張文健 孫星星

摘要：在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，整體葉輪的加工具有很強(qiáng)的代表性，本文根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析了數(shù)控加工工藝路線;通過(guò)UG設(shè)置刀具走刀軌跡， UG/Post Builder 后置處理器生成NC代碼;運(yùn)用 VERICUT軟件進(jìn)行了數(shù)控加工仿真;運(yùn)用Production Module軟件對(duì)葉輪加工進(jìn)行了優(yōu)化分析。避免了碰撞和干涉、降低生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)率。

Abstract： In the NC machining of complex curved surface， the machining of integral impeller is very representative. This paper analyzes the NC machining process route according to the structural characteristics of integral impeller. The tool path is set by UG， and the post processor of UG/Post Builder generates NC code. The numerical control machining simulation is carried out by VERICUT software. The Production Module software is used to optimize the impeller processing. Collision and interference are avoided， production cost is reduced， and productivity is improved.

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面;葉輪;數(shù)控加工;加工仿真;優(yōu)化

Key words： complex curved surface;impeller;CNC machining;machining simulation;optimization

0? 引言

整體葉輪作為透平機(jī)械的核心部分，廣泛應(yīng)用于水利、汽車、航空、航天等重要領(lǐng)域，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片薄、呈三維彎扭復(fù)合結(jié)構(gòu)、葉片間隔小，加工中易發(fā)生撞刀、干涉等難題。因此，在加工前利用數(shù)控加工仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證、利用優(yōu)化軟件對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化是很有必要的。[1-5]

本文利用UG NX8.5對(duì)整體葉輪葉片、流道等主要部位進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃，通過(guò)后置處理器優(yōu)化生成數(shù)控代碼，之后利用VERICUT仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢查干涉、碰撞等現(xiàn)象，最后運(yùn)用Production Module軟件對(duì)葉輪加工進(jìn)行優(yōu)化分析。

1? 葉輪加工工藝

整體葉輪的結(jié)構(gòu)主要由輪轂曲面（也稱為流道曲面）、葉片和葉片根部圓角組成，而葉片曲面由壓力曲面、吸力曲面和包覆曲面構(gòu)成，如圖1所示。

整體葉輪的葉片是扭轉(zhuǎn)角度較大的復(fù)雜曲面，葉片與流道面之間需要圓角過(guò)渡來(lái)保證葉片根部的強(qiáng)度。這些結(jié)構(gòu)都會(huì)大大增加制造難度，具體分析如下：①葉片曲面扭轉(zhuǎn)角度大，葉片之間的空間相對(duì)較小，加工時(shí)刀具方向控制需要特別嚴(yán)格，稍有不慎就會(huì)發(fā)生過(guò)切，碰撞等危險(xiǎn)。②由于加工空間受限，選用刀具直徑相對(duì)較小，加工中易產(chǎn)生刀具震顫和刀具折斷等問(wèn)題。③葉片較薄，加工過(guò)程中容易出現(xiàn)彎曲變形。

為了加工出符合技術(shù)要求的整體葉輪，必須全面地分析整體葉輪的結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片曲面、扭轉(zhuǎn)角度、過(guò)渡圓角等進(jìn)行認(rèn)真分析核實(shí)，從而制定出合理的加工方案。

1.1 整體葉輪加工工藝分析

整體葉輪需要加工的位置主要?jiǎng)澐譃槿~片、流道和根部圓角。每部分的加工側(cè)重點(diǎn)都有所不同，因此在制定工藝路線時(shí)既要保證葉輪的加工質(zhì)量，又要保證生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)節(jié)約。通常要遵循基準(zhǔn)在先、工序合理、先粗后精、分面加工的工藝原則。

1.1.1 整體葉輪加工工藝階段劃分

根據(jù)上述的工藝原則要求，將葉輪的加工劃分為三個(gè)階段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是為了盡快地去除葉輪毛坯上多余的大量的材料，加工出葉輪的基本形狀，這個(gè)過(guò)程注重效率;半精加工是進(jìn)一步去除余量，生成加工余量比較均勻的葉輪表面，為精加工做準(zhǔn)備，這個(gè)過(guò)程加工效率與加工質(zhì)量兼顧;精加工是保證零件的加工尺寸和加工精度、粗糙度等完全符合圖紙技術(shù)要求。

