摘 要：在HyperMILL軟件中，對(duì)半開(kāi)式整體葉輪進(jìn)行五軸數(shù)控編程，編程得到的刀位軌跡經(jīng)過(guò)內(nèi)部機(jī)床模擬加工驗(yàn)證，用后置處理器將刀位軌跡文件生成機(jī)床可識(shí)別的NC加工指令代碼。在HURCO-VMX42Ui五軸加工中心上對(duì)6061鋁合金整體葉輪進(jìn)行加工，并通過(guò)結(jié)合設(shè)備準(zhǔn)備功能G代碼，對(duì)加工表面質(zhì)量控制。加工結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)HyperMILL軟件五軸數(shù)控編程與刀軌文件的模擬，可避免加工過(guò)程中容易出現(xiàn)的干涉、過(guò)切、欠切等問(wèn)題，提高葉輪加工的質(zhì)量與生產(chǎn)效率；分析VMX42Ui五軸加工中心準(zhǔn)備功能G代碼參數(shù)的修改，工作面的加工精度和表面質(zhì)量有較明顯提升。該研究為其他同類復(fù)雜零件的編程加工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：HyperMILL；整體葉輪；數(shù)控編程；五軸加工；HURCO；加工表面質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TG65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0001-07

Abstract： In the HyperMILL software， five-axis CNC programming is carried out for the semi-open integral JF4g4froqAWghBvIdKcufFnu/CVPM+GmvkegIIScpOc=impeller. The programmed tool path is verified by internal machine tool simulation processing， and the post-processor is used to generate the tool path file to NC machining instruction code recognizable by the machine tool. The 6061 aluminum alloy integral impeller was processed on the HURCO-VMX42Ui five-axis machining center， and the quality of the processed surface was controlled by combining the equipment preparation function G code. The machining results show that through the five-axis CNC programming of HyperMILL software and the simulation of tool path files， problems such as interference， over-cutting， and under-cutting that are easy to occur in the machining process are avoided， and the quality and production efficiency of impeller machining are improved; the modification of the G code parameters of the preparation function of the VMX42Ui five-axis machining center is analyzed， and the machining accuracy and surface quality of the working surface are significantly improved. This research provides a reference for programming and machining of other similar complex parts.

Keywords： HyperMILL; integral impeller; CNC programming; five-axis machining; HURCO; machined surface quality

整體半開(kāi)式葉輪是高端裝備制造中的重要零部件，在軍工、船舶、航空等各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用廣泛，是典型的復(fù)雜零件。整體半開(kāi)式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作面涉及到空氣和液體等介質(zhì)，因此對(duì)工作面的加工精度和表面質(zhì)量有較高的要求，且葉輪幾何結(jié)構(gòu)由空間扭曲流道和超薄大扭曲葉片等復(fù)雜曲面所構(gòu)成，從而導(dǎo)致數(shù)控編程和加工難度大。本文以典型的整體半開(kāi)式葉輪加工為研究對(duì)象，運(yùn)用HyperMILL2021對(duì)葉輪進(jìn)行五軸數(shù)控編程，對(duì)程序進(jìn)行加工仿真研究，并運(yùn)用VMX42Ui五軸加工中心修改G05代碼相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，完成了整體半開(kāi)式葉輪的實(shí)際機(jī)床加工，為類似葉輪的加工效率提高和加工精度優(yōu)化提供了實(shí)際參考。

1 半開(kāi)式葉輪幾何特征

半開(kāi)式葉輪主要是由輪轂和葉片組成，其中葉片曲面是由前緣、后緣、壓力曲面、吸力曲面及包覆曲面構(gòu)成，主要構(gòu)造如圖1所示。本文研究的半開(kāi)式葉輪在HyperCAD模塊中建模得到，模型尺寸如圖2所示。

該葉輪由8個(gè)長(zhǎng)葉片和輪轂組成，沒(méi)有短葉片，與常規(guī)葉輪不同的是，在靠近葉片前緣的位置還有2排壓力曲面的孔洞，作用是改變進(jìn)氣時(shí)壓力曲面負(fù)載量的變化率。葉片的最大高度為24 mm，相鄰兩葉片間的最短距離為17 mm，葉輪底部的最大直徑為Φ180 mm，整體高度為65 mm。底面設(shè)置一個(gè)圓臺(tái)，直徑為Φ80 mm，高度25 mm，方便加工時(shí)與夾具裝夾。

