基于NX 的風扇輪葉片多軸加工工藝研究＊

高志賢

（邯鄲職業技術學院，河北 邯鄲 056001）

風扇輪葉片設計為流動性曲面，一般的加工方法和手段難以滿足加工的精度要求，隨著五軸以上數控機床在企業中的裝備應用，使此類零件的高效優質加工得以實現[1-3]，風扇輪實體模型如圖1 所示。UG NX（Unigraphics NX）軟件作為集CAD（Computer Aided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）/CAE（Computer Aided Engineering）于一體的通用軟件，在加工行業，特別是多軸加工領域，有很廣泛的應用，其自帶的加工仿真模擬功能，能模擬刀具刀柄及機床的加工[4-5]。通過利用NX 軟件其開放靈活的后置處理，可以生成適合三軸及多軸數控機床加工的NC 代碼（數字信息控制機械控制器能識別的代碼）程序。下面以風扇輪葉片為載體進行分析。

圖1 風扇輪實體模型

1 風扇輪葉片的CAM 模型

在CAD 建模時主要考慮零件本身的結構和設計要求，是否符合加工的要求未完全考慮，因此要根據制造的要求建立零件的CAM 模型。風扇輪零件主要的加工對象為風扇輪的葉片，在輪底面的3 個槽和中間孔若與葉片同時加工，則加工到此處時刀具會下切，切削力易產生突變，切削不順暢，在邊緣上很容易出現過切現象。為消除這種不利因素的影響，更便于加工，在自動編程之前，使用NX 軟件同步建模技術中的替換面與刪除面命令進行修補或刪除，較方便地修補掉這些槽，并構建了風扇輪葉片的CAM 簡化模型，如圖2 所示。

圖2 風扇輪的CAM 模型

2 風扇輪葉片的加工工藝規劃及刀路設計

2.1 加工工藝規劃

加工工藝方案是否合理直接決定著NX 自動生成加工程序的優劣。粗加工盡量選擇較大直徑的銑刀，由于葉片中間的空隙較小，若一次開粗完成，要選直徑較小的銑刀，這就會降低零件加工的效率和加劇刀具的磨損。因此在選用較大直徑的銑刀開粗后，為保證較高效率及葉片根部圓角的加工，使用較小的銑刀對葉片進行局部清角半精加工，可以保證精加工葉片時加工余量均勻，最后使用球頭銑刀分別對葉片背面、頂部及前面應用NX 軟件多軸加工的可變輪廓銑進行精加工，從而保證了葉片的表面質量和加工精度。加工工藝規劃如表1 所示。

表1 加工工藝

2.2 刀路設計及仿真加工

2.2.1 葉片粗加工

葉片粗加工采用MILL_CONTOUR（輪廓銑）中的CAVITY_MILL（型腔銑），這種銑削方式是刀具在同一高度內完成一層銑削，按照每一層的截面生成刀路，此方式可以快速地去除大量材料，加工效率高，刀路生成計算時間短，刀具承受切削力均勻，切削完成后毛坯切削樣式呈階梯狀。

NX 軟件中型腔銑的參數設置為先選擇幾何體（部件、毛坯），選擇直徑為10 mm 的立銑刀，切削模式選擇“跟隨部件”，步進選擇刀具直徑的60%，每刀切削深度為1 mm。切削參數選擇“層優先”，順銑方式，部件側面余量為0.3 mm，底面余量為0.2 mm，內公差為0.08 mm，外公差為0.1 mm；非切削移動參數中進給類型選“螺旋”下刀，傾斜角為5°，進刀選“圓弧”進刀，圓弧半徑為5 mm，毛坯材料為鋁，進給速度為1 000 mm/min，主軸轉速為2 000 r/min。設計的粗加工的刀路如圖3 所示。

