復(fù)雜曲面造型及數(shù)控加工仿真研究

王啟祥

摘 要：文章以葉輪類復(fù)雜造型和數(shù)控加工仿真為研究目的，通過對數(shù)據(jù)進行建模的前處理，將給定的數(shù)據(jù)變成UG系統(tǒng)能識別的文件，在UG Modeling環(huán)境中自動生成槳葉切面線及槳葉輪廓線。并以此為基礎(chǔ)，完成螺旋槳三維實體建模。對整體葉輪在五坐標(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃進行分析，采用等參數(shù)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(shù)控加工仿真。

關(guān)鍵詞：整體葉輪；UG；數(shù)控加工；工藝規(guī)劃

引言

為確保數(shù)控程序的正確性，防止加工過程中干涉和碰撞的發(fā)生，在實際生產(chǎn)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(chǎn)成本上升，增加了產(chǎn)品加工時間和生產(chǎn)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(dāng)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(shù)控機床和加工現(xiàn)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(huán)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(fā)展。

1 國內(nèi)外主要研究方法包括

1.1 解析法：包絡(luò)加工過程可以看作是刀具與工件的一種嚙合運動，根據(jù)空間嚙合原理可知，若兩個構(gòu)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(fù)雜非線型微分方程組，求解非常復(fù)雜，且不具備通用性，為此就要求我們轉(zhuǎn)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(jié)點上進行補償，重新模擬加工。如此反復(fù)計算誤差大小，反復(fù)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(shù)據(jù)的性能，但仍然存在很多重大缺陷：首先，復(fù)雜曲面數(shù)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(fù)模擬加工才能求出滿足精度的刀位軌跡點；再次，程序復(fù)雜，計算量大，運行時間長，沒有充分發(fā)揮計算機仿真加工的優(yōu)越性。

1.3 三刀位仿真法：在螺桿的數(shù)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(shù)學(xué)模型，用計算機模擬工件和刀具的實際運動關(guān)系，首先根據(jù)包絡(luò)原理，仿真出端截面的包絡(luò)形狀，在端截面上尋找徑向最小點作為嚙合初始點；再經(jīng)過螺旋方向的第二次包絡(luò)，即在初始點所在的螺旋線方向上，在給定的搜索區(qū)域內(nèi)（即仿真帶內(nèi)），尋找徑向最小點，該點即為一個實際刀觸點。將工件旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(jù)螺旋線、螺旋面的形成原理，將空間接觸跡轉(zhuǎn)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(luò)“啃掉”，仿真時采用三個節(jié)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(yōu)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(qū)域內(nèi)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(fù)雜曲面推廣。

葉輪類零件是一類具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復(fù)雜零件，其形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計涉及到空氣動力學(xué)、流體力學(xué)等多個學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對其性能參數(shù)都有很大影響。故葉輪的設(shè)計與制造密不可分。傳統(tǒng)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(shù)控技術(shù)尤其是五軸數(shù)控技術(shù)的發(fā)展使得葉輪的整體加工成為可能并日益普及。

數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一，刀位軌跡規(guī)劃又是數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵。坯的制備、定位基準(zhǔn)及加工路線的擬定、刀具類型和切削參數(shù)的選擇，零件粗加工階段的刀軌規(guī)劃以及精加工刀軌等，是刀位軌跡規(guī)劃的重要內(nèi)容。由于葉片類零件的空間重疊區(qū)域大，在加工過程中需要對刀軸矢量等進行控制。數(shù)控加工刀位規(guī)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(fù)雜曲面，由于球面的點對稱性，僅需確定球心相對于設(shè)計曲面的位置，一般勿須考慮刀具的姿態(tài)，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(dāng)于擠壓被加工面，導(dǎo)致工件表面質(zhì)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(shù)控加工工藝研究等為核心內(nèi)容，結(jié)合數(shù)控加工過程中的外延內(nèi)容如幾何建模等技術(shù)，對整體葉輪的五軸數(shù)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(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃進行分析，采用等參數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)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(chuàng)建的流程圖如圖1所示。

創(chuàng)建樣條曲線創(chuàng)建了UG支持的數(shù)據(jù)文件后，打開UG建立一個新的part文件，從菜單欄中選擇：應(yīng)用→建模命令，進入建模狀態(tài)。導(dǎo)入數(shù)據(jù)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(jù)需要選擇擬合方式，把已生成的dat數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，系統(tǒng)將按照數(shù)據(jù)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(tǒng)將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統(tǒng)一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術(shù)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(shù)化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉(zhuǎn)體，在菜單欄中選擇插入→設(shè)計特征→回轉(zhuǎn)命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準(zhǔn)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(fù)制的葉片，在角度文本框中輸入?yún)?shù)值360/n（n為葉片個數(shù)），連續(xù)復(fù)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(jīng)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(shù)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(chuàng)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(zhì)量穩(wěn)定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)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(biāo)加工中，球頭刀對于加工對象的適應(yīng)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(qū)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(shè)定粗加工切削參數(shù)，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數(shù)，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設(shè)置參數(shù)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(shù)設(shè)置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內(nèi)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(jīng)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(fā)生干涉，刀位規(guī)劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經(jīng)過分析和試驗證明選擇曲面驅(qū)動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質(zhì)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(qū)動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設(shè)置合理的參數(shù)后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結(jié)束語