1.1.2 加工刀具的選擇

首先，采用的銑刀不僅要具有良好的切削性能、排屑和斷屑性能，而且銑刀幾何形狀要適應(yīng)曲面加工。其次，由于葉片之間的空隙有限，所選用刀桿剛度有要求，否則在加工過(guò)程中容易發(fā)生震顫，嚴(yán)重可導(dǎo)致刀桿折斷。因此，在機(jī)床功率、銑頭轉(zhuǎn)速范圍和機(jī)床剛性足夠的條件下，利用仿真軟件采用不同直徑刀具進(jìn)行計(jì)算，盡量采用大直徑刀具以提高加工效率。[6]根據(jù)上述工藝原則對(duì)刀具做出如下分析：①根據(jù)頂部開(kāi)粗材料去除率大的特點(diǎn)，選用端銑刀進(jìn)行加工，以提高加工效率;②流道和葉片的加工選用球頭刀;③葉片根部圓角的清根，采用球頭半徑與根部圓角相同，且錐度為2°的球頭錐形刀對(duì)葉片根部圓角進(jìn)行精加工。

1.1.3 整體葉輪的加工工藝路線

根據(jù)對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)、制造難點(diǎn)和整體葉輪加工工藝的分析，本文將采用如下加工工藝路線：①頂部開(kāi)粗。將葉輪毛坯頂部多余材料去除。②流道開(kāi)粗。此工序主要是為了去除葉片之間的大部分材料，對(duì)加工效率要求高，因此要快速地將多余材料去除，同時(shí)要留好葉片粗加工和精加工余量。③葉片的粗加工。粗加工注重加工效率。④流道精加工。葉片加工完成后，需要對(duì)流道進(jìn)行加工。此工序需要注意避免刀軸和已加工好的葉片曲面發(fā)生干涉、碰撞。⑤葉片的精加工。精加工注重葉片表面質(zhì)量和尺寸精度。⑥圓角清根。葉片和輪轂之間的連接部分是圓角過(guò)渡，需要對(duì)根部圓角進(jìn)行加工，車間通常把此工序稱為清根。

2? 葉輪數(shù)控加工刀具軌跡

根據(jù)上述工藝路線，借助UG NX8.5提供的多軸銑削加工模塊生成刀具軌跡，UG NX8.5數(shù)控編程流程圖如圖2所示。

根據(jù)上述的加工工藝路線，制定葉輪的加工程序，如表1所示。

各加工程序所使用刀具及相關(guān)參數(shù)如表2所示。

UG軟件操作步驟如下：

①打開(kāi)UGNX8.5由建模環(huán)境進(jìn)入加工環(huán)境，在彈出的“創(chuàng)建幾何體”對(duì)話框中“類型”下拉列表框中選擇類型“mill—multi-blade”，如圖3所示。單擊工具條上的“幾何視圖”，在左側(cè)的樹(shù)形圖上，右擊“workpiece”，選擇“編輯”，彈出“工件”對(duì)話框，設(shè)置“指定毛坯”、“指定部件”等，如圖4所示。點(diǎn)擊在“workpiece”下的“multi_blade_geom1”，彈出“多葉片幾何體”對(duì)話框，完成輪轂、包覆、葉片、根部圓角的設(shè)置，如圖5所示。

②創(chuàng)建刀具。單擊工具條上的“創(chuàng)建刀具”，按表2中所列的刀具的參數(shù)信息，完成刀具的創(chuàng)建，如圖6所示。

③創(chuàng)建工序。單擊工具條上的“創(chuàng)建工序”，進(jìn)入“創(chuàng)建工序”對(duì)話框，完成各項(xiàng)設(shè)置。

④刀軌設(shè)置。對(duì)“刀軌設(shè)置”下各個(gè)參數(shù)如“切削模式”、“步距”、“切削參數(shù)”等進(jìn)行設(shè)置，如圖8所示。

完成各項(xiàng)設(shè)置后，生成刀具路徑，仿真如圖9-圖12所示。

3? UG后處理與代碼生成

3.1 運(yùn)用UG/Post Builder后處理器

UG/Post Builder中需要設(shè)置機(jī)床、程序和刀軌、NC數(shù)據(jù)格式、輸出設(shè)置、后置處理文件預(yù)覽等5項(xiàng)參數(shù)。

