整体叶轮的五轴数控编程的关键技术_加工_中国百科网
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整体叶轮的五轴数控编程的关键技术
    0 引言
　叶轮类零件主要是由光滑复杂曲面构成，叶片壁很薄并且是扭曲的，由于其形状复杂，相邻叶片之问空间狭小，加工难度很大，必须采用多轴的方法才能实现加工。五轴联动数控机床对CAM软件的要求非常高，UG软件除了提供强大的三轴加工外，还提供了比较成熟的多轴加工模块，是一款非常适合进行五轴联动加工编程的数控软件之一。
　　整体式叶轮的加工是指轮廓和叶片在同一毛坯体上进行的整体加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮廓上的工艺方法，所以在加工中有很大的难度。下面以整体叶轮加工为例，讲述五轴数控编程中的一些的关键技术。
1 整体叶轮加工工艺分析
　　对零件进行工艺分析是编写加工程序之前的必备工作，分析工艺时必须充分了解零件加工的工艺特点，合理编写加工程序，以制造出符合要求的零件。叶轮零件五轴加工程序编制流程如下。
　　1.1 叶轮零件毛坯的装夹定位
　　叶轮零件的毛坯可以用数控车床车削成型，毛坯形状如图1所示。叶轮中间的圆孔用于加工时的装夹定位，在加工时，将毛坯放人与之配合的圆柱上，再用螺母压紧毛坯便可以实现零件的装夹定位。再通过压板螺栓将圆柱和叶轮一起固定在工作台上。如图7所示。
　　1.2采用的五轴数控机床类型
　　五轴机床共有三种，包括五轴带双转台，五轴双摆头和五轴带一转台一摆头机床。本例选用带一摆头和一转台的五轴数控铣床，除了X，Y，Z三个轴外，还加上绕Y轴旋转的B轴，绕z轴旋转的C轴。如图8所示。
图8选用的五轴数控机床示意图
1.3 叶轮加工选择
　　由于叶轮叶片之间的间隔距离小，而且叶片是扭曲的，这就决定了加工流道时刀杆必须在两叶片之间的范围内不断的摆动，刀具才不会与叶片发生干涉。加工时刀杆的摆动决定了粗加工和精加工刀具都要采用球刀。采用球刀底刃加工叶轮流道，利用球刀的侧刃加工叶轮的叶轮叶片。可根据加工要求和叶轮材科做相应选择。
2 数控加工叶轮流道时的刀轴控制
　　2.1 保证刀具轴在两叶片之间的范围内摆动　刀具又不会与叶片发生干涉
　　叶轮流道的加工是整个零件的加工难点，由于叶片之间的间隔距离小，而叶片的扭曲程度决定了加工时刀具轴的摆动范围，刀具轴必须在两叶片之问的范围内摆动，刀具才不会与叶片发生干涉。
　　2.2 刀轴控制方法
　　叶轮流道的加工采用UG软件中的可变轴曲面轮廓铣加工的多轴铣削加工功能，在变轴铣的过程中，刀轴在沿着刀路运动时可以不断改变方向。刀轴是指从刀尖方向指向刀具夹持器方向的矢量。如图9所示。UG的可变轴曲面轮廓铣提供了大量的刀具轴矢量选项，从而控制刀轴在加工时的摆动。
图9刀轴矢量
　　本例采用‘朝向点’的刀轴控制方法，通过指定一个聚焦点来定义可变刀轴矢量，刀轴矢量以刀柄为起点指向聚焦点，如图10所示。在通过UG软件在叶轮的流道上方画一个点，以这个点作为聚焦点，‘朝向点’的刀轴控制方法可以使刀具在加工叶轮流道时刀轴始终朝向这个点。加工的刀路如图11所示。要保证刀具加工到流道的每个角落的同时又不会与叶片干涉，可以通过鼠标旋转叶轮实体，观察点在流道上的投影，如图12、图13所示。如果叶轮流道上方的点的投影在流道的每个角落，不会被叶片挡住，那么就可以保证刀具在加工流道的时候不会与叶片发生干涉。如果会被叶片挡住，就要重新选择新的点作为聚焦点。图10朝向点的刀轴控制方法
图10朝向点的刀轴控制方法
3 采用五轴定位加工，减少叶轮的加工时间，提高叶轮加工效率
　　前面对叶轮流道的粗加工采用可变轴曲面轮廓铣的多轴铣削加工功能，刀具沿着曲面不断摆动刀杆进行加工，避免和叶片干涉，由于刀杆在摆动，所以必须用球刀加工，球刀加工效率比较低，要完成叶轮流道的粗加工需要很长时间。五轴定位加工是先将刀具主轴旋转到某一个所需要的方位，然后对工件进行加工，在对工件进行切削加工的过程中，刀具主轴的方位不发生变化。如何运用五轴定位加工，减少叶轮的加工时间，提高叶轮的加工效率?
