基于HyperMILL的葉輪五軸數控編程及加工表面質量控制

摘 要：在HyperMILL軟件中，對半開式整體葉輪進行五軸數控編程，編程得到的刀位軌跡經過內部機床模擬加工驗證，用后置處理器將刀位軌跡文件生成機床可識別的NC加工指令代碼。在HURCO-VMX42Ui五軸加工中心上對6061鋁合金整體葉輪進行加工，并通過結合設備準備功能G代碼，對加工表面質量控制。加工結果表明，通過對HyperMILL軟件五軸數控編程與刀軌文件的模擬，可避免加工過程中容易出現的干涉、過切、欠切等問題，提高葉輪加工的質量與生產效率；分析VMX42Ui五軸加工中心準備功能G代碼參數的修改，工作面的加工精度和表面質量有較明顯提升。該研究為其他同類復雜零件的編程加工提供參考依據。

關鍵詞：HyperMILL；整體葉輪；數控編程；五軸加工；HURCO；加工表面質量

中圖分類號：TG65 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0001-07

Abstract： In the HyperMILL software， five-axis CNC programming is carried out for the semi-open integral JF4g4froqAWghBvIdKcufFnu/CVPM+GmvkegIIScpOc=impeller. The programmed tool path is verified by internal machine tool simulation processing， and the post-processor is used to generate the tool path file to NC machining instruction code recognizable by the machine tool. The 6061 aluminum alloy integral impeller was processed on the HURCO-VMX42Ui five-axis machining center， and the quality of the processed surface was controlled by combining the equipment preparation function G code. The machining results show that through the five-axis CNC programming of HyperMILL software and the simulation of tool path files， problems such as interference， over-cutting， and under-cutting that are easy to occur in the machining process are avoided， and the quality and production efficiency of impeller machining are improved; the modification of the G code parameters of the preparation function of the VMX42Ui five-axis machining center is analyzed， and the machining accuracy and surface quality of the working surface are significantly improved. This research provides a reference for programming and machining of other similar complex parts.

Keywords： HyperMILL; integral impeller; CNC programming; five-axis machining; HURCO; machined surface quality

整體半開式葉輪是高端裝備制造中的重要零部件，在軍工、船舶、航空等各個行業中應用廣泛，是典型的復雜零件。整體半開式葉輪結構復雜，工作面涉及到空氣和液體等介質，因此對工作面的加工精度和表面質量有較高的要求，且葉輪幾何結構由空間扭曲流道和超薄大扭曲葉片等復雜曲面所構成，從而導致數控編程和加工難度大。本文以典型的整體半開式葉輪加工為研究對象，運用HyperMILL2021對葉輪進行五軸數控編程，對程序進行加工仿真研究，并運用VMX42Ui五軸加工中心修改G05代碼相關參數，進行了實驗對比驗證，完成了整體半開式葉輪的實際機床加工，為類似葉輪的加工效率提高和加工精度優化提供了實際參考。

1 半開式葉輪幾何特征

半開式葉輪主要是由輪轂和葉片組成，其中葉片曲面是由前緣、后緣、壓力曲面、吸力曲面及包覆曲面構成，主要構造如圖1所示。本文研究的半開式葉輪在HyperCAD模塊中建模得到，模型尺寸如圖2所示。

該葉輪由8個長葉片和輪轂組成，沒有短葉片，與常規葉輪不同的是，在靠近葉片前緣的位置還有2排壓力曲面的孔洞，作用是改變進氣時壓力曲面負載量的變化率。葉片的最大高度為24 mm，相鄰兩葉片間的最短距離為17 mm，葉輪底部的最大直徑為Φ180 mm，整體高度為65 mm。底面設置一個圓臺，直徑為Φ80 mm，高度25 mm，方便加工時與夾具裝夾。

圖1 半開式葉輪主要構造

圖2 半開式葉輪模型尺寸

2 半開式葉輪包覆面毛坯車床制作

整體半開式葉輪大部分均是由五軸加工中心的聯動來完成加工，在加工過程中假如直接選用圓錠毛坯料進行加工，則在設備上去除材料余量的時間太長、成本較高，所以先用數控車床進行毛坯預加工，去除大部分余量后，再安裝到五軸聯動加工中心上進行加工。如圖3所示，選用直徑為Φ200 mm，高度為90 mm的圓棒料作為原始毛坯，材料為6061鋁，在數控車床上加工出由葉輪模型包覆曲線繞軸心旋轉得到的包覆面毛坯。

