某型葉輪零件三維造型與五軸加工方法研究

張 政

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

目前，CAD/CAM技術正向著高度集成化、智能化、標準化和開發化的方向發展[1-2]。近年來，我國在CAD/CAM領域發展迅速，應用日漸成熟，其使用范圍不斷拓寬，水平不斷提升，其應用幾乎滲透到制造工程的各個領域，尤其是在機械制造、船舶制造等行業，CAD/CAM的技術開發與應用尤為重要[3-4]。

針對五軸數控加工中心不易判斷刀具行程、銑削過程中較易發生刀具干涉等問題，本文利用交互式CAD/CAM系統（Unigraphics NX，UG）中的CAD/CAM模塊對某型葉輪零件進行三維造型，制定合理的加工工藝和加工流程，規劃刀具路徑并在UG中初步仿真。確認刀具路徑合理后，經過后處理生成NC代碼文件，再通過VERICUT軟件進行進一步仿真，最后加工出葉輪試樣[5-6]。本文通過對某型葉輪零件三維造型與五軸加工進行研究，避免試切造成的生產效率低、成本高等問題，為工廠降低風險和成本、提高競爭力提供技術保障[7]。

1 葉輪的三維建模方法

在基準坐標系上建立φ62.4 mm，h2 mm的圓柱體。以該圓柱體的上表面繪φ54 mm的草圖，約束圓心與φ62.4 mm上表面同心，拉伸高度為3 mm，在此基礎上同樣繪φ54 mm的同心圓φ53.6 mm，拉伸高度為3 mm。將3個實體進行求和，獲得模型1（見圖1）。

圖1 模型1

在模型1上表面拉伸一φ21.6 mm、深2.5 mm的孔，圓心在表面中心；在模型1下表面拉伸一φ26 mm、深5.6 mm的孔，圓心在表面中心，獲得模型2（見圖2）。

圖2 模型2

建立兩個基準平面。基準平面1距離模型上表面4.63 mm，基準平面2距離模型下表面2.41 mm。在模型的上表面繪同心圓R1，R2，尺寸分別為φ14.2 mm，φ26.2 mm；在基準平面1上繪同心圓R3，R4，尺寸分別為φ33.3 mm，φ47.5 mm；在基準平面2上繪同心圓R5，尺寸為φ20.2 mm。在x-z平面上繪草圖，用圓弧、直線連接上述5個同心圓的某個象限點，形成一封閉的圖形（見圖3）。將該封閉圖形繞z軸回轉360°，并與已建模型求差，獲得回轉體（見圖4）。

圖3 草圖

圖4 回轉體

在模型上表面中心新建基準坐標系CSYS-1。以基準坐標系CSYS-1建立基準平面3，使得基準平面3與x-y平面之間的夾角為130°。在基準平面3上繪草圖，拉伸草圖，厚度為0.8 mm，分別以模型上下表面為修剪平面，修剪該拉伸體。建立基準平面4，平面參考對象為基準坐標系CSYS-1的x-y平面，通過拉伸體的一條邊線，夾角為30°；以基準平面4為修剪平面修剪拉伸體，獲得第一種葉片（見圖5）；將該葉片繞z軸作實例幾何體特征操作，獲得10片相同的葉片（見圖6）。

圖5 第一種葉片

圖6 陣列后葉片

建立第二種葉片。以基準坐標系CSYS-1建立基準平面5，使得基準平面5與x-y平面之間的夾角為39.6°。在基準平面5上繪第二種葉片的草圖，拉伸草圖可以獲得拉伸體，分別以基準平面4、底面為修剪平面修剪拉伸體，獲得第二種葉片，葉片厚1.8 mm（見圖7）。

圖7 第二種葉片

建立第三種葉片。在基準平面5上繪第三種葉片的草圖，拉伸草圖獲得拉伸體，分別以基準平面4、底面為修剪平面修剪拉伸體，獲得第三種葉片，葉片厚1.8 mm（見圖8）。

圖8 第三種葉片

將該葉片繞z軸作實例幾何體特征操作，獲得了9片相同的葉片（見圖9）。到此，葉輪的三維造型已全部完成。

圖9 葉輪的三維造型

2 規劃刀具路徑

2.1 粗加工

粗加工主要分為6步。第一步采用型腔銑的加工方法加工出零件的外輪廓，刀具選用φ16 mm的平底刀（見圖10-a）；第二步采用型腔銑的加工方法加工第一種槽，刀具選用φ6 mm的平底刀（見圖10-b）；第三步采用型腔銑的加工方法加工第二種槽，刀具選用φ6 mm的平底刀（見圖10-c、圖10-f）；第四步采用型腔銑的加工方法加工第三種槽，刀具選用φ6 mm的平底刀（見圖10-d）；第五步采用平面銑的加工方法加工30°斜面，刀具選用φ6 mm的平底刀（見圖10-e）。

圖10 葉輪粗加工刀軌

2.2 半精加工

采用深度加工輪廓方法加工第一種槽，刀具選用φ5 mm的球頭刀（見圖11-a）；采用固定輪廓銑方法加工第二種槽的右側面以及底面，刀具選用φ5 mm的球頭刀（見圖11-b、第116頁圖11-c），加工第二種槽的左側面選用曲面驅動方法（見第116頁圖11-d）；采用深度加工輪廓銑方法加工第三種槽的左側面，刀具選用φ5 mm的球頭刀（見第116頁圖11-e），采用固定輪廓銑方法加工第三種槽的右側面，刀具選用φ5 mm的球頭刀（見第116頁圖11-f）；采用固定輪廓銑方法加工第三種槽的底面，刀具選用φ5 mm的球頭刀（見第116頁圖11-g）。

圖11 葉輪半精加工刀軌

2.3 精加工

采用固定輪廓銑的方法加工第一種槽的左右兩個側面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-a、圖12-b），采用固定輪廓銑的方法加工第一種槽的底面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-c）；采用固定輪廓銑的方法加工第二種槽的右側面和底面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-d、圖12-e），采用固定輪廓銑的方法加工第二種槽的左側面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-f）；采用固定輪廓銑的方法加工第三種槽的左側面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-g），采用固定輪廓銑方法加工第三種槽的右側面和底面，刀具選用φ4 mm的球頭刀（見圖12-h、圖12-i），采用面銑的加工方法加工30°斜面，刀具選用φ6 mm的平底刀。

圖12 葉輪精加工刀軌

3 葉輪五軸銑削試驗

3.1 銑削仿真

將上述生成的刀路文件經后置處理生成G代碼，并將其導入VERICUT軟件中，在Mikron UCP800 Duro雙轉臺五軸加工中心模型上進行了仿真驗證，第117頁圖13為機床仿真模型，第117頁圖14為粗銑仿真及結果。

圖13 機床仿真模型

圖14 粗銑仿真及結果

半精銑仿真，見圖15。

圖15 半精銑仿真及結果

精銑仿真，見圖16。

圖16 精銑仿真及結果

3.2 銑削驗證

經仿真驗證，刀路正確合理，無干涉情況發生。最后，將G代碼導入型號為Mikron UCP800 Duro的五軸機床加工出葉輪試樣，見圖17。

圖17 葉輪試樣

4 結論

本文通過對某型葉輪零件三維造型與五軸加工方法研究，不僅為葉輪建模提供了新思路，而且驗證了在VERICUT軟件中的仿真模擬后，可避免實際加工中出現碰撞而損壞機床以及刀具的情況，為工廠降低風險和成本，提高競爭力提供了技術保障。