3.2 運(yùn)用后處理文件生成NC代碼

將【工序?qū)Ш狡鳌空{(diào)制幾何視圖，以流道粗加工為例，進(jìn)行后處理操作生成NC代碼。流道粗加工NC部分代碼如下：

N130 ;TECHNOLOGY： METHOD

N140 ;TOOL NAME ： BALL10

N150 ;TOOL TYPE ： Milling Tool-Ball Mill

N160 ;TOOL DIAMETER? ? ?： 10.000000

N170 ;TOOL LENGTH? ? ? ?： 40.000000

N180 ;TOOL CORNER RADIUS： 5.000000

……

N740 X-16.73407 Y78.70872 Z22.47822 C6.05533 A-44.98699

N750 X-16.49607 Y78.15932 Z22.68621 C6.05406 A-45.02471

N760 X-16.37476 Y77.88599 Z22.79292 C6.05343 A-45.04361

4? 數(shù)控仿真與優(yōu)化

4.1 VERICUT中進(jìn)行整體葉輪的加工仿真

搭建虛擬機(jī)床，加載機(jī)床驅(qū)動(dòng)，利用軟件的建模模塊根據(jù)機(jī)床的具體情況建立機(jī)床各部分的幾何模型，根據(jù)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)原理設(shè)定機(jī)床初始位置。建立各種加工資源，包括刀具庫(kù)、添加工件毛坯，幾何模型等，如圖13所示。輸入后置處理得到的NC程序，并配置相應(yīng)參數(shù)。實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的仿真，通過(guò)觀察加工過(guò)程，判斷加工情況。根據(jù)日志文件的報(bào)警情況，修改刀具軌跡。仿真過(guò)程如圖14所示。

4.2 Production Module中數(shù)控程序的優(yōu)化

Production Module優(yōu)化分析可以改進(jìn)切削力、溫度、負(fù)載平衡、降低振動(dòng)、縮減加工周期，并且優(yōu)化后的NC程序可以直接進(jìn)行加工。

4.2.1 對(duì)葉輪流道粗加工進(jìn)行仿真分析

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置進(jìn)給速度1m/min，轉(zhuǎn)速2000r/min，通過(guò)仿真分析得到圖15，圖中受力最大的地方在葉片與輪轂交界處，如圖黑點(diǎn)所示為受力最大（對(duì)應(yīng)圖中刀具位置）。由于在加工時(shí)是按層逐步切削，所以最大受力點(diǎn)會(huì)循環(huán)出現(xiàn)。由于刀具受力產(chǎn)生這種循環(huán)波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致切削不穩(wěn)定，容易引起刀具震顫，影響加工質(zhì)量。利用Production Module對(duì)加工進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)置刀具受力峰值為900N得到圖16。圖中紅色線是未進(jìn)行優(yōu)化前加工受力曲線，綠色線是優(yōu)化后受力曲線?？煽闯?，優(yōu)化后，加工時(shí)間由2249.4s縮減到1504.2s，效率提升了33%，而且在整個(gè)切削過(guò)程中，刀具受力變得均勻，未出現(xiàn)急劇變化的峰值。

4.2.2 對(duì)葉片進(jìn)行加工受力分析

如圖17所示，最大受力點(diǎn)在葉片前緣處，進(jìn)行優(yōu)化后切削力變得均勻，見(jiàn)圖18，消除了受力突變峰值，加工過(guò)程平穩(wěn)。

葉片流道優(yōu)化后程序如下：

N60 DEF REAL _camtolerance

N70 DEF REAL _X_HOME， _Y_HOME， _Z_HOME， _C_HOME， _A_HOME

N80 DEF REAL _F_CUTTING， _F_ENGAGE， _F_RETRACT

……

N680 X-8.06997 Y39.18264 Z72.76718 A-45.04361 C6.05342

N690 X-7.982 Y38.88181 Z72.65366 A-45.06247 C6.05279

N700 X-7.88907 Y38.57821 Z72.54713 A-45.0814 C6.05215

5? 結(jié)語(yǔ)

本文以整體葉輪數(shù)控加工為例，運(yùn)用UG NX8.5進(jìn)行數(shù)控加工;運(yùn)用VERICUT軟件建立虛擬仿真，驗(yàn)證了程序的正確性，避免了在實(shí)際加工中出現(xiàn)碰撞和干涉;運(yùn)用Production Module軟件對(duì)葉輪的加工過(guò)程進(jìn)行受力分析并進(jìn)行優(yōu)化，使得加工過(guò)程受力更加平穩(wěn)，縮短加工時(shí)間提高了加工效率。此項(xiàng)研究，避免了碰撞和干涉、降低生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)率，為提高整體葉輪加工水平有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]植田勛.離心式壓縮機(jī)三元葉輪加工程序[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，1986（6）：49.

[2]孫春華，陳暉，劉華明.復(fù)雜曲面整體葉輪CAD/CAM技術(shù)研究[J].高技術(shù)通訊，2003，13（6）：51-53.

[3]曹利新，蘇云玲.三元整體葉輪曲面造型及其計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（5）：681-684.

[4]任軍學(xué)，張定華，王增強(qiáng)，等.整體葉盤數(shù)控加工技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2004，25（2）：205-208.

[5]丁羽鋒，陳德道，馬仲林.基于UG和VERICUT軟件的整體葉輪四軸數(shù)控加工與仿真[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2019（2）：41-45.

[6]楊林建.基于UG的大型水輪機(jī)葉片多軸數(shù)控加工研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（10）：136-139.

[7]王磐，白海清，沈鈺.整體葉輪五軸數(shù)控加工仿真與優(yōu)化[J].工具技術(shù)，2017，51（07）：67-69.