圖3 包覆面毛坯模型

借用UG軟件的CAM模塊，導入毛坯模型進行車削刀路軌跡編制，通過后處理生成加工程序，拷貝到數控車床上進行加工。如圖4所示，原始毛坯分2次車削，首先將模型底面的裝夾圓臺進行加工，確定加工回轉中心；其次進行二次裝夾，把毛坯掉頭，將加工好的圓臺進行裝夾，執行程序加工出所需的包覆面毛坯。完成包覆面毛坯加工后將毛坯模型裝夾到五軸數控加工中心的工作臺上，準備后續的葉輪加工。

圖4 包覆面毛坯車削過程

3 HyperMILL數控編程過程安排

葉輪毛坯在車床完成預處理后，接下來在HyperMILL中對半開式葉輪進行工藝安排及五軸數控編程，基本數控編程及加工過程如圖5所示。

圖5 HyperMILL數控編程及加工過程

3.1 坐標系、模型與毛坯的建立

設定模型頂面水平圓的中心線交點作為坐標系原點，通過該點作Z軸豎直指向模型正上方，并通過在面上指令獲取當前平面的笛卡爾坐標系，建立水平方向上的X、Y軸，作為模型的加工坐標系。

建立模型，新建加工區域，定義為曲面選擇模式，選擇所有葉輪模型曲面，應用生成葉輪的加工模型。

毛坯模型是通過葉輪的包覆曲面旋轉生成。通過擬合包覆曲面的曲線，生成毛坯的回轉母線，用圖形中的旋轉命令，選擇回轉母線以Z軸為軸心生成模型的包覆面毛坯。在工單列表中新建毛坯，選擇曲面模式定義旋轉生成的曲面為毛坯模型。

通過HyperCAD模塊建立三爪卡盤模型，新建夾具區域曲面選擇模式選中夾具全部曲面，應用生成夾具模型，并通過移動指令將卡爪與模型底面圓臺貼合，貼合實際加工時的裝夾狀態。

通過坐標系、模型、毛坯及夾具的建立，達到與實際加工狀態完全一致，能夠減少在實際加工過程中刀具與模型、毛坯及夾具的干涉碰撞，在生成程序的過程中就可以通過模型的檢測功能避免與解決此類問題，建立完全的模型如圖6所示。

圖6 坐標系、模型、毛坯及夾具的建立

3.2 葉輪加工工序的劃分

3.2.1 加工刀具的選擇與確定

選擇合適的加工刀具是實際加工中最至關重要的環節，選擇合適的刀具材料和刀具類型不僅可以保證加工效率，而且能夠滿足零件的加工質量。刀具的選擇需要充分考慮整體葉輪的形狀、材料等各個方面的因素。根據對該葉輪模型的幾何特征及加工材料等因素的分析，選擇硬質合金的球頭刀和錐度球頭刀完成各個工序的加工。所選刀具參數規格見表1。

表1 加工選用刀具參數

3.2.2 葉輪加工工序以及加工參數確定

整體半開式葉輪結構復雜，其數控編程和加工的難點主要如下。

1）相鄰葉片間的間距較小，加工時刀具與毛坯或夾具易產生干涉，一次生成無干涉的刀位軌跡較為困難。

2）葉片厚度較小，在精加工過程中容易出現加工變形和振動等問題，使葉片表面的加工質量降低。

3）葉片的扭曲度較大，使刀軸矢量的計算復雜化。

HyperMILL是德國OPEN MIND公司的一款CAM軟件，其中的葉輪加工模塊給葉輪類零件的數控編程提供了便利，能夠完美地解決上述編程和加工中的難點。并且結合該軟件開發的不同策略選擇和參數設置，可以完成實際整體葉輪加工，合理規劃整體葉輪加工工藝，為提高葉輪的加工效率和加工精度提供了很好的解決方案。HyperMILL中葉輪加工的加工工藝表制定參數見表2。

3.2.3 葉輪五軸數控編程

1）葉輪粗加工。葉輪粗加工主要是以去除多余材料為目的，加工出流道與葉片的基本形狀，所以加工時主要考慮的是加工效率。采用“5X葉輪粗加工”的加工方式完成。

該葉輪相鄰兩葉片間的最短距離為17 mm，所以采用Φ12 mm的球頭刀進行第一次流道開粗，選用流道偏置的銑削策略，從導入側進刀，平行雙向加工進給策略能夠提高加工效率、減少多余的刀具路徑，設置最大步距3 mm，垂直步距0.5 mm，余量0.65 mm。五軸設置里可以對加工過程中的刀軸傾斜和刀具避讓策略等進行設置。采用五軸聯動的方式進行加工并選擇繞Z軸的避讓策略，以簡化刀具的運動，使切削過程保持穩定[3]，最大Z軸角度為90°。