　　通常三轴铣削加工曲面时，刀轴方向是固定的z轴方向，粗加工可以采用圆鼻刀，尽快去除大部分的材料余量，加工效率比较高。在UG五轴数控加工中的刀轴控制可以定义‘固定’和‘可变’两种方式的刀轴方位。‘固定刀轴’将保持与指定矢量平行，在整个加工的过程，刀轴矢量方向固定不变，如图14所示。而‘可变刀轴’在沿刀轨运动时将不断改变刀轴矢量方向。
图14固定刀轴矢量
　　在叶轮的流道粗加工中，要提高效率就岿须用圆角刀进行粗加工，我们可以采用五轴定位加工，即选择多轴加工方式下的固定轴曲面轮廓铣，刀轴控制定义为‘固定’刀轴方位，这样就可以采用圆角刀进行叶轮流道的粗加工。刀轴的固定方向的确定可以通过鼠标对叶轮实体的旋转拖动，如果叶轮流道完全暴露在视线下，不被叶片挡住，通过设置当前‘视图方向’作为‘刀轴矢量’的固定方向。这样就可以采用圆角刀对叶轮流道进行粗加工，加工时间大大减少。
　　由于叶轮叶片的扭曲，通过鼠标对叶轮实体的旋转拖动，叶轮流道可能不会全部暴露在视线下，部分流道会被叶片挡住，如果采用‘固定’刀轴方位。用圆角刀进行叶轮整个流道的粗加工，刀轴和叶片就会产生干涉，部分的叶轮流道加工不到。这种情况可以先对流道的可见部分进行粗加工。然后旋转叶轮实体，将剩下没有加工的部分流道暴露在视线中，用圆角刀对剩下的部分流道进行粗加工，从而完成整个流道的粗加工。也就是一个叶轮的流道需要分成两个部分分别加工完成，其加工效率同样大大提高，加工时间减少。
4 UG软件自动编程后置处理的关键技术点
　　用UG软件对产品生成多轴加工的刀路后，需要通过后处理文件生成所需要的程序。UG系统已经提供了若干现有的后处理器，也可以通过后置处理构造器(UG POSTBuflder)为特定的数控机床定制后置处理器。后置处理构造器可以灵活的定义数控机床的操作指令以及程序输出的顺序和格式等等。下面简单介绍通过后置处理构造器生成后处理文件的几个关键技术点。
　　4.1 机床类型的选择
　　运行后置处理构造器后，首先根据自己已有的机床种类，选择多轴机床的种类。本例选用五轴带转头和轮盘的多轴数控机床类型。如图15所示。
　　4．2选择数控的类型
　　用户可以选择通用机床类型或者从库中选择相应的机床类型，同时也允许用户自定义控制器的类型。本例从库中选用法兰克控制系统。如图16所示。
　　4.3 摆头旋转中心偏置的距离
　　本例中使用的五轴数控机床还必须测量出摆头旋转中心至刀尖的距离，输入到后置处理构造器的参数设置中去。如图17所示，距离测量方法是：先将摆头旋转的角度设置为0度，将刀尖接触工件表面，记下机床坐标，然后将摆头旋转的角度设置为90度，让刀杆刚好接触工件表面，记下机床坐标，前后两个坐标之差再减去刀杆半径就是所要测量的摆头旋转中心至刀尖的距离，即摆头旋转中心偏置的距离，输人到参数设置里即可。
图17摆头旋转中心偏置
　　4.4 程序指令的自定制
　　后置处理构造器中的程序选项卡可以对生成的程序指令进行定制，例如对于华中数控系统，程序指令与法兰克数控系统的程序指令有点不同，可以在后置处理构造器中进行程序代码修改定翩。如图18所示。不要的指令可以拖人旁边的回收站，保存生成后处理文件。最后在刀路后处理时选择定制的后处理文件直接生成适合自己数控系统的数控程序。
图18程序指令的自定制
　　五轴数控加工编程软件有很多，但不同软件的多轴加工的很多技术原理是相似的，只要掌握五轴数控加工编程的关键技术要点，合理的设置软件的其它参数，就可以顺利的加工出符合要求的零件。叶轮类零件是一类具有代表性复杂曲面零件，通过对典型零件叶轮数控加工的研究和实践，能够更好的理解和运用五轴数控加工技术。
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UG自动编程的叶轮加工（五轴联动加工中心）
