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1、基于 UG 的叶轮高速铣削加工技术研究【摘要】本文针对整体叶轮的特点，结合高速切削技术和多轴数控加工技术，总结出适合整体叶轮高速铣削所需要的刀具和切削用量等参数，制定数控加工工艺方案，并实现计算机刀路轨迹仿真。最后，针对5轴铣削加工中心创建专用后置处理程序，得到完备的数控加工仿真文件、NC程序和最优车间文件，并实现叶轮实体加工。【关键词】整体叶轮；高速铣削；UG Research of high speed milling machining technology based on UG software【Abstract】Considering the characteristic of i
2、ntegrated impeller and the feature of HSC, this paper gives the prime procedure of milling integrated impeller. Analyzing cutting tools and cutting parameters, the tool tracks and machining simulation are demonstrated. After simulating the machining tool path, an integrated impeller is machined by 5
3、-axis machining center HERMLE.【key words】Integrated Impeller HSM UG0 引言整体叶轮是一类具有代表性且造型复杂的零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毂上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。高速铣削技术、五轴数控加工技术解决了复杂外形零件，特别是复杂曲面的加工瓶颈，极大地提高加工效率，缩短产品的制造周期，提高产品的质量。因此通过研究整体叶轮的五
4、轴高速铣削加工工艺，能够大幅度地提高复杂曲面类零件的制造水平。1 高速切削加工技术1.1 高速切削的本质变化高速切削加工的切削力小，切削容易形成，且元件吸收热量少，工件温度低，这对提高金属切除率、解决切削变形、热效应等有很大的好处。概括起来，高速切削加工的本质变化可用图1.1表示。1.2 高速切削关键技术高速切削涉及很多方面，是一个系统工程。但主要影响因素有五项：即材料、刀具、机床、工艺、工件。研究高速切削必须从工艺与机床这个核心出发。而高速加工工艺技术是高速切削技术领域中极为关键的支撑技术群，也可认为是其使能技术，包工艺规划系统、自动编程技术、数控刀具设计和制造、刀具预调和管理、建立优化切削
5、参数数据库以及工艺优化设计技术等。高速切削关键技术如图 1.2 所示。图 1.1 高速切削的本质变化图 1.2 高速切削关键技术1.3 5 轴联动铣削加工中心5轴联动铣削加工中心是指在三个平动坐标轴基础上增加两个旋转坐标轴同时驱动，且五个轴可以联动，刀具可以在给定的空间内任意方向运动，可以根据被加工零件的形状需要，使刀具与工件表面形成任意的角度，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力，获得更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于薄壁零件以及大型复杂曲面类零件，如结构复杂且为空间曲面的叶片、整体叶轮以及螺旋桨叶等零件的高效高质量加工，是整体叶轮加工的绝佳选择。2 UG 环境下整体叶轮