圖1 半開(kāi)式葉輪主要構(gòu)造

圖2 半開(kāi)式葉輪模型尺寸

2 半開(kāi)式葉輪包覆面毛坯車床制作

整體半開(kāi)式葉輪大部分均是由五軸加工中心的聯(lián)動(dòng)來(lái)完成加工，在加工過(guò)程中假如直接選用圓錠毛坯料進(jìn)行加工，則在設(shè)備上去除材料余量的時(shí)間太長(zhǎng)、成本較高，所以先用數(shù)控車床進(jìn)行毛坯預(yù)加工，去除大部分余量后，再安裝到五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行加工。如圖3所示，選用直徑為Φ200 mm，高度為90 mm的圓棒料作為原始毛坯，材料為6061鋁，在數(shù)控車床上加工出由葉輪模型包覆曲線繞軸心旋轉(zhuǎn)得到的包覆面毛坯。

圖3 包覆面毛坯模型

借用UG軟件的CAM模塊，導(dǎo)入毛坯模型進(jìn)行車削刀路軌跡編制，通過(guò)后處理生成加工程序，拷貝到數(shù)控車床上進(jìn)行加工。如圖4所示，原始毛坯分2次車削，首先將模型底面的裝夾圓臺(tái)進(jìn)行加工，確定加工回轉(zhuǎn)中心；其次進(jìn)行二次裝夾，把毛坯掉頭，將加工好的圓臺(tái)進(jìn)行裝夾，執(zhí)行程序加工出所需的包覆面毛坯。完成包覆面毛坯加工后將毛坯模型裝夾到五軸數(shù)控加工中心的工作臺(tái)上，準(zhǔn)備后續(xù)的葉輪加工。

圖4 包覆面毛坯車削過(guò)程

3 HyperMILL數(shù)控編程過(guò)程安排

葉輪毛坯在車床完成預(yù)處理后，接下來(lái)在HyperMILL中對(duì)半開(kāi)式葉輪進(jìn)行工藝安排及五軸數(shù)控編程，基本數(shù)控編程及加工過(guò)程如圖5所示。

圖5 HyperMILL數(shù)控編程及加工過(guò)程

3.1 坐標(biāo)系、模型與毛坯的建立

設(shè)定模型頂面水平圓的中心線交點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)作Z軸豎直指向模型正上方，并通過(guò)在面上指令獲取當(dāng)前平面的笛卡爾坐標(biāo)系，建立水平方向上的X、Y軸，作為模型的加工坐標(biāo)系。

建立模型，新建加工區(qū)域，定義為曲面選擇模式，選擇所有葉輪模型曲面，應(yīng)用生成葉輪的加工模型。

毛坯模型是通過(guò)葉輪的包覆曲面旋轉(zhuǎn)生成。通過(guò)擬合包覆曲面的曲線，生成毛坯的回轉(zhuǎn)母線，用圖形中的旋轉(zhuǎn)命令，選擇回轉(zhuǎn)母線以Z軸為軸心生成模型的包覆面毛坯。在工單列表中新建毛坯，選擇曲面模式定義旋轉(zhuǎn)生成的曲面為毛坯模型。

通過(guò)HyperCAD模塊建立三爪卡盤模型，新建夾具區(qū)域曲面選擇模式選中夾具全部曲面，應(yīng)用生成夾具模型，并通過(guò)移動(dòng)指令將卡爪與模型底面圓臺(tái)貼合，貼合實(shí)際加工時(shí)的裝夾狀態(tài)。

通過(guò)坐標(biāo)系、模型、毛坯及夾具的建立，達(dá)到與實(shí)際加工狀態(tài)完全一致，能夠減少在實(shí)際加工過(guò)程中刀具與模型、毛坯及夾具的干涉碰撞，在生成程序的過(guò)程中就可以通過(guò)模型的檢測(cè)功能避免與解決此類問(wèn)題，建立完全的模型如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)系、模型、毛坯及夾具的建立

3.2 葉輪加工工序的劃分

3.2.1 加工刀具的選擇與確定

選擇合適的加工刀具是實(shí)際加工中最至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，選擇合適的刀具材料和刀具類型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質(zhì)量。刀具的選擇需要充分考慮整體葉輪的形狀、材料等各個(gè)方面的因素。根據(jù)對(duì)該葉輪模型的幾何特征及加工材料等因素的分析，選擇硬質(zhì)合金的球頭刀和錐度球頭刀完成各個(gè)工序的加工。所選刀具參數(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 加工選用刀具參數(shù)