通過Φ12 mm的球頭刀進行第一次流道開粗后，在葉根的圓角處因為刀具半徑過大，還會殘留較大的余量影響半精加工時小刀具的切入，所以選用一把直徑小于12 mm的刀具進行流道開粗的修整。選用Φ8 mm的球頭刀對流道進行二次開粗，同樣選用流道偏置的銑削策略，從導入側進刀，平行雙向加工進給策略，設置最大步距1.5 mm，垂直步距0.35 mm，余量0.3 mm。

2）半精加工。葉輪的半精加工可以平滑粗加工產生的粗糙表面，減少粗加工留下的誤差，包括對輪轂曲面和葉片曲面的加工，分別采用“5X葉輪流道精加工”和“5X葉輪點加工”的加工方式完成。

流道半精加工選用半徑為R2 mm的錐度球頭刀進行加工，選用全部的銑削策略，從導入側進刀，平行雙向加工進給策略，設置最大步距0.3 mm，切深0.2 mm，余量0.08 mm，采用五軸聯動的方式進行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為90°。

葉片半精加工同樣選用半徑為R2 mm的錐度球頭刀進行加工，選用銑削參考為長葉片，從導入側進刀，平行于流道進給策略，設置最大步距0.3 mm，切深0.2 mm，余量0.08 mm，采用五軸聯動的方式進行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為100°，同時打開貼近葉片和精確避讓特殊功能，減少聯動時多余的角度和避免刀具干涉。

3）精加工。葉輪精加工過程要達到零件的尺寸精度和表面質量要求，采用的加工方式與半精加工相同，策略與五軸設置的參數內容基本一致，不同的是將步距減小，余量為0 mm。

流道精加工選用半徑為R1 mm的錐度球頭刀進行加工，選用全部的銑削策略，從導入側進刀，改用平行單向加工進給策略，提高表面質量，設置常量步距0.08 mm，余量為0 mm，同樣采用五軸聯動的方式進行加工，并選擇繞Z軸的避讓策略，最大Z軸角度為90°。

葉片精加工選用半徑為R1 mm的錐度球頭刀進行加工，與葉片半精加工相比，更改設置常量步距0.08 mm，余量為0 mm，其余設置均相同。

4）孔洞加工。前緣的孔洞可以使用定軸進行加工，采用“5X投影精加工”的加工方式完成。使用半徑為R0.25 mm的錐度球頭刀，設置型腔往復式進給策略，加工深度0.24 mm，常量水平步距0.02 mm，分3層加工，每層垂直步距0.08 mm，五軸固定傾斜角度為A軸-31°、C軸43°。

整體葉輪五軸加工刀路軌跡見表3。

表3 葉輪加工軌跡

3.3 葉輪模擬加工及后處理

經過刀位軌跡的編程，所有的加工路徑均已生成，在數控設備加工之前還要對刀軌進行仿真驗證，檢查加工路徑中是否存在刀具、工件、夾具、機床及刀柄的干涉碰撞，以及是否產生過切現象。

3.3.1 內部機床模擬加工

在HyperMILL軟件中的內部機床模擬功能，是通過給定的機床模型，通過定義加工的刀具、刀柄、夾具及毛坯等信息，模擬刀具路徑和切削過程中材料的去除，進行碰撞干涉和過切的檢查，與實際加工過程最為接近，對程序的檢查具有很高的參考性，內部機床模擬加工與干涉檢查結果如圖7所示。

3.3.2 后置處理器生成NC程序

在HyperMILL環境中，通過刀軌編制的pof文件是不能直接用于機床加工的，利用后處理定制工具HyperPOST創建．oma格式的后處理器，并對生成的pof文件和加工信息進行后處理，生成機床可識別的NC程序。粗加工部分NC程序如圖8所示。

