基于UG的汽輪機葉片四軸加工方法的研究

張文建，彭一男，馮恒昌

（華北電力大學，保定 071003）

0 引言

UG NX7.0的CAM模塊包括平面銑、型強銑、固定軸曲面輪廓銑、可變軸曲面輪廓銑、車加工、切削仿真及后處理等十幾個子模塊，每個子模塊中又包括多種不同的模板。用戶通過使用NX CAM提供的不同加工模塊，根據零件結構，加工表面形狀和加工精度要求選擇適合的加工類型，可以進行各種復雜零件的粗精加工。

1 葉片工藝分析

汽輪機葉片主要應用在汽輪機發動機上，零件對加工后的表面粗糙度和輪廓精度要求較高。其葉身較長、葉片壁薄，所以合理的進行加工程序的編制，選擇合理的切削用量、因地制宜地選用刀具材料成為順利加工出該零件的關鍵技術之一。選用四軸數控加工中心進行葉片加工，其通過控制刀軸各個矢量方向的改變來加工各曲面，在編制加工程序時需要注意各曲面刀路的重疊相接。根據葉片的特點，我們采用的程序編制流程為：型腔銑粗加工葉片，固定軸輪廓銑半精加工和精加工葉片的各個曲面，最后區域銑削精加工葉柄部分。

2 加工操作

UG的CAM模塊提供了交互式編程產生精確具軌跡的方法 ,用戶可通過觀察刀具運動來圖形化編輯刀具軌跡,最終的刀位源文件經過后置處理即生成數控加工程序。

2.1 準備工作

首先建立毛坯，在建模環境下，通過拉伸得到葉片的毛坯，半徑為80mm。進入加工環境，建立加工坐標系。坐標系建立在毛坯的中心，通過旋轉葉片，使葉片模型全部在毛坯范圍內。由于葉片有彎扭角度，在建模時需要建立兩個工藝臺，以便在裝夾時使兩邊中心對中。在加工時，粗加工出工藝臺并留出精加工時刀具下刀的位置即可。建立3個基準面，為以后設置安全平面做準備。工藝臺與基準面建立如圖1所示。最后創建一把端銑刀和一把球頭銑刀，端銑刀直徑為7.7mm，球頭銑刀直徑為6mm，半徑為3mm。

圖1 工藝臺與基準面的建立

2.2 編寫型腔銑粗加工程序

型腔銑程序作為粗加工程序可快速出去除零件的毛坯余量，為零件的后續加工做準備。首先建立粗加工坐標系，使Zm軸方向與葉身曲面法線方向一致。在部件選擇時注意將工藝臺作為加工部件選中，同時需給刀具留出進刀的距離。走刀方式選擇跟隨周邊。跟隨周邊用于創建一條沿著輪廓順序、同心的刀位軌跡，能維持刀具在步距運動期間連續地進刀，以產生最大化的材料切除量。刀軸方向為指定矢量，方向與葉片后緣曲面法線一致。刀具選擇直徑為7.7mm的端銑刀。粗加工時，全局每刀深度可以稍大一些，設置為1mm。在切削層設置項中，選擇斜基準面作為切削層的終點。在切削參數項中，將底部面與側壁量一致去掉，底部余量和壁余量分別設置為0.25mm和0.1mm。在非切削移動中，安全項中選擇使用繼承的，進刀的各參數設置如圖2所示。最后設置進給和速度項，點擊生成按鈕，生成刀具路徑。葉片后緣刀路軌跡如圖3所示*。同理可生成葉片后緣的粗加工程序。

圖2 進刀參數的設置

圖3 葉片后緣的粗加工軌跡

2.3 編寫固定軸曲面輪廓銑加工程序。

固定軸曲面輪廓銑是用于精加工由輪廓曲面形成的區域加工方法，通過精確控制刀軸和投影矢量，使導軌沿著非常復雜的曲面的復雜運動。在切削區域選擇中，選擇要加工的曲面。由于葉片在葉身與葉柄處有一定的陡峭度，所以在進刀角度中選擇45°進刀，這樣可以在陡峭部分得到良好的加工效果。由圖4和圖5對比，可以看出在陡峭部位，取90°的進刀角度會有明顯的刀路斷接現象，45°進刀角度刀路連接順暢，稀疏合理。