6、的参数化建模叶轮自由曲面可以分为两部分：叶片曲面和轮毂曲面。叶片曲面由吸力面和压力面组成，示意图如图2.1所示。对于轮毂曲面和包覆曲面分别可由叶片根部曲线和叶片顶部曲线绕Z轴回转而成，故在整体叶轮的建模过程中把叶片的建模放在轮毂曲面和包覆曲线之后。(a) (b)图 2.1 叶片曲线示意图根据上述叶轮几何特点分析，有曲面建模工具创建叶轮模型，如图2.2所示。图 2.2 最终整体叶轮模型3 整体叶轮加工工艺规划在安排工序时，为了保证叶轮叶片的加工质量、生产效率、经济性和和加工可行性，要遵循工序集成、基准先行、先粗后精、先主后次、分面加工和先面后孔工序的工艺原则。整体叶轮的加工划分为二个阶段：粗加工
7、和精加工，粗加工的任务是尽快切除大量整体叶轮各个表面多余的材料，加工出整体叶轮过渡毛坯和叶轮基本形状。另外可根据实际需要设置半精加工工序以平滑粗加工留下的粗糙表面，去除拐角处多余的材料，生成加工余量比较均匀的表面，为精加工作好准备。这两个阶段是整体叶轮加工的关键阶段，它主要保证叶片叶片尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度。叶轮精加工阶段的任务是获得要求的加工精度和表面质量。对于零件的粗、精加工可以放在同一台五轴铣削加工中心上完成，提高加工效率，缩短加工时间。3.1 刀具的选择整体叶轮粗加工时选择平头立铣刀，这种刀具的刀刃多，切削效率高。精加工时选择球头铣刀，其刀具头部加圆弧有利于加工成型叶
8、根过渡面及流道面。球头刀又易选用锥形球头刀，它有利于提高刀具的刚性，弯曲厉害的叶片可以采用鼓形刀加工。高速铣削加工的刀具材料最适用于铝合金加工的刀具是金刚石刀具，但是因为其价格昂贵，考虑到加工成本的问题，采用在高速加工中应用最为广泛的涂层硬质合金刀具，既可以保证加工质量，又降低了成本。3.2 夹具的选择考虑到工序集中和基准统一的原则，减少工件装夹次数和装夹时间，本文采用通用夹具三爪卡盘KZ M130，如图3.1 所示。图 3.1 三爪卡盘夹具及其外形3.3 叶轮加工中对刀点和换刀点的选择对刀点的选择原则主要是考虑到对刀点在机床上校正方便，编程时便于数学处理，有利于简化编程。叶片加工必须考虑不同
9、工序间的换刀位置，为防止刀具与零件或夹具的干涉，一般换刀点选在零件的外部。为编程方便，都将换刀点固定，即所有换刀都在这个唯一确定的换刀点进行。这种方法换刀安全，也简单易行。3.4 确定整体叶轮加工路线经过上述分析，本文采用如下加工路线：(1) 叶轮基本回转体加工；(2) 叶轮流道开槽加工(粗加工 )；(3) 叶轮通道开槽粗加工；(4) 叶轮叶片的粗加工；(5) 叶轮叶片的精加工；(6) 轮毂精加工；(7) 叶根精加工工序；具体工艺规程如表3.1所示。旋转轴 旋转轴叶片曲面包覆曲面子午平面轮毂曲面叶片顶部曲线叶片根部曲线表 3.1 数控加工工艺规程产品名称 零件名称 材料 零件图号 夹具名称 使
10、用设备数控加工工艺过程 整体叶轮 整体叶轮 6061 / KZ M130 HERMLE 工序号 工序内容 刀具号 主轴转速 n(r/min) 每齿进给量 fZ(mm/r) 加工余量 1 (mm)1 下料 180115 / / / /2 三爪自定心卡盘夹持工件毛坯 / / / /3 粗加工叶轮基本回转体 T1 8000 0.2 1mm4 叶片流道开槽粗加工 T2 10000 0.2 0.55 叶片粗加工 T2 12000 0.1 0.256 叶片精加工 T3 15000 0.1 07 轮毂精加工 T2 14000 0.1 08 叶根加工 T4 14000 0.1 09 检验 /4 UG 环境下叶
11、轮 CAM 编程与后处理在UG环境下进行CAM编程时，一般遵循的流程如图。图 4.1 UG/CAM 编程一般过程4.1 整体叶轮加工装配模型建立整体叶轮加工装配模型，就是将整体叶轮模型、加工机床模型、各种工装夹具模型和毛坯模型按实际加工情况建立其装配模型，这些模型有整体叶轮刀轨定位和计算，可以实际根据需要对其进行简化。使用加工装配模型，可以避免将夹具模型合并到被加工零件模型中，生成与模型完全相关的刀轨，另外允 NC 程序员并行工作，同时在各自的文件中开发 NC 数据。根据需要，本文采用如图4.2所示加工装配模型。图 4.2 整体叶轮的加工装配模型及其爆炸视图4.2 加工方案制定根据工艺分析，将