以整體葉輪曲面造型及數(shù)控加工工藝研究等為核心內(nèi)容，結(jié)合數(shù)控加工過程中的外延內(nèi)容如幾何建模等技術(shù)，對整體葉輪的五軸數(shù)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(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃進行分析，采用等參數(shù)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(shù)控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術(shù)處理方法進行分析，對解決不同領(lǐng)域的類似問題也具有指導(dǎo)借鑒的意義。

參考文獻

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[9]高鳳英.數(shù)控機床編程與操作切削技術(shù)[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(tǒng)將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統(tǒng)一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術(shù)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(shù)化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉(zhuǎn)體，在菜單欄中選擇插入→設(shè)計特征→回轉(zhuǎn)命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準(zhǔn)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(fù)制的葉片，在角度文本框中輸入?yún)?shù)值360/n（n為葉片個數(shù)），連續(xù)復(fù)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(jīng)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(shù)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(chuàng)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(zhì)量穩(wěn)定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)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(biāo)加工中，球頭刀對于加工對象的適應(yīng)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(qū)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(shè)定粗加工切削參數(shù)，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數(shù)，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設(shè)置參數(shù)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(shù)設(shè)置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內(nèi)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(jīng)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(fā)生干涉，刀位規(guī)劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經(jīng)過分析和試驗證明選擇曲面驅(qū)動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質(zhì)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(qū)動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設(shè)置合理的參數(shù)后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結(jié)束語

以整體葉輪曲面造型及數(shù)控加工工藝研究等為核心內(nèi)容，結(jié)合數(shù)控加工過程中的外延內(nèi)容如幾何建模等技術(shù)，對整體葉輪的五軸數(shù)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(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃進行分析，采用等參數(shù)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(shù)控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術(shù)處理方法進行分析，對解決不同領(lǐng)域的類似問題也具有指導(dǎo)借鑒的意義。

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[9]高鳳英.數(shù)控機床編程與操作切削技術(shù)[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(tǒng)將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統(tǒng)一起始元素。延伸片體。采用通過曲面組和藝術(shù)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(shù)化，推薦用草圖建立。截面線串如圖3所示。

建立輪轂回轉(zhuǎn)體，在菜單欄中選擇插入→設(shè)計特征→回轉(zhuǎn)命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，如圖4。修整葉片與輪轂，通過定義基準(zhǔn)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(fù)制的葉片，在角度文本框中輸入?yún)?shù)值360/n（n為葉片個數(shù)），連續(xù)復(fù)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(jīng)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(shù)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(chuàng)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(zhì)量穩(wěn)定，所以選取平銑刀可以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)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(biāo)加工中，球頭刀對于加工對象的適應(yīng)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(qū)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(shè)定粗加工切削參數(shù)，包括加工余量、安全間隙、公差等加工精度參數(shù)，還包括進給率、切削模式、切削類型、行距等。本文中的設(shè)置參數(shù)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(shù)設(shè)置里選擇切削方向為Inward由毛坯外緣向內(nèi)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(jīng)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(fā)生干涉，刀位規(guī)劃約束條件比較多自動生成無干涉的刀軌較困難。經(jīng)過分析和試驗證明選擇曲面驅(qū)動方式刀軸采用插補方式，投影采用刀軸方式可生成質(zhì)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(qū)動幾何，切削模式同樣選擇直線銑削，類型為Zig-Zag，設(shè)置合理的參數(shù)后，葉輪精加工模擬顯示生成如圖8所示。

4 結(jié)束語

以整體葉輪曲面造型及數(shù)控加工工藝研究等為核心內(nèi)容，結(jié)合數(shù)控加工過程中的外延內(nèi)容如幾何建模等技術(shù)，對整體葉輪的五軸數(shù)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(biāo)數(shù)控加工工藝規(guī)劃進行分析，采用等參數(shù)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(shù)控加工仿真。本文針對葉輪的三維造型所采用的技術(shù)處理方法進行分析，對解決不同領(lǐng)域的類似問題也具有指導(dǎo)借鑒的意義。

參考文獻

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