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3秒自动关闭窗口蒋丽 Jiang Li（建东职业技术学院，常州 213022）
（Jiandong Vo-Tech College，Changzhou 213022，China）
摘要：五轴程序的编写、后置处理 （POST）、VERICUT仿真验证，一直是五轴加工的焦点。本文利用德国SIEMENS公司UG NX4提供的五轴编程功能，规划流道和叶片的粗、精加工工艺，编制加工轨迹，利用VERICUT仿真验证加工轨迹的合理性，最后利用配备SIEMENS 840D系统的DMG 75V机床完成加工。
Abstract: The five-axis process, post treatment (POST) and VERICUT simulation have been the focus of five-axis machining. This paper uses five-axis programming provided by UG NX4 of Germany SIEMENS Company, plans the rough and finishing process of flow channel and leaves, prepars process trajectory, uses the VERICUT simulation to test and verify that the processing path is reasonable, finally uses the DMG 75V machine equipped with SIEMENS 840D system to complete the processing.
关键词：五轴；数控编程；UG；VERICUT
Key words: five-axis；CNC programming；UG；VERICUT
中图分类号：TH16&&&&&&& 文献标识码：A&&&& 文章编号：（5-01
&&&&&&& 0& 引言
&&&&&&& 叶轮是涡轮式发动机、涡轮增压发动机等的核心部件。现在比较常见的就是汽车的涡轮增压器。整体叶轮的形状比较复杂，叶片的扭曲大，极易发生加工干涉，因此其加工的难点在于流道、叶片的粗、精加工。本文将利用UG NX、UG/Post Builder、VERICUT对五轴编程中的三大难点（刀路轨迹的编写、后置POST的编写、仿真验证）进行详细的说明。
&&&&&&& 1& 加工工艺分析
&&&&&&& 考虑到整体叶轮实际的工作情况，一般整体叶轮的曲面部分精度高，工作中高速旋转，对动平衡的要求高等诸多要求，结合叶轮的形状、结构特点、材料安排工艺路线如下：1、铣出整体外形，钻、镗中心定位孔；2、精加工叶片顶端小面；3、粗加工流道面；4、精加工流道面；5、精加工叶片面；6、清角。作者主要研究了流道开粗、精加工和叶片精加工加工轨迹规划。对于整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件，应选择它的底面圆心作为工件的原点，进而简化工件的找正和后处理过程。根据整体叶轮的几何模型特征，可以基本上确定例如加工所使用机床型号、刀具参数、夹具和装夹方式等。叶轮的加工使用DMG 75V的机床，SIEMENS 840D的控制器。该机床配备有X、Y、Z三个线性轴，B、C两个回转轴构成了一台标准的TH（Table_Head）结构的五轴联动加工中心。刀具的使用方面，五轴联动加工中优先使用球头刀和圆角R刀加工，这样可以最大程度上减少由刀具引起的过切和干涉。对于流道较窄的叶轮，在加工窄流道处时，可以适当选择锥度球头铣刀，可以有效的提高刀具的刚性。
