浅谈利用UG对整体式叶轮进行编程

1、浅谈利用UG对整体式叶轮进行编程浅谈利用UG对整体式叶轮进行编程朱健江苏省常州技师学院摘要：整体式叶轮是一典型的结构复杂的曲面零件，从毛坯到一个成型的叶轮需要经过很多关键环节，也运用到了很多先端的制造技术，从而其数控加工技术也一直是制造难点。要加工一个整体式叶轮需要我们了解其数控编程，后置处理（制作特定后置文件），虚拟仿真，以及对多轴数控机床操作等技术。当然这也就代表着我们需要熟练地去运用好一些计算机辅助制造软件，要了解、掌握这些软件各个功能的用途,以及各个功能的参数设置的改变对加工效果的影响，同时在操作过程中要多分析，多总结，多思考和研究一些编程技巧，提高工作效率和质量。目前市面上的CAM软

2、件很多，国外应用于整体式叶轮的五坐标加工专业软件有美国北方研究工程公司发行的MAX-5、MAX-AB专业软件包,德国OpenMill公司的HyperMill等专用叶轮加工软件，当然由于各种原因国外的有些软件或某些软件的某些功能对我国实行了技术封锁；除了专业软件外一些通用软件也可以实现对叶轮的加工，如： UG、PRO/E、CATIA、Cimatron等。除了以上一些国外软件外，我国自主研发的CAD/CAM软件CAXA制造工程师也是一款不错的软件，也支持叶轮加工。本文运用NX7.0软件对叶轮对其编制CNC程序。 关键字 ；叶轮 数控编程 后置处理 虚拟仿真 叶轮的编程、叶轮结构形状、毛坯选用、及装

3、夹方法.需加工的叶轮结构图 本文选用的为八叶片整体式的开式叶轮，具体形状如图1.1.1,1.1.2,1.1.3及1.1.4所示。图1.1.1图1.1.2 叶轮正等侧视图 图1.1.3 叶轮左视图图1.1.4 叶轮俯视图1. 2叶轮毛坯的选材及一些预处理（1）选材 由于叶轮一般都用于一些重要的场合，同时也在发挥着重要的作用，所以对其的刚性，硬度，抗疲劳强度（有些场合也要考虑其在高温下的工作性能）有这较高的要求。叶轮的毛坯一般都选用精锻件，根据用途的不同选用不同的合金材料，在加工过后还可以对成型的叶轮进行涂覆防磨涂料或表面喷焊来增加其耐磨性和对其喷涂耐腐层来增加耐腐蚀性。在根据叶轮的应用场合来选定

4、毛坯的同时也要考虑其的可切削性，切削性好的材料可以减少编程和加工是的困难，加工的困难变少，就使编程发挥的空间变大，可以编出更好更合理的刀路，同时也要带来良好的表面质量来提高叶轮的工作效率。 （2）铣削装夹前对毛坯材料的处理 为了减少铣削加工量及在铣削时便于装夹，我们可以对毛坯材料进行一定的车削加工成叶轮回转体基本形状，具体形状如图1.2.1所示。图1.2.1 叶轮毛坯正等侧视图注意：在用车床把棒料车削成叶轮毛坯时，一定要保证好叶轮毛坯的一些部位的尺寸精度及位置精度，以便于后续在加工中心上装夹、找正。 13叶轮毛坯的装夹叶轮的装夹并不复杂，一般用压板，三爪自定心卡盘，或用心棒对毛坯夹夹紧，这要根

5、据叶轮的几何特征和实际的切削模式来定。由于用于本次示例的叶轮几何尺寸较小（毛坯棒料150X40mm）所以选用心棒（胀力心轴）夹紧，如图1.3所示。 图1-3 叶轮装夹在回转工作台上2叶轮加工难点及对应的加工方案（1）因整体式叶轮为复杂的曲面零件普通数控机床难以实现对其加工所以最好选用五轴机床（有些叶轮也可以四轴机床加工）。加工时采用五轴联动加工，而非五轴定位加工。（2）一般叶轮毛坯多为精锻件，切削非常困难，所以要选用合适材料的刀具。在叶轮开粗时尽可能选用大直径的铣刀，叶轮精加工时选用带锥度（一般35度）的球头铣刀（如图2.1、2.2），以增加刀具的刚性，避免刀具因刚性问题而折断，同时也应合理选