4 HURCO五軸數控加工中心葉輪加工與表面質量控制

4.1 加工機床

在HURCO-VMX42Ui五軸加工中心上完成半開式葉輪的加工，機床的基本參數見表4。

將包覆面毛坯裝夾到設備三爪卡盤上進行加工，機床及裝夾如圖9所示。

4.2 準備功能G代碼加工表面質量控制

就根據目前機床市場來看，部分先進的數控加工中心可以對加工條件進行設置，通過設備對應的準備功能代碼G05.x來設置加工精度等級；根據查閱HURCO-VMX42Ui五軸加工中心電子說明書及機床參數手冊，得知該設備對應有3種G05代碼可以對工件的加工表面質量進行控制。

4.2.1 表面光潔度（G05.1）

該指令決定表面質量，Pn定義當n=1代表精密，n=2代表標準，n=3代表高效。定義Qm設定公差值，m為可輸入的誤差值。

4.2.2 數據平滑（G05.2）

該指令決定表由2個要素構成。Pn啟用或禁用，當n=0代表數據光滑關；當n=1代表數據光滑開；Qm為刀具路徑公差。系統允許刀具路徑偏離的值。m取值范圍在0至0.1之間。

4.2.3 表面精加工品質（G05.3）

G05.3指令用來設定表面精加工品質的選項功能。

格式：G05.3Pn。P取值范圍在1.0～100.0之間，P1能到達最佳的光滑表面，但需要一個較長的切削時間；P100.0能加快切削時間，但表面粗糙度較差。

根據NC程序中的G05.x指令代碼，如圖8中選中的NC代碼所示，對本次加工葉輪的精加工葉片NC程序進行加工表面質量控制的驗證。為確保實驗的準確性與科學性，采用實驗對比的驗證方法，分別對6組留一定余量的葉片精加工程序進行實驗。在實驗過程中，將4組葉片的加工刀具、銑削策略、導入側、進給策略、步距和余量設為定量，將NC程序中的G05.3Pn值和最大Z軸角度設為變量，以及增加2組參考實驗，對G05.2Qm值和步距修改，實驗參數變量見表5；并對6次實驗加工完成的葉片拍照記錄，實驗記錄如圖10所示。

對加工表面質量的實驗記錄對比發現，實驗1中當G05.3 P值為100時，在葉片接近后緣位置有較大的疤痕；實驗2中當P值為80時，與實驗1相比疤痕面積有所減小；實驗3中當P值為50時，與實驗2相比疤痕逐漸消失；實驗4中當P值不變增加Z軸角度時，與實驗3相比葉片表面質量變化不大；在實驗5中，對G05.2 Q值進行增加，與實驗3相比未出現疤痕，但葉片表面出現坑洼，曲面光滑度一般；在實驗6中，對步距進行密化改為0.08 mm，與實驗5相比葉片表面依舊有坑洼，曲面光滑度變化不大。

通過分析以上6組實驗數據，發現表面精加工品質（G05.3）對葉片加工表面質量有著較大的影響，隨著P值的減小，葉片加工表面質量越光滑；數據平滑（G05.2）對葉片加工表面質量也有一定的影響，但影響效果不如前者大，隨著Q值的增加，表面光滑度變差，一般設置為0.05就可以保證加工質量。

4.3 加工完成

經過上述實驗優化NC程序，將G05.3P值設為40，G05.2Q值設為0.05，將葉輪整體加工完成，加工完成的葉輪實物如圖11所示。

5 結束語

基于HyperMILL的半開式葉輪五軸數控編程及五軸數控加工中心表面質量控制研究，主要探討如何利用HyperMILL軟件實現半開式葉輪五軸數控編程。同時，本文還研究了五軸數控加工中心表面質量控制的方法。

本文首先介紹了半開式葉輪的概念及其特點，并對半開式葉輪五軸數控編程的流程進行詳細的描述。在編程過程中，需要考慮加工路徑的規劃、刀具的選擇和加工參數的設置等因素。其次，本文研究了五軸數控加工中心表面質量控制的方法。采用了4個方面的控制策略，包括表面精加工品質（G05.3）P值的控制、數據平滑（G05.2）Q值的控制、刀具偏移角度的控制和刀具加工路徑間距的控制。最后，本文通過實驗驗證了該方法的有效性。實驗結果表明，采用HyperMILL軟件實現半開式葉輪五軸數控編程，配合五軸數控加工中心表面質量控制方法，可以獲得較高的加工精度和表面質量。

綜上所述，本文提出了一種基于HyperMILL的半開式葉輪五軸數控編程及五軸數控加工中心表面質量控制的綜合方法，對于提高葉輪加工的精度和效率具有實際意義。

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