復雜曲面造型及數控加工仿真研究

王啟祥

摘 要：文章以葉輪類復雜造型和數控加工仿真為研究目的，通過對數據進行建模的前處理，將給定的數據變成UG系統能識別的文件，在UG Modeling環境中自動生成槳葉切面線及槳葉輪廓線。并以此為基礎，完成螺旋槳三維實體建模。對整體葉輪在五坐標數控加工工藝規劃進行分析，采用等參數線法分別對葉片的背、腹面和流道面生成無干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距，并最終完成了葉片的數控加工仿真。

關鍵詞：整體葉輪；UG；數控加工；工藝規劃

引言

為確保數控程序的正確性，防止加工過程中干涉和碰撞的發生，在實際生產中，常采用試切的方法進行檢驗。但這種方法費工費料，代價昂貴，使生產成本上升，增加了產品加工時間和生產周期。后來又采用軌跡顯示法，即以劃針或筆代替刀具，以著色板或紙代替工件來仿真刀具運動軌跡的二維圖形，有相當大的局限性。對于工件的三維和多維加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蠟、木料、改性樹脂和塑料等）來檢驗加工的切削軌跡。但是，試切要占用數控機床和加工現場。為此，人們一直在研究能逐步代替試切的計算機仿真方法，并在試切環境的模型化、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進展，目前正向提高模型的精確度、仿真計算實時化和改善圖形顯示的真實感等方向發展。

1 國內外主要研究方法包括

1.1 解析法：包絡加工過程可以看作是刀具與工件的一種嚙合運動，根據空間嚙合原理可知，若兩個構件作給定的相對嚙合運動。雖然該方法在原理上很簡單，但該方程組是含有多個參變量的復雜非線型微分方程組，求解非常復雜，且不具備通用性，為此就要求我們轉換思路，去尋求更好的方法。

1.2 窮舉法：在平面編程中有人采用計算機仿真的方法，即將工件和刀具分別離散成多個截面，每個截面又離散成多個點，在每個截面上，尋找出一系列的嚙合點，再將嚙合點所在的截面與理論曲面進行比較，計算徑向誤差，然后將誤差在插補節點上進行補償，重新模擬加工。如此反復計算誤差大小，反復模擬，直到滿足加工精度為止。此種方法雖然在理論上比較容易理解，也充分利用了計算機的處理數據的性能，但仍然存在很多重大缺陷：首先，復雜曲面數控加工中的刀位軌跡往往是空間曲線，而這里認為刀位軌跡是平面曲線，從而必然存在仿真誤差；其次，將仿真過程與誤差計算融為一體，需要反復模擬加工才能求出滿足精度的刀位軌跡點；再次，程序復雜，計算量大，運行時間長，沒有充分發揮計算機仿真加工的優越性。

1.3 三刀位仿真法：在螺桿的數控加工仿真中，何小妹提出了三刀位仿真方法，其原理為：分別建立工件和刀具的數學模型，用計算機模擬工件和刀具的實際運動關系，首先根據包絡原理，仿真出端截面的包絡形狀，在端截面上尋找徑向最小點作為嚙合初始點；再經過螺旋方向的第二次包絡，即在初始點所在的螺旋線方向上，在給定的搜索區域內（即仿真帶內），尋找徑向最小點，該點即為一個實際刀觸點。將工件旋轉一個角度，用同樣的方法尋找下一個刀觸點，直到完成一個周期內所有點的計算，這一系列刀觸點組成螺桿表面的接觸跡。根據螺旋線、螺旋面的形成原理，將空間接觸跡轉換到端截面上，可得到端截面曲線離散點，再由端截面曲線離散點做出螺旋面方程，則螺桿的實際加工表面可求。計算中為了保證每個嚙合點不被下一次包絡“啃掉”，仿真時采用三個節點確定一個嚙合點的算法，因此，該仿真方法也稱“三刀位仿真法”。這種方法的優點在于克服了窮舉法依次計算每個截面這一弊端，而是在有效的區域內進行計算，充分利用螺桿的特性，從而完成整個螺桿的仿真工作，大大地減少了計算量。不足之處是此算法的思路比較難于理解，計算繁瑣，不易向其它復雜曲面推廣。

