引言

在現代智能制造體系中，數控加工技術的發展已經成為一個國家發展國民經濟、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。隨著中國制造業的轉型，精密模具、軌道交通、航空、醫療器械等新興產業的迅速崛起，零件的復雜性和精度要求越來越高。葉輪具有加工路徑多、約束多、葉片曲率大以及可加工空間小等特點，是典型的難加工的復雜曲面零件。普通三軸和四軸銑床已經無法滿足類似葉輪這種高精度、高強度復雜零件的加工需求。文章以葉輪為加工實例，介紹基于UG 的葉輪五軸加工編程，并用UG仿真環境進行試加工仿真，利用五軸高速機床完成零件的試加工驗證，為合理提高葉輪的加工工藝、加工效率以及加工精度提供實際參考。

1 基于UG的葉輪三維建模

葉輪的建模難點主要在葉片，尤其是創建空間曲線，建模步驟如下。

（1）將葉輪分為輪緣和葉片2 部分，在yOz 平面建立輪轂的錐形截面，將截面繞Z 軸旋轉1 周，形成底部直徑80mm，高度30mm 的錐形輪轂，在輪轂表面繪制合適長度的草圖曲線，并按照規律延伸，變化規律改為3 次。

（2）用曲面加厚命令加厚葉片，生成葉片實體。

（3）用陣列功能生成陣列葉片。

（4）合并輪轂與葉片并移除參數，形成葉輪實體，生成的葉輪三維模型如圖1 所示。

圖1 葉輪三維模型

2 葉輪加工工藝方案

2.1 加工工藝分析

葉輪加工的難點主要在葉片，因為葉片較薄且葉片間距較小的特征，如果加工順序、刀路制訂不合理、刀具選擇不正確、切削速度過快或者過慢都會導致過切，甚至刀具崩壞等問題。

2.2 加工工藝方案

根據葉輪加工難點，結合五軸高速機床的性能，合理選用刀具類型及切削用量，制訂合理的數控加工工序，既能提高葉輪的加工精度和加工效率，又能延長刀具使用壽命。葉輪的毛坯選用的是Φ80mm×30mm 帶中心孔，中心孔尺寸為Φ16mm。毛坯的工裝夾具選用階梯式的芯軸，上方用螺釘和墊片固定夾緊，下方則是過渡盤，葉輪工裝夾緊方式如圖2 所示。首先完成葉輪的開粗，其次對輪轂和葉片的表面繼續精加工，最后對葉片和輪轂的結合處進行清根處理。葉輪五軸加工工藝參數見表1。

表1 葉輪五軸加工工藝

圖2 葉輪工裝夾緊示意

3 葉輪五軸加工編程及仿真

3.1 五軸加工編程準備

創建Φ80mm×30mm 的圓柱毛坯，并進入UG 加工模式，分別設置加工坐標系WCS、幾何體、毛坯和刀具等，設定被加工件與刀具底面的安全距離為10mm。

3.2 葉輪五軸加工編程

（1）葉輪整體開粗。葉輪粗加工采用“mill_multi blade”，其子工序選用“Impeller Rough”，該工序是使用輪轂和包覆之間的切削層來移除葉片之間的材料。指定葉片及葉根圓角，刀具選用R4 球銑刀，切削層深度模式選擇“從包覆插補至輪轂”，切削深度為2mm。刀軌光順百分比設定為25%，主軸轉速設定為8000r/min，進給速度設定為3000mm/min，生成粗加工刀路，葉輪粗加工刀路如圖3 所示。將以上工序連續復制7 次，即可得到剩余開粗刀路，葉輪整體開粗刀路如圖4 所示。

圖3 葉輪粗加工刀路                  圖4 葉輪整體開粗刀路

（2）輪轂及葉片精加工。葉片與葉片之間形成的區域稱為流道，在經過葉輪的整體開粗后，流道和葉輪表面還留有0.2mm 余量需要進行精加工。輪轂的精加工采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Hub Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R2 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設定為25%，主軸轉速設定為12000r/min，進給速度設定為1000mm/min，生成輪轂的精加工刀路。將以上工序連續復制7 次，即可得到輪轂精加工刀路，如圖5 所示。葉片的精加工采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Blade Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R2 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設定為25%，主軸轉速設定為12000r/min，進給速度設定為1000mm/min，生成葉片的精加工刀路。將以上工序連續復制7 次，即可得到葉片精加工刀路，如圖6 所示。

 圖5 輪轂精加工刀路                    圖6 葉片精加工刀路

（3）清根。為保證零件加工表面更加平整光滑，需要對葉片與輪轂的連接處清根。清根需要采用精加工的方式，選用的刀具為R1 斜角球銑刀，采用“mill multi blade”，其子工序選用“Impeller Blend Finish”，指定葉片及葉根圓角，刀具選用R1 斜角球銑刀。刀軌光順百分比設定為25%，主軸轉速設定為12000r/min，考慮到刀具尺寸較小，為防止出現斷刀，故進給速度設定為800mm/min，生成清根的精加工刀路。將以上工序連續復制7 次，即可得到葉片精加工刀路，如圖7 所示。

圖7 葉片精加工刀路

3.3 葉輪加工仿真

（1）設置仿真環境。點擊菜單欄中的“文件”，選擇“實用工具”目標最大單元長度，然后選擇“用戶默認設置”。在“用戶默認設置界面”中，選擇仿真模塊下的“前置處理器”，然后點擊“求解器和環境”。在“求解器和環境”界面中，勾選“基于組件的仿真”，然后點擊確認。

（2）加工仿真準備。在UG 工序導航器中選擇“機床視圖”，出現通用機床的選擇界面，在庫中調用機床、刀具以及設備。機床選擇MILL 下的“sim05_mill_5ax”五軸數控銑床。選擇好機床后，在部件安裝界面設定部件定位方式為“使用部件安裝聯接”，將動態坐標系放置部件底部圓心位置，選擇完成后自動生成所需機床。刀具選擇銑加工方式，并選擇球頭銑刀，設定球頭銑刀參數或拖動已有刀具至機床刀庫中。選擇工序視圖中已編寫好的加工工序，并選擇“加工路徑”中的“仿真”。在加工仿真前驗證是否有刀具及機床碰撞的情況，確認無誤后選擇“機床仿真”對被加工件進行加工仿真，根據需要調節仿真速度。葉輪的UG 加工仿真演示圖，如圖8 所示。

圖8 UG加工仿真演示

4 葉輪試切加工

五軸加工中心是一種功能全面的數控機床，如圖9 所示，它能夠實現零件一次裝夾，并且可自動、高精度、高效率的連續完成多個面的多種功率加工，廣泛應用于航空航天、能源、電機以及精密器械等行業。利用UG 仿真加工確認加工過程中無碰撞及干涉后，將加工毛坯按照圖2 的方式裝夾，并在五軸加工中心內進行試切加工，如圖10 和圖11 所示。

圖9 五軸加工中心

圖10 葉輪試切加工                             圖11 葉輪實物

5 結束語

首先，分析葉輪的建模及加工難點，制訂對應的加工工藝路線及加工策略；其次，利用UG 編程環境制訂加工步驟并生成軌跡刀路，利用UG 軟件自帶的仿真模塊，對葉輪五軸加工進行動畫仿真，確認無碰撞、過切以及干涉等問題；最后，對葉輪進行五軸加工試切并得到葉輪實物。從加工結果可以看出，合理的加工工藝路線及策略，能夠提高零件的加工質量和效率。