3.2.2 葉輪加工工序以及加工參數(shù)確定

整體半開(kāi)式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其數(shù)控編程和加工的難點(diǎn)主要如下。

1）相鄰葉片間的間距較小，加工時(shí)刀具與毛坯或夾具易產(chǎn)生干涉，一次生成無(wú)干涉的刀位軌跡較為困難。

2）葉片厚度較小，在精加工過(guò)程中容易出現(xiàn)加工變形和振動(dòng)等問(wèn)題，使葉片表面的加工質(zhì)量降低。

3）葉片的扭曲度較大，使刀軸矢量的計(jì)算復(fù)雜化。

HyperMILL是德國(guó)OPEN MIND公司的一款CAM軟件，其中的葉輪加工模塊給葉輪類零件的數(shù)控編程提供了便利，能夠完美地解決上述編程和加工中的難點(diǎn)。并且結(jié)合該軟件開(kāi)發(fā)的不同策略選擇和參數(shù)設(shè)置，可以完成實(shí)際整體葉輪加工，合理規(guī)劃整體葉輪加工工藝，為提高葉輪的加工效率和加工精度提供了很好的解決方案。HyperMILL中葉輪加工的加工工藝表制定參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2.3 葉輪五軸數(shù)控編程

1）葉輪粗加工。葉輪粗加工主要是以去除多余材料為目的，加工出流道與葉片的基本形狀，所以加工時(shí)主要考慮的是加工效率。采用“5X葉輪粗加工”的加工方式完成。

該葉輪相鄰兩葉片間的最短距離為17 mm，所以采用Φ12 mm的球頭刀進(jìn)行第一次流道開(kāi)粗，選用流道偏置的銑削策略，從導(dǎo)入側(cè)進(jìn)刀，平行雙向加工進(jìn)給策略能夠提高加工效率、減少多余的刀具路徑，設(shè)置最大步距3 mm，垂直步距0.5 mm，余量0.65 mm。五軸設(shè)置里可以對(duì)加工過(guò)程中的刀軸傾斜和刀具避讓策略等進(jìn)行設(shè)置。采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工并選擇繞Z軸的避讓策略，以簡(jiǎn)化刀具的運(yùn)動(dòng)，使切削過(guò)程保持穩(wěn)定[3]，最大Z軸角度為90°。

通過(guò)Φ12 mm的球頭刀進(jìn)行第一次流道開(kāi)粗后，在葉根的圓角處因?yàn)榈毒甙霃竭^(guò)大，還會(huì)殘留較大的余量影響半精加工時(shí)小刀具的切入，所以選用一把直徑小于12 mm的刀具進(jìn)行流道開(kāi)粗的修整。選用Φ8 mm的球頭刀對(duì)流道進(jìn)行二次開(kāi)粗，同樣選用流道偏置的銑削策略，從導(dǎo)入側(cè)進(jìn)刀，平行雙向加工進(jìn)給策略，設(shè)置最大步距1.5 mm，垂直步距0.35 mm，余量0.3 mm。

2）半精加工。葉輪的半精加工可以平滑粗加工產(chǎn)生的粗糙表面，減少粗加工留下的誤差，包括對(duì)輪轂曲面和葉片曲面的加工，分別采用“5X葉輪流道精加工”和“5X葉輪點(diǎn)加工”的加工方式完成。

流道半精加工選用半徑為R2 mm的錐度球頭刀進(jìn)行加工，選用全部的銑削策略，從導(dǎo)入側(cè)進(jìn)刀，平行雙向加工進(jìn)給策略，設(shè)置最大步距0.3 mm，切深0.2 mm，余量0.08 mm，采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為90°。

葉片半精加工同樣選用半徑為R2 mm的錐度球頭刀進(jìn)行加工，選用銑削參考為長(zhǎng)葉片，從導(dǎo)入側(cè)進(jìn)刀，平行于流道進(jìn)給策略，設(shè)置最大步距0.3 mm，切深0.2 mm，余量0.08 mm，采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為100°，同時(shí)打開(kāi)貼近葉片和精確避讓特殊功能，減少聯(lián)動(dòng)時(shí)多余的角度和避免刀具干涉。

3）精加工。葉輪精加工過(guò)程要達(dá)到零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求，采用的加工方式與半精加工相同，策略與五軸設(shè)置的參數(shù)內(nèi)容基本一致，不同的是將步距減小，余量為0 mm。