葉輪類零件是一類具有代表性且造型比較規范的、典型的通道類復雜零件，其形狀特征明顯，工作型面的設計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質量對其性能參數都有很大影響。故葉輪的設計與制造密不可分。傳統的葉輪加工方法是葉片與輪轂采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪毅上。此方法不僅費時費力，且葉輪的各種性能難以保證。近年來，多軸數控技術尤其是五軸數控技術的發展使得葉輪的整體加工成為可能并日益普及。

數控加工是CAD/CAM技術中的重要環節之一，刀位軌跡規劃又是數控加工技術的關鍵。坯的制備、定位基準及加工路線的擬定、刀具類型和切削參數的選擇，零件粗加工階段的刀軌規劃以及精加工刀軌等，是刀位軌跡規劃的重要內容。由于葉片類零件的空間重疊區域大，在加工過程中需要對刀軸矢量等進行控制。數控加工刀位規劃問題同所采用的刀具以及加工過程中曲面的成形原理密不可分。在不干涉的條件下加工任意復雜曲面，由于球面的點對稱性，僅需確定球心相對于設計曲面的位置，一般勿須考慮刀具的姿態，這就給刀位確定帶來了很大的方便。但是，球頭銑刀的切削速度隨著趨近刀底部而趨近于零，這時球頭銑刀相當于擠壓被加工面，導致工件表面質量惡化，而且在一次走刀下加工的帶寬較窄，嚴重制約了其加工的精度或效率。

本文以整體葉輪曲面造型及數控加工工藝研究等為核心內容，結合數控加工過程中的外延內容如幾何建模等技術，對整體葉輪的五軸數控加工進行了較為全面的研究，借助UG完成了直紋面形式的整體葉輪幾何造型，并通過對整體葉輪在五坐標數控加工工藝規劃進行分析，采用等參數線法分別對葉片的背、腹面和流道面生成無干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距，并最終完成了葉片的數控加工仿真。

2 基于UG的整體葉輪曲面實體造型

基于UG的自由曲面造型功能，對提供的葉片原始數據文件進行前處理，然后利用UG中基于NURBS建立的葉片型面的樣條曲線，構造葉片空間型面，更精確的反映葉片的曲面形狀，有利于葉片的實際加工，葉輪創建的流程圖如圖1所示。

創建樣條曲線創建了UG支持的數據文件后，打開UG建立一個新的part文件，從菜單欄中選擇：應用→建模命令，進入建模狀態。導入數據文件，繪制樣條曲線。從菜單欄中選擇：插入→曲線→樣條命令，根據需要選擇擬合方式，把已生成的dat數據文件導入，系統將按照數據繪制樣條曲線，如圖2所示。endprint

通過曲線串生成葉片片體。從菜單欄中選擇：通過曲線組命令，系統將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術曲面方法生成縫合面。縫合曲面生成葉片實體。生成輪轂曲線和裁剪曲線，UG 提供了兩種建立曲線的方式：一種是直接在三維建模方式下，一種是在草圖方式下。草圖中建立便于參數化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉體，在菜單欄中選擇插入→設計特征→回轉命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創建輪轂回轉體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準面和裁剪體，利用插入→特征操作→裁剪命令，裁掉多余的部分。建立其他的葉片，因為葉片是圓周均布的，所以從菜單欄中選擇：編輯→變換命令，選擇要復制的葉片，在角度文本框中輸入參數值360/n（n為葉片個數），連續復制n-1次，這樣就完成了n個葉片在輪轂上的均勻分布。建立整體葉輪到此時葉片、輪轂已經建立完畢，但它們都是獨立的實體，因此，通過布爾和運算把它們組合成一個實體，最終完成葉輪的三維實體造型，如圖5。

