基于NX6和VERICUT的葉輪五軸車銑復(fù)合加工技術(shù)研究*

吳 昊 王凌云 曹永潔

(上海工程技術(shù)大學(xué)制造工程系，上海 200437)

在計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)和數(shù)控多軸加工技術(shù)迅猛發(fā)展之前，整體式葉輪(如圖1所示)加工一般采用鑄造成形后再由鉗工拋光的加工方法，在加工質(zhì)量與加工效率上有明顯缺陷。普通的三軸數(shù)控機(jī)床，由于沒有旋轉(zhuǎn)軸，刀軸方向是固定的，在加工葉片時，葉片面(尤其是吸力曲面)必然存在背對刀軸的情況，產(chǎn)生加工干涉的現(xiàn)象。五軸加工中心配備了兩根旋轉(zhuǎn)軸，使刀軸能夠相對工件旋轉(zhuǎn)，通過五軸聯(lián)動避免了葉片加工的干涉，能夠完成葉輪的銑削加工。而五軸車銑復(fù)合加工中心相當(dāng)于一臺五軸加工中心和一臺車削中心的復(fù)合，可以在一臺車銑中心上，經(jīng)過一次裝夾完成全部車、銑、鉆、鏜攻絲等加工，對于葉輪這類回轉(zhuǎn)類復(fù)雜工件的加工尤為適用。車削和銑削工序合并后，使工序高度集中，避免了多次裝夾帶來的定位誤差，大大提高了加工精度與效率。

1 零件工藝分析

本文中的加工設(shè)備是HTM4075車銑復(fù)合加工中心，該型號機(jī)床是由沈陽機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的第四代五軸車銑加工中心機(jī)床，控制系統(tǒng)為 SIEMENS 840D。適用于軍工、石油、航空航天、船舶、運輸?shù)刃袠I(yè)，能夠滿足高精度、形狀復(fù)雜的大型回轉(zhuǎn)體零件加工的要求。

工件毛坯為φ200 mm的棒料，需要完成整體葉輪的包覆曲面、流道、葉片和圓角主要曲面的加工。對于車銑復(fù)合加工中心，可以一次性完成葉輪外輪廓(包覆曲面)的車削和葉片面與流道面的五軸銑削。工件加工工序卡片如表1所示。

表1 工件加工工序卡片

2 基于NX6.0的刀軌生成

2.1 車削加工模塊

通過剪裁葉輪的包覆曲面可以得到葉輪的外輪廓曲線，將它導(dǎo)入到UG車削加工模塊中，可以對外輪廓進(jìn)行粗精車。為減少銑削余量，鉆孔后還可粗鏜葉輪頂面輪廓，提高加工效率。通過定義部件和毛坯邊界、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、加工余量、進(jìn)退刀和走刀路線生成合理的刀具軌跡，如圖2所示。

2.2 多軸銑削加工模塊

2.2.1 通道粗加工

通道粗加工采用五軸定向多工位型腔銑，即3+2方式。在切削時，B、C軸固定在朝向流道方向上，刀具只作三軸聯(lián)動，分層粗加工流道;一個通道粗加工完成后，C軸旋轉(zhuǎn)一定角度，再分層粗加工下一個通道。在創(chuàng)建型腔銑操作時，應(yīng)注意指定合理的刀軸矢量，如果刀軸矢量過于偏向某一葉片，刀軸被某一葉片擋住而看不到通道的所有區(qū)域，則會發(fā)生干涉現(xiàn)象。生成一個通道的刀路后，用刀路變換命令對其余通道開粗。

2.2.2 葉片面加工

UG多軸加工模塊中的可變軸輪廓銑操作(VARIABLE_CONTOUR)提供了9種驅(qū)動方法和18種刀軸控制方式，可以生成對葉片面和流道面這類復(fù)雜曲面的五軸加工刀路。

設(shè)置驅(qū)動方法時，采用曲面(表面積)驅(qū)動，將葉片面作為驅(qū)動幾何體，利用曲面百分比可以延伸曲面，使刀路更好地切入切出;剖切方向選擇順銑方向，材料方向向外。