流道精加工選用半徑為R1 mm的錐度球頭刀進(jìn)行加工，選用全部的銑削策略，從導(dǎo)入側(cè)進(jìn)刀，改用平行單向加工進(jìn)給策略，提高表面質(zhì)量，設(shè)置常量步距0.08 mm，余量為0 mm，同樣采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為90°。

葉片精加工選用半徑為R1 mm的錐度球頭刀進(jìn)行加工，與葉片半精加工相比，更改設(shè)置常量步距0.08 mm，余量為0 mm，其余設(shè)置均相同。

4）孔洞加工。前緣的孔洞可以使用定軸進(jìn)行加工，采用“5X投影精加工”的加工方式完成。使用半徑為R0.25 mm的錐度球頭刀，設(shè)置型腔往復(fù)式進(jìn)給策略，加工深度0.24 mm，常量水平步距0.02 mm，分3層加工，每層垂直步距0.08 mm，五軸固定傾斜角度為A軸-31°、C軸43°。

整體葉輪五軸加工刀路軌跡見(jiàn)表3。

表3 葉輪加工軌跡

3.3 葉輪模擬加工及后處理

經(jīng)過(guò)刀位軌跡的編程，所有的加工路徑均已生成，在數(shù)控設(shè)備加工之前還要對(duì)刀軌進(jìn)行仿真驗(yàn)證，檢查加工路徑中是否存在刀具、工件、夾具、機(jī)床及刀柄的干涉碰撞，以及是否產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象。

3.3.1 內(nèi)部機(jī)床模擬加工

在HyperMILL軟件中的內(nèi)部機(jī)床模擬功能，是通過(guò)給定的機(jī)床模型，通過(guò)定義加工的刀具、刀柄、夾具及毛坯等信息，模擬刀具路徑和切削過(guò)程中材料的去除，進(jìn)行碰撞干涉和過(guò)切的檢查，與實(shí)際加工過(guò)程最為接近，對(duì)程序的檢查具有很高的參考性，內(nèi)部機(jī)床模擬加工與干涉檢查結(jié)果如圖7所示。

3.3.2 后置處理器生成NC程序

在HyperMILL環(huán)境中，通過(guò)刀軌編制的pof文件是不能直接用于機(jī)床加工的，利用后處理定制工具HyperPOST創(chuàng)建．oma格式的后處理器，并對(duì)生成的pof文件和加工信息進(jìn)行后處理，生成機(jī)床可識(shí)別的NC程序。粗加工部分NC程序如圖8所示。

4 HURCO五軸數(shù)控加工中心葉輪加工與表面質(zhì)量控制

4.1 加工機(jī)床

在HURCO-VMX42Ui五軸加工中心上完成半開(kāi)式葉輪的加工，機(jī)床的基本參數(shù)見(jiàn)表4。

將包覆面毛坯裝夾到設(shè)備三爪卡盤上進(jìn)行加工，機(jī)床及裝夾如圖9所示。

4.2 準(zhǔn)備功能G代碼加工表面質(zhì)量控制

就根據(jù)目前機(jī)床市場(chǎng)來(lái)看，部分先進(jìn)的數(shù)控加工中心可以對(duì)加工條件進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)設(shè)備對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)備功能代碼G05.x來(lái)設(shè)置加工精度等級(jí)；根據(jù)查閱HURCO-VMX42Ui五軸加工中心電子說(shuō)明書(shū)及機(jī)床參數(shù)手冊(cè)，得知該設(shè)備對(duì)應(yīng)有3種G05代碼可以對(duì)工件的加工表面質(zhì)量進(jìn)行控制。

4.2.1 表面光潔度（G05.1）

該指令決定表面質(zhì)量，Pn定義當(dāng)n=1代表精密，n=2代表標(biāo)準(zhǔn)，n=3代表高效。定義Qm設(shè)定公差值，m為可輸入的誤差值。

4.2.2 數(shù)據(jù)平滑（G05.2）

該指令決定表由2個(gè)要素構(gòu)成。Pn啟用或禁用，當(dāng)n=0代表數(shù)據(jù)光滑關(guān)；當(dāng)n=1代表數(shù)據(jù)光滑開(kāi)；Qm為刀具路徑公差。系統(tǒng)允許刀具路徑偏離的值。m取值范圍在0至0.1之間。

4.2.3 表面精加工品質(zhì)（G05.3）

G05.3指令用來(lái)設(shè)定表面精加工品質(zhì)的選項(xiàng)功能。

格式：G05.3Pn。P取值范圍在1.0～100.0之間，P1能到達(dá)最佳的光滑表面，但需要一個(gè)較長(zhǎng)的切削時(shí)間；P100.0能加快切削時(shí)間，但表面粗糙度較差。