3 整體葉輪曲面加工仿真

在進行數控加工編程之前，首先確定要使用的刀具。在UG/CAM中，通過專門刀具創建操作來確定刀具。在UG中確定刀具的方式有兩種：用戶自定義刀具和從刀具庫獲取刀具。本文在對螺旋槳零件進行粗加工時選用了12mm的平銑刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為50mm，長度為20mm。粗加工過程中采用型腔銑（mill_contour）方法對流道進行開粗，此方法開粗效率高、加工質量穩定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數，提高加工效率與表面質量。半精加工和精加工時選用了5mm的球頭刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為30mm，長度為20mm。由于在多坐標加工中，球頭刀對于加工對象的適應能力很強，而且編程與使用也較方便，所以本文選取了球頭銑刀。

零件粗加工采用層切法加工。在確定了切削區域后，接下來就是確定切削層，切削層選取從頂面下降到56mm深度的范圍，每層切削2mm。進入UG的Cavity-Mill模板設定粗加工切削參數，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設置參數為：進給率1200mm/min，切削模式選擇Follow Periphery，行距選擇刀具直徑的70%。在Cutting參數設置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內銑削，開粗軌跡如圖6所示。

半精加工流道面時由于想鄰葉片間的空間較小，在經向上隨著半徑的減小通道越來越窄、紐角越來越大，刀具與加工葉片和刀具與相鄰葉片易發生干涉，刀位規劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經過分析和試驗證明選擇曲面驅動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質量較高的刀軌，如圖7所示。

在對整體葉輪零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下來要進行精加工工序。同樣選擇VARIABLE_CONTOUR可變軸輪廓銑模板，分別選擇葉輪葉片的葉背、葉腹和流道曲面為驅動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設置合理的參數后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結束語

以整體葉輪曲面造型及數控加工工藝研究等為核心內容，結合數控加工過程中的外延內容如幾何建模等技術，對整體葉輪的五軸數控加工進行了較為全面的研究，借助UG完成了直紋面形式的整體葉輪幾何造型，并通過對整體葉輪在五坐標數控加工工藝規劃進行分析，采用等參數線法分別對葉片的背、腹面和流道面生成無干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距，并最終完成了葉片的數控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術處理方法進行分析，對解決不同領域的類似問題也具有指導借鑒的意義。

參考文獻

[1]倪炎榕，張洪，郭靜萍.圓環面刀具五坐標數控加工復雜曲面優化刀位算法[J].機械工程學報，2002（21）.

[2]李發致，衛原平，普令濤.曲面造型方法在工程中的應用[J].計算機輔助設計與制造，1998（2）：15-18.

[3]吳昌林，倪篤明，徐曉.機械CAD基礎[M].北京：高等教育出版社，1997：137-138.

[4]黃堯民.機械CAD[M].北京：機械工業出版社，1995：44-51.

[5]曾向陽，謝國明，王學平等.UG NX基礎及應用教程[M].北京：電子工業出版社，2005：306-374.

[6]王慶林，UG CAM.應用案例集[M].清華大學出版社，2002.161-176.

[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形狀特征建模培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2002：40-41.

[8]王國強，盛振邦.船拍推進[M].北京：國防工業出版社，1985：1-160.

[9]高鳳英.數控機床編程與操作切削技術[Z].2005：24-43.endprint

通過曲線串生成葉片片體。從菜單欄中選擇：通過曲線組命令，系統將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術曲面方法生成縫合面。縫合曲面生成葉片實體。生成輪轂曲線和裁剪曲線，UG 提供了兩種建立曲線的方式：一種是直接在三維建模方式下，一種是在草圖方式下。草圖中建立便于參數化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉體，在菜單欄中選擇插入→設計特征→回轉命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創建輪轂回轉體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準面和裁剪體，利用插入→特征操作→裁剪命令，裁掉多余的部分。建立其他的葉片，因為葉片是圓周均布的，所以從菜單欄中選擇：編輯→變換命令，選擇要復制的葉片，在角度文本框中輸入參數值360/n（n為葉片個數），連續復制n-1次，這樣就完成了n個葉片在輪轂上的均勻分布。建立整體葉輪到此時葉片、輪轂已經建立完畢，但它們都是獨立的實體，因此，通過布爾和運算把它們組合成一個實體，最終完成葉輪的三維實體造型，如圖5。