圖4 采用90°進刀的刀路軌跡

圖5 采用45°進刀的刀路軌跡

在刀軸選擇時，半精加工與精加工的刀軸選擇可以稍微不一樣，這樣加工出來的曲面精度較高。對于半精加工，刀軸方向和Zm軸一直，而在精加工中，用兩點選擇方法選擇垂直于葉片的葉柄棱線作為刀軸的方向。半精加工時，余量都為0.1mm，進刀類型為插削，安全設置為平面，利用上面建立的斜基準面偏置一定距離來設置安全平面。精加工時只要將余量設置為0，其余和半精加工設置的參數一樣。

2.4 編寫其他表面精加工程序。

由于葉片有彎扭角度，只變換兩次加工角度加工不到全部的葉身，需要通過選擇不同的切削曲面來建立其它加工程序來完成。選擇曲面時可以通過剪裁曲面來選擇，也可以通過設置區域方法來界定。為了使編程簡單，本文采用設置區域方法來界定。區域銑削驅動方法為非陡峭，陡角為20°。

2.5 程序模擬仿真

對已編寫的程序進行模擬仿真是檢驗程序正確性最為直觀快捷的方法，編程人員可通過UG NX7.0附帶的程序仿真功能檢驗程序的正確性，具體的操作步驟如下：

在幾何視圖下，選擇所有程序右擊，選擇【刀軌確認】命令，彈出【導軌可視化】對話框，選擇【2D動態】選項卡，點擊開始，即可以看到模擬仿真的過程。2D仿真狀態通過不同刀路顏色可看到整個程序中每一步的仿真狀態，可更直觀的檢查程序的正確性。

2.6 后置處理

后置處理的任務是根據機床運動結構和控制指令格式，將前置計算的刀位數據轉換成機床各軸的運動數據，并按其指令格式進行編碼，成為數控機床的加工程序。具體操作步驟如下：

圖6 后處理對話框

圖7 部分NC代碼

首先利用UG/Post Builder的后置處理程序，通過設置機床的控制系統、最大行程等相關參數創建3個可實現從刀位文件到G指令轉換處理的控制文件。然后在幾何視圖下，選擇粗加工程序右擊，選擇【后處理】，彈出后處理對話框，如圖6，選擇mazak h630，點擊應用，即生成粗加工程序的NC程序。同理可生成精加工后處理程序。部分NC代碼如圖7所示。

3 實際加工

將后處理生成的NC代碼通過串行通訊接口傳送到加工中心系統即可進行實體加工。通過葉片加工實例表明，加工出來的葉片表面粗糙度小，輪廓清晰，精度較高，符合設計要求。

4 結論

通過應用 UG軟件完成四軸數控編程加工葉片，提高了葉片加工精度，縮短了葉片的生產周期，為葉片類零件的制造提供了切實可行的方法。由實例可以看出其各種參數的設置、整個葉片加工工藝的制定以及編程者的經驗等都是成功加工出葉片的關鍵因素。本文對葉片類零件的四軸編程和制造具有一定的參考價值。

[1] 汪光遠.血泵葉輪四軸數控加工方法[J].制造技術與機床,2008(10):117-119.

[2] 顧京.王振宇.UG軟件在導風輪制造中的應用[J].現代制造工程,2005(12):127-129.

[3] 肖世宏.UG NX 5 數控加工[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4] 周立波,李厚佳.基于UG的加工仿真及后置處理器的開發[J].制造業自動化,2009(2):47-50.

[5] 王文平,趙躍文,王莉.基于 UG的可變軸加工與后置處理[J].新技術新工藝,2006(6):11-13.