刀軸控制方式可采用側(cè)刃驅(qū)動或刀軸插補(bǔ)功能。側(cè)刃驅(qū)動是指由驅(qū)動表面來支配刀具側(cè)面沿驅(qū)動曲面上剖切方向移動，可以通過定義側(cè)刃加工側(cè)傾角(如圖3所示)來控制側(cè)刃與驅(qū)動面劃線之間的角度。

如將這種刀軸控制方式應(yīng)用到本實例中，就是由葉片面來驅(qū)動刀具側(cè)面沿葉片曲面上的U線方向移動。同時，側(cè)刃與葉片曲面的V線之間形成一個側(cè)傾角度，避免發(fā)生干涉。但整體式葉輪的葉片薄，扭曲大，刀軸在運動過程中(尤其是運動到葉片緣頭部分時)容易發(fā)生突然變化，而刀軸突變會使機(jī)床在加工過程中進(jìn)給速度變化加大，產(chǎn)生振動，造成過切。刀軸插補(bǔ)功能(如圖4所示)可以通過在驅(qū)動面上任意指定點，定義矢量去控制指定點的刀軸，在發(fā)生劇烈刀軸變化處指定多個刀軸矢量，便可以調(diào)節(jié)出更順滑的刀軌，提高加工表面質(zhì)量。刀軸插補(bǔ)功能在使用上更具靈活性和可操作性。

2.2.3 流道面加工

驅(qū)動方法和刀軸控制方式與葉片面加工相似，也采用曲面驅(qū)動和刀軸插補(bǔ)來控制刀軸。但在選取驅(qū)動曲面時不能直接選取裁剪后的流道面，而要重新排列曲面的U、V參數(shù)線，使U參數(shù)線或V參數(shù)線沿氣流方向后，再作為刀路的驅(qū)動曲面，如圖5所示。

在設(shè)定刀軸插補(bǔ)矢量時，應(yīng)使刀具盡可能地接近兩側(cè)的葉片面，在不過切流道和葉片的情況下，最大限度地減少葉片面與流道面之間的殘留區(qū)域。

3 后置處理

不同的數(shù)控機(jī)床往往采用不同的指令形式，即使使用同一種數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)不同其指令也大相徑庭。采用UG后處理構(gòu)造器，可以針對所使用的數(shù)控機(jī)床制作專屬的后處理，完成將刀具軌跡及各種加工控制信息轉(zhuǎn)換成符合機(jī)床要求的指令格式，生成用于數(shù)控加工的程序。通過設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)(SIEMENS、FANUC、HAIDENHAIN等常用系統(tǒng)可供選擇)、機(jī)床結(jié)構(gòu)類型(單轉(zhuǎn)臺單擺頭、雙轉(zhuǎn)臺、雙擺頭)、B/C軸參數(shù)(包括設(shè)置B/C軸轉(zhuǎn)角限位和旋轉(zhuǎn)的正負(fù)方向以及擺頭長度補(bǔ)償值等)、單位(英制或毫米)、最大行程、最高走刀速度、最小分辨率、程序開始部分、刀軌移動部分、程序結(jié)束部分等參數(shù)用戶便可以生成與現(xiàn)有機(jī)床相匹配的后處理。在設(shè)置后處理每一項參數(shù)時，都需要與本機(jī)床的參數(shù)一致。如本實例中，采用的是SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，可以使用TRAORI指令激活RTCP(五軸原點跟蹤)功能(測得的刀具長度補(bǔ)償值直接輸入機(jī)床對應(yīng)寄存器中)，則將后處理中Pivot distance設(shè)0即可。