3 整體葉輪曲面加工仿真

在進行數控加工編程之前，首先確定要使用的刀具。在UG/CAM中，通過專門刀具創建操作來確定刀具。在UG中確定刀具的方式有兩種：用戶自定義刀具和從刀具庫獲取刀具。本文在對螺旋槳零件進行粗加工時選用了12mm的平銑刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為50mm，長度為20mm。粗加工過程中采用型腔銑（mill_contour）方法對流道進行開粗，此方法開粗效率高、加工質量穩定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數，提高加工效率與表面質量。半精加工和精加工時選用了5mm的球頭刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為30mm，長度為20mm。由于在多坐標加工中，球頭刀對于加工對象的適應能力很強，而且編程與使用也較方便，所以本文選取了球頭銑刀。

零件粗加工采用層切法加工。在確定了切削區域后，接下來就是確定切削層，切削層選取從頂面下降到56mm深度的范圍，每層切削2mm。進入UG的Cavity-Mill模板設定粗加工切削參數，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設置參數為：進給率1200mm/min，切削模式選擇Follow Periphery，行距選擇刀具直徑的70%。在Cutting參數設置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內銑削，開粗軌跡如圖6所示。

半精加工流道面時由于想鄰葉片間的空間較小，在經向上隨著半徑的減小通道越來越窄、紐角越來越大，刀具與加工葉片和刀具與相鄰葉片易發生干涉，刀位規劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經過分析和試驗證明選擇曲面驅動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質量較高的刀軌，如圖7所示。

在對整體葉輪零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下來要進行精加工工序。同樣選擇VARIABLE_CONTOUR可變軸輪廓銑模板，分別選擇葉輪葉片的葉背、葉腹和流道曲面為驅動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設置合理的參數后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結束語

以整體葉輪曲面造型及數控加工工藝研究等為核心內容，結合數控加工過程中的外延內容如幾何建模等技術，對整體葉輪的五軸數控加工進行了較為全面的研究，借助UG完成了直紋面形式的整體葉輪幾何造型，并通過對整體葉輪在五坐標數控加工工藝規劃進行分析，采用等參數線法分別對葉片的背、腹面和流道面生成無干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距，并最終完成了葉片的數控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術處理方法進行分析，對解決不同領域的類似問題也具有指導借鑒的意義。

參考文獻

[1]倪炎榕，張洪，郭靜萍.圓環面刀具五坐標數控加工復雜曲面優化刀位算法[J].機械工程學報，2002（21）.

[2]李發致，衛原平，普令濤.曲面造型方法在工程中的應用[J].計算機輔助設計與制造，1998（2）：15-18.

[3]吳昌林，倪篤明，徐曉.機械CAD基礎[M].北京：高等教育出版社，1997：137-138.

[4]黃堯民.機械CAD[M].北京：機械工業出版社，1995：44-51.

[5]曾向陽，謝國明，王學平等.UG NX基礎及應用教程[M].北京：電子工業出版社，2005：306-374.

[6]王慶林，UG CAM.應用案例集[M].清華大學出版社，2002.161-176.

[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形狀特征建模培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2002：40-41.

[8]王國強，盛振邦.船拍推進[M].北京：國防工業出版社，1985：1-160.