根據(jù)NC程序中的G05.x指令代碼，如圖8中選中的NC代碼所示，對(duì)本次加工葉輪的精加工葉片NC程序進(jìn)行加工表面質(zhì)量控制的驗(yàn)證。為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，采用實(shí)驗(yàn)對(duì)比的驗(yàn)證方法，分別對(duì)6組留一定余量的葉片精加工程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將4組葉片的加工刀具、銑削策略、導(dǎo)入側(cè)、進(jìn)給策略、步距和余量設(shè)為定量，將NC程序中的G05.3Pn值和最大Z軸角度設(shè)為變量，以及增加2組參考實(shí)驗(yàn)，對(duì)G05.2Qm值和步距修改，實(shí)驗(yàn)參數(shù)變量見(jiàn)表5；并對(duì)6次實(shí)驗(yàn)加工完成的葉片拍照記錄，實(shí)驗(yàn)記錄如圖10所示。

對(duì)加工表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)記錄對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)1中當(dāng)G05.3 P值為100時(shí)，在葉片接近后緣位置有較大的疤痕；實(shí)驗(yàn)2中當(dāng)P值為80時(shí)，與實(shí)驗(yàn)1相比疤痕面積有所減?。粚?shí)驗(yàn)3中當(dāng)P值為50時(shí)，與實(shí)驗(yàn)2相比疤痕逐漸消失；實(shí)驗(yàn)4中當(dāng)P值不變?cè)黾覼軸角度時(shí)，與實(shí)驗(yàn)3相比葉片表面質(zhì)量變化不大；在實(shí)驗(yàn)5中，對(duì)G05.2 Q值進(jìn)行增加，與實(shí)驗(yàn)3相比未出現(xiàn)疤痕，但葉片表面出現(xiàn)坑洼，曲面光滑度一般；在實(shí)驗(yàn)6中，對(duì)步距進(jìn)行密化改為0.08 mm，與實(shí)驗(yàn)5相比葉片表面依舊有坑洼，曲面光滑度變化不大。

通過(guò)分析以上6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)表面精加工品質(zhì)（G05.3）對(duì)葉片加工表面質(zhì)量有著較大的影響，隨著P值的減小，葉片加工表面質(zhì)量越光滑；數(shù)據(jù)平滑（G05.2）對(duì)葉片加工表面質(zhì)量也有一定的影響，但影響效果不如前者大，隨著Q值的增加，表面光滑度變差，一般設(shè)置為0.05就可以保證加工質(zhì)量。

4.3 加工完成

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)優(yōu)化NC程序，將G05.3P值設(shè)為40，G05.2Q值設(shè)為0.05，將葉輪整體加工完成，加工完成的葉輪實(shí)物如圖11所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于HyperMILL的半開(kāi)式葉輪五軸數(shù)控編程及五軸數(shù)控加工中心表面質(zhì)量控制研究，主要探討如何利用HyperMILL軟件實(shí)現(xiàn)半開(kāi)式葉輪五軸數(shù)控編程。同時(shí)，本文還研究了五軸數(shù)控加工中心表面質(zhì)量控制的方法。

本文首先介紹了半開(kāi)式葉輪的概念及其特點(diǎn)，并對(duì)半開(kāi)式葉輪五軸數(shù)控編程的流程進(jìn)行詳細(xì)的描述。在編程過(guò)程中，需要考慮加工路徑的規(guī)劃、刀具的選擇和加工參數(shù)的設(shè)置等因素。其次，本文研究了五軸數(shù)控加工中心表面質(zhì)量控制的方法。采用了4個(gè)方面的控制策略，包括表面精加工品質(zhì)（G05.3）P值的控制、數(shù)據(jù)平滑（G05.2）Q值的控制、刀具偏移角度的控制和刀具加工路徑間距的控制。最后，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用HyperMILL軟件實(shí)現(xiàn)半開(kāi)式葉輪五軸數(shù)控編程，配合五軸數(shù)控加工中心表面質(zhì)量控制方法，可以獲得較高的加工精度和表面質(zhì)量。

綜上所述，本文提出了一種基于HyperMILL的半開(kāi)式葉輪五軸數(shù)控編程及五軸數(shù)控加工中心表面質(zhì)量控制的綜合方法，對(duì)于提高葉輪加工的精度和效率具有實(shí)際意義。

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