圖3 粗加工刀路

2.2.2 局部清角加工

風扇輪葉片在經過粗加工后，若直接進行多軸精加工，由于葉片各部分余量不均，對刀具沖擊較大，直接影響葉片加工的表面質量和精度，所以需要對葉片進行局部清角的半精加工。考慮到葉片根部的圓角，選擇刀具為直徑6 mm 的合金球刀，加工方式選擇MILL_CONTOUR（輪廓銑）中的ZLEVEL_PROFILE（深度輪廓銑），參數設置為選擇部件，陡峭空間范圍選擇“無”，合并距離設置為3 mm，最小切削長度為1 mm，每刀深度為0.3 mm，切削順序選擇“始終深度優先”，切削方向為順銑，部件側面余量為0.3 mm，內、外公差設為0.03 mm，非切削移動參數設置進刀類型為“插削”，高度為3 mm，進刀類型選擇“與封閉區域相同”，進給速度為800 mm/min，主軸轉速為3 000 r/min。局部清角加工仿真模擬如圖4 所示，通過局部清角加工仿真模擬可以看出，葉片的表面質量得到了很大提高。

圖4 局部清角加工

2.2.3 葉片精加工

葉片精加工采用五軸數控機床進行加工，即五軸聯動除了3 個移動軸聯動外，還有2 個旋轉軸可以同時聯動，在NX 軟件中體現的是刀具在加工時采用曲面驅動、表面積驅動等驅動方式，按照一定的加工方法策略產生相應的驅動點，驅動點沿著指定的投影矢量方向投到零件幾何體上形成投影點，刀具沿投影點運動，并最終生成刀具五軸加工路徑[6-7]。

分別對葉片的背面、頂部及前面進行精加工，選擇多軸加工方式M I L L_M U LT I_A X I S 中的VARIABLE_CONTOUR（可變輪廓銑）。可變輪廓銑用于精加工由輪廓曲面形成的區域的加工方式，這種方式通過精確控制刀軸和投影矢量，使刀具沿著復雜曲面的復雜輪廓運動[8]。對葉片背面進行加工參數設置，設置為指定加工部件，驅動方式選擇為“曲面”，投影矢量為“刀軸”，刀具選擇為直徑8 mm 的合金球刀，刀軸指定為“相對于驅動體”，設定前傾角為0°，側傾角為55°，內、外公差均設為0.005 mm，切削模式為“往復”，步距數目為40，進刀類型為“圓弧-平行于刀軸”，進給速度為800 mm/min，主軸轉速為4 000/min。葉片背面五軸加工刀路仿真如圖5 所示。

圖5 葉片背面五軸加工刀路仿真

葉片頂部加工路徑操作參數設置成刀軸指定為“垂直于驅動體”，其他參數相同。葉片前曲面加工路徑參數設置如下：切削模式為“往復”，步距數目為80，刀軸指定為“側刃驅動體”，側傾角為20°，其他參數相同。葉片的精加工刀路如圖6 所示。

圖6 葉片精加工刀路

3 后置處理生成加工程序

在刀具路徑設計好后，需要將刀路通過專用的后置處理器轉換成所需要的特定數控系統三軸或多軸加工機床能讀取的G 代碼（數據程序中的指令）程序。不同數控系統的指令代碼及程序格式差別較大，相應的要進行后置處理器的修改。五軸聯動數控機床后置處理器的開發關鍵為設置第四軸及第五軸的行程極限，否則程序在運行時會出現加工事故，損傷工件或機床[9-10]。NX 軟件后置處理器參數設置界面如圖7 所示。刀具路徑仿真模擬沒有刀具干涉等問題后，選擇所有的加工刀具路徑，調用開發好的后置處理器程序，輸入生成NC 程序的文件名，就可以生成數控機床加工所用的NC 代碼程序，部分后處理程序如圖8 所示。

圖7 后置處理器參數設置界面

圖8 部分后處理程序

4 結論

本文中應用NX 軟件對復雜曲面的風扇輪葉片進行了數控加工，模擬仿真葉片加工中三軸及五軸曲面銑削的加工過程，體現了NX 軟件進行數控加工的特點，大大節省了復雜曲面坐標數據的計算時間，簡化了程序的編制過程，突出了NX 軟件五軸加工的優勢，可以快速、優質地生成多軸加工程序。并通過軟件的模擬仿真刀路的功能，來檢驗刀具的干涉情況及進行過切檢查和優化刀路，達到了降低產品的廢品率和提高加工質量的目的。