基于UG軟件閉式葉輪數控多軸加工工藝分析研究

王繼群

【摘 要】閉式葉輪被廣泛的應用在各個領域中，本文以UG軟件為平臺，對閉式葉輪的數控多軸加工工藝進行了分析研究，制定了工藝方案，對其刀具路徑進行了合理規劃，避免了加工干涉，最后完成了仿真加工，取得了很好的效果。

【關鍵詞】閉式葉輪；UG；數控多軸加工；刀具路徑

0 引言

近些年來，閉式葉輪被廣泛的應用在航空、冶金、軍事、能源動力等各個領域，如圖1，相對于開式葉輪，它的軸盤、蓋盤和葉片三位一體，避免了氣流損失，提高了氣動效率。傳統的加工方法主要是采用鑄造的方式，但是葉輪的精度難以保證，另外由于鑄造時產生應力集中等問題，葉輪容易損壞。隨著數控多軸技術的發展，在工業領域中更多的是采用數控多軸機床加工生產閉式葉輪。但是閉式葉輪的結構具有一體性和封閉性、加之葉片曲面較為復雜，加工時又要考慮刀具干涉的問題，加工難度很大。因此，如何正確規劃閉式葉輪數控加工的刀具路徑，避免干涉，制定合理的加工工藝，就顯得十分重要。由于閉式葉輪的結構復雜，必須在五軸的數控加工中心上才能完成，而針對于多軸加工，主要采用軟件自動編程，這里選用全球最為高端的工業軟件—UG，本文以UG軟件為平臺，對閉式葉輪的整個加工工藝進行分析研究。

圖1 閉式葉輪

1 閉式葉輪的三維實體建模

圖2 閉式葉輪的三維建模

首先我們利用UG軟件對閉式葉輪進行三維建模，建模這一步很關鍵，它決定著后面工作的成敗。由于閉式葉輪是由軸盤、蓋盤和葉片三個部分組成的，所以對其分別建模，再將三者組合在一起。其中，軸盤和蓋盤的建模比較簡單，直接用三維旋轉命令即可完成，葉片的建模較為復雜，先使用樣條命令生成三次樣條光滑曲線，掃掠成實體薄片，由于葉片厚度并不是均勻一致，我們再對葉片的前后端面進行修改，完成單個葉片的造型。最后使用空間陣列命令，完成所有葉片的造型。

2 閉式葉輪的數控加工工藝方案

由于閉式葉輪和開式葉輪在結構上有一定的區別，軸盤、蓋盤和若干個葉片連在一起，加工時數控銑刀不可能像加工開式葉輪那樣有很大的活動空間，為了防止銑刀和葉輪本身發生干涉，只能從葉輪通道的進出氣孔進行加工，如圖3，這將大大限制銑刀活動范圍，因此一定要合理規劃刀具路徑，同時也要避免加工干涉。整體的工藝方案如下：

（1）數控車削閉式葉輪的回轉體；（在數控車床上完成，這里不再論述）；

（2）閉式葉輪通道的粗加工；

（3）閉式葉輪通道的半精加工；

（4）閉式葉輪通道的精加工。

圖3 銑刀加工閉式葉輪

3 刀具路徑的規劃

合理的規劃刀具路徑是閉式葉輪加工的關鍵，下面從5個方面對其進行分析研究。

3.1 走刀步長

走刀步長是指數控銑刀相鄰的兩個插補點之間的距離，步長越小，加工效果越精確，但是刀路軌跡復雜，耗時較大，步長越大則正好相反，切削效率高，但是精度較差。在UG軟件中，可以通過公差來控制走刀步長，根據閉式葉輪實際的情況，確定公差的大小，在軟件參數設置中輸入公差值，系統自動會計算出合理的走刀步長，找到一個最佳的平衡點。

3.2 進刀方式

數控加工中，進刀方式有很多種，例如垂直進刀、傾斜進刀、圓弧進刀、螺旋進刀等等。其中加工效果最好的進刀方式是螺旋進刀，但是使用螺旋進刀，銑刀的刀路軌跡比較復雜，進刀時有可能和工件發生碰撞，因此對于閉式葉輪的封閉結構，我們在UG軟件中選用圓弧進刀方式，避免發生干涉。

3.3 刀具跨越方式

刀具跨越是指銑刀在切削時由出氣口跨越到進氣口，或者是由進出氣口跨越到閉式葉輪側面，由于閉式葉輪的結構緊湊，葉片之間的空間狹小，葉片又被封閉在軸盤和蓋盤之間，銑刀在跨越時非常容易和工件發生碰撞，為了保證安全，我們在UG軟件中設置安全平面，即銑刀在跨越時先退到安全平面，然后再進刀到下一個切削區域。

3.4 走刀方式

在UG軟件中數控銑刀的走刀方式有很多種，這里采用雙向走刀，即刀具往復運動時都參與切削加工，如圖4。雙向走刀和單向走刀相比，避免了抬刀，節省時間，是比較經濟的走刀方式。

圖4 雙向走刀方式

3.5 加工方法

對閉式葉輪采用層切法進行加工，它是把整個加工過程劃分粗加工、半精加工、精加工為三個步驟，每一個步驟中，在閉式葉輪的出氣口側和進氣口側，按照一定的順序對不同的待加工區域進行數控銑削，完成一個區域的加工后，退刀至安全平面，之后再進行下一個區域的切削加工。如此反復，一直到全部加工完零件的待加工區域，最后根據實際情況進行葉輪的清根處理。

4 加工干涉的避免

加工干涉是指刀具在數控加工中對工件過切或者與工件發生碰撞，對于閉式葉輪這一類復雜結構零件的數控加工，往往更容易發生干涉。如果發生干涉的話，有可能損壞工件，甚至發生生產事故。避免干涉的關鍵是對刀軸矢量的控制，在UG軟件中，采用朝向點來控制刀軸矢量，最終確定刀軸的安全活動空間。

5 加工仿真

所有的工藝和參數在UG軟件中設定以后，使其生成閉式葉輪數控加工的刀路軌跡，如圖5。

圖5 刀路軌跡

然后后進行模擬仿真，仔細觀察仿真效果，如遇到問題，及時進行參數的修改，爭取達到最理想的效果。最后結合機床的型號進行后置處理，生成數控程序，通過網絡把程序傳輸給數控機床，進行閉式葉輪的生產加工，如圖6。

圖6 閉式葉輪的銑削加工

6 結束語

閉式葉輪的結構比較復雜，生產加工具有一定的難度。通過對其進行工藝分析，利用UG軟件完成了葉輪的生產加工，隨著UG軟件版本的不斷更新，功能的不斷發展和完善，閉式葉輪的加工精度和質量一定會進一步得到提高。

【參考文獻】

[1]嚴思杰，周云飛，賴喜德，等.多軸加工刀軌最優行距計算方法研究[J].航空精密制造技術，2006，42（5）：35-38.

[2]田欣利，余安英，林允森，等.葉片多軸數控加工方法與關鍵技術研究進展[J].工藝與檢測，2008，6：124-127.

[3]蔡永林，席光，樊宏周，等.任意曲面葉輪五坐標數控加工刀具軌跡生成[J].西安交通大學學報，2003，37（1）：77-80.

[4]蘇云玲.三元整體葉輪的幾何造型與五坐標數控加工[D].大連：大連理工大學，2004.

[責任編輯：楊玉潔]