&&&&&&& 流道开粗加工过程去除主要加工余量，直接影响着精加工的效率和质量，提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布，切削过程中切削深度不断变化，刀具受力变化较为剧烈，大大缩短了刀具寿命，降低了加工质量，这需要合理规划加工轨迹。流道开粗加工通常需分成若干层渐进开粗。顺着流道面的方向分割流道区域，可使粗加工的各层厚度比较均匀，加工过程稳定。另外除以上方法之外还有三轴开粗的方式，即3+2方式。具体的方法是先按某一方向以三轴的方式开粗，完成后工件转动一个角度继续完成未加工到的区域。两种方法各有优缺点，五轴开粗后余量均匀，但刀轨的编写比较困难；三轴开粗方法简单，程序编写容易，但开粗后余量不均匀，还需做半精加工，均匀化余量。
&&&&&&& 2& 加工轨迹的编制
&&&&&&& 五轴切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了五轴切削机床和切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的五轴加工CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、刀具轨迹编辑优化功能、加工残余分析功能等。数控编程时应首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。此整体叶轮的叶片薄，扭曲大，发生加工干涉的概率很高，这主要是影响五轴编程质量的因素；即便很好的解决了以上的问题，还有一个比较重要的就是要控制刀轴在运动过程中的突然变化，因为刀轴的突变带来的直接影响就是机床在加工过程中坐标轴方向的位移突然加大，甚至超出机床的运动极限，这是另一个比较重要的地方。UG NX五轴程序的编写，绝大部分依赖辅助驱动曲面的构建。这其中最重要的就是流道面开粗分层辅助曲面的建立。
&&&&&&& 3& 后置处理的编写（POST）
&&&&&&& 后置处理（POST）编写是多轴加工中极其重要的一个环节。编写后处理首先要求对机床的控制器有很深入的了解，对UG的多轴编程很熟练，对UG/Post Builder的结构、程序处理过程、相关设置要熟练，对TCL语言要有很深入的了解，这些都要熟练掌握。这样才具备了编写后处理的基本条件。五轴编程常采用RTCP来进行编程，RTCP功能对机床的运动精度和数控编程的难度进行了简化，对于其它传统的数控系统而言，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的位移；而对于SIEMENS数控系统（当RTCP选件起作用时），是坐标旋转中心的位移，保持刀具中心始终处于同一个位置上。在这种情况下，可以直接编程刀具中心的轨迹，而不需考虑转轴中心，这个转轴中心是独立于编程的，是在执行程序前由显示终端输入的，与程序无关。通过计算机编程或通过选件被记录的三坐标程序，可以通过RTCP逻辑，以五坐标方式被执行。对于这种特殊的应用方法，必须要求使用球形刀具。
&&&&&&& 4& VERICUT仿真验证
&&&&&&& VERICUT是美国CGTECH公司的一种运行于Windows或UNIX平台的计算机上的先进的专用数控加工仿真软件，可以同时进行刀具轨迹和机床运动仿真。VERICUT采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，以检测加工过程中可能存在的问题，为用户挽回不必要的损失！
参考文献：
[1]曹利新.三元整体叶轮曲面造型及其计算机辅助制造技术[J].大连理工大学学报.
[2]UGS PLM应用指导系列丛书.清华大学出版社.
[3]孙春华，陈皓晖，刘华明.复杂曲面整体叶轮CAD/ CAM 技术研究.
[4]李云龙.加工仿真系统VERICUT.西安交通大学出版社.
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