葉輪的局部結(jié)構(gòu)，此葉輪材料為不銹鋼，牌號為1Cr13，屬于較難切削材料。分流葉片距離主葉片的距離為3.293 mm，葉片根部圓角半徑為1.52 mm，主葉片的高度34 mm。相對于主葉片的高度，分流葉片與主葉片之間的間隙過小，且分流葉片底部圓角連接不是特別光順(如圖2所示)。

UG軟件自帶有葉輪加工模塊，在加工大間距葉輪時，只需定義輪轂面、包裹面、主葉片、分流葉片和圓角，系統(tǒng)能很方便的生成整體粗加工，葉片、底面和圓角的精加工程序。但在加工較小間隙葉輪時，會在某些加工部位出現(xiàn)加工不完整和跳刀等問題。本例在對分流葉片加工過程中，葉片底部0～20%范圍內(nèi)，出現(xiàn)數(shù)十次跳刀（如圖3所示），隨著加工精度的提高，跳刀次數(shù)以幾何級數(shù)增長。嚴(yán)重影響分流葉片的表面質(zhì)量和加工效率。出現(xiàn)這一問題是因為UG的葉輪加工模塊中為防止過切與碰撞，刀具側(cè)傾角取得相對較大，且用戶無法更改。因此，此處分流葉片只能用五軸曲面精加工策略來完成。

圖1 離心泵葉輪的局部結(jié)構(gòu)

圖2 分流葉片底部圓角

圖3 葉片底部跳刀

2 驅(qū)動方式的選擇

為得到較為光順的分流葉片表面質(zhì)量，五軸精加工策略中有曲面驅(qū)動和流線驅(qū)動兩種方案可供選取。兩者特點(diǎn)如下。

曲面驅(qū)動對驅(qū)動體的要求較為嚴(yán)苛，驅(qū)動體必須為曲面，且是排列整齊的曲面柵格（如圖4所示），即需要有光滑、連續(xù)的UV方向，否則系統(tǒng)提示驅(qū)動體無效。另外，曲面驅(qū)動只能有“對中”和“相切”兩類刀具位置。

圖4 曲面柵格

圖5 流線柵格

流線驅(qū)動較曲面驅(qū)動而言非常靈活，驅(qū)動體可以是曲面、邊、點(diǎn)等元素，當(dāng)選用曲面做驅(qū)動體時，可以是UV方向規(guī)則排列的曲面，也可是UV方向排列雜亂的曲面（如圖5所示）。流線驅(qū)動時加工范圍可系統(tǒng)自動判斷，也可手工選取。流線驅(qū)動有“對中”、“相切”和“接觸”三類刀具位置。

曲面驅(qū)動和流線驅(qū)動，是五軸加工時最為常用的兩種方式，對于較為光滑的待加工表面，相同的殘留高(若同為0.002 mm)，曲面驅(qū)動能得到精度較高的加工質(zhì)量，若待加工面UV變化較大，排列不一致，則流線驅(qū)動更具柔性。

3 分流葉片曲面分析

3.1 倒拔模角度測量

分流葉片內(nèi)側(cè)模型中存在倒拔模角度，需對此進(jìn)行測量，以便更有效地確定加工該處時的刀具側(cè)傾角。單擊UG軟件中的【分析】→【形狀】→【拔模】菜單欄，拾取分流葉片內(nèi)側(cè)表面并確定，測得內(nèi)型腔存在-37.1°倒拔模角度（如圖6所示）。故在加工此面時，若不設(shè)置前傾角，刀具相對于此面的側(cè)傾角需大于該值。

圖6 分流葉片內(nèi)側(cè)模型倒拔模角度

3.2 分流葉片表面的UV排列

觀察分流葉片表面的UV排列，以便確定選用何種驅(qū)動方式。拾取分流葉片的所有曲面，按下Crtl+J，在線框顯示欄中，設(shè)置U、V數(shù)量均為20，分流葉片的UV排列如圖7所示。內(nèi)、外側(cè)面UV方向較為規(guī)則，但圓角部分，前緣、后緣UV排列呈碎片化。若使用曲面驅(qū)動，則需分成二十多塊區(qū)域進(jìn)行加工，區(qū)域與區(qū)域間接刀痕跡明顯，影響整體質(zhì)量。

圖7 分流葉片的UV排列

為使加工后分流葉片表面光滑、平整，宜采用流線驅(qū)動，將分流葉片分成前緣、后緣、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面和頂面五個區(qū)域進(jìn)行加工。

4 流線驅(qū)動加工分流葉片

單擊UG軟件中的“創(chuàng)建操作”按鈕，選擇加工類型為“mill_mutli_axis”,子類型為“variable_streamline”選擇刀具為R1.5的球形刀，選擇相應(yīng)幾何體和加工方式后，進(jìn)入可變軸流線曲面精加工界面。拾取如圖8陰影部分所示，內(nèi)側(cè)曲面及周邊圓角作為加工區(qū)域。

圖8 分流葉片的陰影

單擊“流線”驅(qū)動方式對應(yīng)的“編輯”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)所選區(qū)域自動生成流曲線和交叉曲線（如圖9所示），雖然看似光順連續(xù)，但在與前、后緣相接處，刀軌較中間部位緊密，加工后此處明顯內(nèi)凹。為得到最佳效果，需手動指定流曲線和交叉曲線。拾取如圖10所示底部圓角下邊緣線串為流曲線1，頂部圓角上邊緣線串為流曲線2，用于控制刀軌流向；拾取前緣圓角線串為交叉曲線1，后緣圓角線串為交叉曲線2，用于控制刀軌起始端與終止端。圖中流線路徑較自動選取時更簡潔、均勻。切削模式為“往復(fù)上升”，步距離為殘留高度0.002mm，刀軸方向為“側(cè)刃驅(qū)動體”，角度為39o。

圖9 分流葉片的底部圓角

其余四組面串的處理方式與以上步驟相同，分流葉片加工仿真效果，如圖11所示。采用流線驅(qū)動方式加工分流葉片，雖然操作步驟較直接使用葉輪加工模式復(fù)雜，但有效解決了小間隙處反復(fù)跳刀問題，前、后緣和圓角處加工質(zhì)量得到明顯提高，同時加工時間節(jié)省了30%左右。

圖10 分流葉片的底部圓角下邊緣線

圖11 分流葉片加工仿真效果

5 結(jié)語

雖然各大CAM軟件均給出了葉輪加工的獨(dú)立模塊，但在實際應(yīng)用過程中，往往出現(xiàn)各種問題。本文以實際加工的離心泵葉輪為例，講述了基于UG流線驅(qū)動的小間隙分流葉片的加工思路與操作。這一驅(qū)動方式和思路可應(yīng)用于整個葉輪的精加工過程中。同時，也為其他復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動精加工提供了解決策略。

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