12、程序分成如表4.1所示七道工序。表 4.1 工艺方案中工序列表编号 程序名 备注P1 TransStockRoughMill 过渡毛坯粗加工P2 ImpellerHubRoughMill 流道开槽粗加工P3 ImpellerBladeRoughMill 叶片面粗加工P4 ImpellerBladeFinishMill 叶片面精加工P5 ImpellerHubFinishMill 轮毂面精加工P6 BladeRootFinishMill 清根精加工P7 BladeUpperFaceFinishMill 叶轮上表面精加工P8 UpperBossFaceFinishMill 叶轮凸台精加工加工过程中
13、所使用的刀具如表4.2所示，每个工序采用的刀具和相关切削参数如表4.3所示。表 4.2 工艺方案中刀具列表编号 铣刀类型 直径 拐角半径 锥度 切削刃长度T1 立 20mm 2 0 50mmT2 锥形 10mm / 3 50mmT3 锥形 8mm / 2 25mmT4 锥形环形 3mm 1 3 30mm表 4.3 工艺方案中各工序对应设置序号 加工方法 切深 切宽 跨距 余量 S FP1 粗 0.25 1 50 0.5 6000 1500P2 粗 0.15 1 50 0.5 8000 1500P3 粗 0.1 5 50 0.2 20000 2000P4 精 0.1 / 20 0 10000 2
14、000P5 精 0.1 / 20 0 12000 2000P6 精 0.1 / 20 0 10000 14004.3 建立父节点组1) 在刀具节点下，加入加工用到的所有刀具，并设置其刀具参数。2) 建立程序组。根据叶片的加工元素，建立五个程序组，分别代表流道和轮毂、过渡毛坯、叶片、叶根和凸台的加工程序。3)节点下设置粗、半精、精加工时的主轴转速、进给率及刀位轨迹的显示颜色。4.4 整体叶轮 NC 编程及仿真叶轮编程是一个复杂的过程,在刀具轨迹编制好之后,应通过 UG 的仿真模块对刀轨进行反复仿真验证,检查过切、欠切等问题,并及时修改,叶轮仿真加工结果如图 4.3 和图 4.4 所示。 (a)
15、过渡毛坯的粗加工 (b) 叶轮流道粗加工图 4.3 整体叶轮粗加工刀路轨迹(a)轮毂精加工 (b)叶片精加工 (c)叶根加工图 4.4 整体叶轮精加工刀路轨迹4.5 后置处理UG 编程产生的刀位文件(CLF)，并不能直接用来控制数控机床进行数控加工，必须根据机床运动结构及控制指令格式，将 CAM 软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的 NC 程序，即后置处理。根据特定的需要可以通过 Shop Documentation功能抽取当前显示部件的零件几何、零件材料、控制几何、加工参数、控制参数、加工顺序、机床设置、机床控制事件、后处理命令、刀具参数、刀轨信息来创建包含特定信息的网页文件（HTML
16、 ） ，如图 4.5 所示。这些文件多半都是提供给生产现场的机床操作人员，免除了手工撰写工艺文件的麻烦。同时还有一个文件是用于生成刀具库数据文件的，可以让自己定义的刀具快速加入 UG 的刀具库中，供以后使用。图 4.5 车间工艺文件5 实体加工上述通过分析和制定整体叶轮的加工工艺，并使用 UG 的仿真功能对加工轨迹以及生成的 NC代码进行了仿真验证。本文最后在 HERMLE 5 轴铣削加工中心实现了整体叶轮的实体高速铣削加工(如图 5.1 所示)。加工得到的整体叶轮无过切现象，加工过程平稳且完全符合工艺要求，从而验证了加工轨迹的正确性。图5.1 实体加工整体叶轮6 结语本论文以整体叶轮为研究对象，结合 5 轴铣削加工中心，对高速铣削技术的应用和推广做了深入 研究：首先完成了 UG 环境下整体叶轮的参数化建模，然后针对整体叶轮加工工艺若干因素进行了分析，并拟定了整体叶轮的五轴数控加工工艺方案，完成了 UG 环境下刀路轨迹的编程及后置处理。最后实现了整体叶轮的实体加工。nt