4 加工程序仿真檢驗

如果采取直接使用未經(jīng)過仿真檢驗的程序在機(jī)床上首件試切的方式來驗證數(shù)控程序，對于整體式葉輪這類大型復(fù)雜零件來說研制風(fēng)險與成本太高。雖然UG本身自帶了仿真功能，但它只能對自己生成的刀位軌跡進(jìn)行仿真，而在加工過程中，使用的是刀位軌跡經(jīng)過后處理計算生成的數(shù)控程序。如果后處理設(shè)置的參數(shù)與機(jī)床參數(shù)存在不一致，即使刀軌正確，但所生成的數(shù)控程序卻是錯誤的，就很可能發(fā)生過切、超程、甚至撞刀等生產(chǎn)事故。而且由于零件形狀和機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在生成刀具軌跡的過程中，很難將零件在加工中遇到的所有加工環(huán)境(如機(jī)床和夾具的具體機(jī)構(gòu)、工件的裝夾方式等)都考慮到位，很難確保計算出的數(shù)控加工程序能夠安全、正確地執(zhí)行。所以，使用的第三方虛擬加工驗證軟件是很有必要的。VERICUT軟件是一款專為制造業(yè)設(shè)計的CNC數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化軟件，以模擬加工全過程的方式來校驗加工程序的準(zhǔn)確性，幫助發(fā)現(xiàn)編程錯誤，從而優(yōu)化切削方案，提高大型復(fù)雜零件研制效率。

VERICUT軟件自帶許多常用的數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床模型和刀具庫，用戶可以直接調(diào)用或針對所使用的機(jī)床和刀具進(jìn)行修改(如圖6所示)。在建立機(jī)床模型、數(shù)控系統(tǒng)、加工模型與毛坯、刀具庫和坐標(biāo)系后，導(dǎo)入加工程序，就可以對程序進(jìn)行仿真。通過自動比較功能，可以判斷是否存在過切和欠切，是否還需要對程序進(jìn)行優(yōu)化。

以下是利用VERICUT軟件避免過切的實例:用UG生成刀軌如圖，未發(fā)現(xiàn)有任何過切現(xiàn)象，如圖7所示。

將后處理的程序?qū)隫ERICUT，再虛擬加工后，發(fā)現(xiàn)在切削完一片葉片而進(jìn)行下一片葉片切削的移刀過程中有過切現(xiàn)象，如圖8所示。

檢查程序后發(fā)現(xiàn)，在快速移動的過程中刀具先進(jìn)行了X、Y軸的移動，再進(jìn)行Z軸的移動。這種移動方式在3軸數(shù)控機(jī)床上是安全的;但在5軸聯(lián)動時是不可取的。打開UG后處理構(gòu)造器，進(jìn)入刀軌移動部分，修改快速移動指令格式，使X、Y、Z三軸同時移動，如圖9所示。

用修改后的后處理生成程序，再導(dǎo)入VERICUT進(jìn)行虛擬加工，經(jīng)自動比較未發(fā)現(xiàn)過切現(xiàn)象，如圖10所示。

5 結(jié)語

只有在對現(xiàn)有機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能和運動機(jī)理以及控制系統(tǒng)的功能指令有充分認(rèn)識和了解的基礎(chǔ)上，才能制作出對該機(jī)床相匹配的后處理。再經(jīng)過虛擬加工的反復(fù)檢驗后，制作出的后處理才能應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程中。

本文通過葉輪五軸車銑加工的典型案例，調(diào)整了NX6.0的刀軸控制方法、對HTM4075車銑復(fù)合加工中心制作了專用的后處理，用VERICUT仿真虛擬加工技術(shù)對刀軌、后處理和加工程序驗證了可行性，并在HTM4075上實現(xiàn)了葉輪的車銑復(fù)合加工，實際應(yīng)用效果良好，有助于復(fù)雜曲面多軸加工技術(shù)的工程應(yīng)用。

［1］劉雄偉.數(shù)控加工理論及編程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003(9):123－136.

［2］張惠林.軒繼花，姜士湖.基于VERICUT的五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真［J］.現(xiàn)代制造工程，2006(7):125 －127.

［3］西門子.SIEMENS840D 編程說明書［Z］.西門子，2004.

［4］LEE Y S.Non － isoparametric tool path planning by machining strip evaluation for 5－axis sculptured surface maching［J］.Computer － aided Design，1998(7):559 －570.