[9]高鳳英.數控機床編程與操作切削技術[Z].2005：24-43.endprint

通過曲線串生成葉片片體。從菜單欄中選擇：通過曲線組命令，系統將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術曲面方法生成縫合面。縫合曲面生成葉片實體。生成輪轂曲線和裁剪曲線，UG 提供了兩種建立曲線的方式：一種是直接在三維建模方式下，一種是在草圖方式下。草圖中建立便于參數化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉體，在菜單欄中選擇插入→設計特征→回轉命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創建輪轂回轉體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準面和裁剪體，利用插入→特征操作→裁剪命令，裁掉多余的部分。建立其他的葉片，因為葉片是圓周均布的，所以從菜單欄中選擇：編輯→變換命令，選擇要復制的葉片，在角度文本框中輸入參數值360/n（n為葉片個數），連續復制n-1次，這樣就完成了n個葉片在輪轂上的均勻分布。建立整體葉輪到此時葉片、輪轂已經建立完畢，但它們都是獨立的實體，因此，通過布爾和運算把它們組合成一個實體，最終完成葉輪的三維實體造型，如圖5。

3 整體葉輪曲面加工仿真

在進行數控加工編程之前，首先確定要使用的刀具。在UG/CAM中，通過專門刀具創建操作來確定刀具。在UG中確定刀具的方式有兩種：用戶自定義刀具和從刀具庫獲取刀具。本文在對螺旋槳零件進行粗加工時選用了12mm的平銑刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為50mm，長度為20mm。粗加工過程中采用型腔銑（mill_contour）方法對流道進行開粗，此方法開粗效率高、加工質量穩定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數，提高加工效率與表面質量。半精加工和精加工時選用了5mm的球頭刀，刀具長度75mm，刃長50mm，刀柄直徑為30mm，長度為20mm。由于在多坐標加工中，球頭刀對于加工對象的適應能力很強，而且編程與使用也較方便，所以本文選取了球頭銑刀。

零件粗加工采用層切法加工。在確定了切削區域后，接下來就是確定切削層，切削層選取從頂面下降到56mm深度的范圍，每層切削2mm。進入UG的Cavity-Mill模板設定粗加工切削參數，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設置參數為：進給率1200mm/min，切削模式選擇Follow Periphery，行距選擇刀具直徑的70%。在Cutting參數設置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內銑削，開粗軌跡如圖6所示。

半精加工流道面時由于想鄰葉片間的空間較小，在經向上隨著半徑的減小通道越來越窄、紐角越來越大，刀具與加工葉片和刀具與相鄰葉片易發生干涉，刀位規劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經過分析和試驗證明選擇曲面驅動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質量較高的刀軌，如圖7所示。

在對整體葉輪零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下來要進行精加工工序。同樣選擇VARIABLE_CONTOUR可變軸輪廓銑模板，分別選擇葉輪葉片的葉背、葉腹和流道曲面為驅動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設置合理的參數后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結束語

以整體葉輪曲面造型及數控加工工藝研究等為核心內容，結合數控加工過程中的外延內容如幾何建模等技術，對整體葉輪的五軸數控加工進行了較為全面的研究，借助UG完成了直紋面形式的整體葉輪幾何造型，并通過對整體葉輪在五坐標數控加工工藝規劃進行分析，采用等參數線法分別對葉片的背、腹面和流道面生成無干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距，并最終完成了葉片的數控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術處理方法進行分析，對解決不同領域的類似問題也具有指導借鑒的意義。

參考文獻

[1]倪炎榕，張洪，郭靜萍.圓環面刀具五坐標數控加工復雜曲面優化刀位算法[J].機械工程學報，2002（21）.

[2]李發致，衛原平，普令濤.曲面造型方法在工程中的應用[J].計算機輔助設計與制造，1998（2）：15-18.

[3]吳昌林，倪篤明，徐曉.機械CAD基礎[M].北京：高等教育出版社，1997：137-138.

[4]黃堯民.機械CAD[M].北京：機械工業出版社，1995：44-51.

[5]曾向陽，謝國明，王學平等.UG NX基礎及應用教程[M].北京：電子工業出版社，2005：306-374.

[6]王慶林，UG CAM.應用案例集[M].清華大學出版社，2002.161-176.

[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形狀特征建模培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2002：40-41.

[8]王國強，盛振邦.船拍推進[M].北京：國防工業出版社，1985：1-160.

[9]高鳳英.數控機床編程與操作切削技術[Z].2005：24-43.endprint