6、择切削用量。 图2.1 锥度为3的球头铣刀 图2.2 装上刀后的刀柄（3）由于叶轮属薄壁零件，易变性，所以要选择好刀具的类型，选择好切削方法，同时也考虑好装夹类型和夹紧方式。（4）叶轮叶片扭曲较大，相邻叶片间的空间较小，因此在加工叶片曲面时刀具不仅易与被加工的曲面发生干涉，同时也易与相邻叶片发生干涉，所以在创建操作时要定义好检查几何体，和正确安排好刀具轨迹。（5）由于叶轮是高传动效率构件，其表面粗糙度要求及尺寸精度非常高，所以在创建操作时要合理的选择驱动方式、投影矢量及刀轴类型，特别是在铣流道时，刀轴最好选用插补，以控制好刀轴点，及其矢量，要保证好铣削方向顺着叶轮工作时气（液）流的方向。 3、

7、构建自己的UG加工模板在实际的生产制造过程中，我们注重的是产品的质量，产量和低消耗。产品的类型、规格来自于市场的需求，所需产品的实现来自于工厂的制造。制造出一类产品需要公司的设计部门，技术部门（包括工艺人员，编程人员等）和生产部门的通力合作，调节好各部门的关系，为完成好产品的质量和产量打下良好的基础。作为编程人员如何提高编程的速度和准确性是我们需要考虑的问题，这除了需要我们在编程中创建操作时要熟悉各个参数选项的作用及设置方法，编排好刀路，同时还需建立一个符合自己加工需求的加工环境：定义自己的刀具库和定义自己的模板。（1） 定义自己的刀具库 在定义刀具库时，首先要在UG刀具库相关DEF文件中对一

8、些不需要的用到的刀具类型和名称进行删除，只需保留一些自己需要用到的刀具类型（此类型刀具就相当于自己在刀具库新建的一个刀具类型名称）比如本人就保留了tool中milling类型的end mill（non indexable）刀具类型，其他UG原有自带刀具类型如车刀，钻头（由于考虑到际操作上的方便未保留钻头类型，当在加工过程中需要用到钻头时可在刀具的dat文件中的end mill non indexable刀具父项中简单创建，创建时相对铣刀多设置个尖角（钻头的顶角）就行，并且在建刀时注名好刀具描述和库号，以便在使用时调用方便），线切割上用的工具等全删了。mill中球刀，五参数刀，七参数刀，十参数刀

9、等也都删了，这些类型的铣刀都可以在end mill（non indexable）类型中建立（如图3.1.1，3.1.2）。图3.1.1 未改过的刀具库文件图3.1.2 改动过后的刀具库文件以上的tool/milling/ end mill（non indexable）相当于新建了刀具类型的名称和文件夹，下一步还需要我们把自己编程要用到的刀具在刀具数据库的dat文件中建立。建立的方式有两种，一种是在UG加工界面中创建刀具并导入刀库，还有一种方式是在刀具库dat文件中直接建立（由于我们保留选用的是end mill（non indexable）名称所以刀具一定要建立到dat文件的end mill（n

10、on indexable）中）。创建前的刀库和创建后的刀库分别如图3.1.3和图3.1.4。 图3.1.3 创建前的刀库 图3.1.4 创建后的刀库注：以上所有def、dat文件改动前都需备份，以防文件改动时出错，造成文件破损。（2） 定义自己的模版要定义一个自己理想模板首先须在UG加工模板文件夹中新建一个模板prt文件，再在UG加工模块中打开这个prt文件。在这个prt文件中添加自己所需用到的加工方式，和常用的刀具并保存。在添加时可以对加工方式里的一些常规参数进行设置，以形成参数初始默认设置。以下是本人新建的一个模板，如图3.2.1,3.2.2所示。 图 3.2.1 图 3.2.24.叶轮加

11、工编程4.1 叶轮粗加工粗加工我们首先考虑的是去除大部分的余量，对于叶轮来说我们可以选用VARIABLE_CONTOUR（可变轴轮廓铣）的操作方法来对流道来进行粗加工或利用CAVITY_MILL（型腔铣）的操作方法来对叶轮整体进行粗加工。 利用可变轴轮廓铣方法开粗，其部件几何体、检查体、驱动方法、投影矢量、刀轴选择等一些的操作与流道精加工的设置基本相同（具体设置时可参考流道精加工的设置来进行设置），但是流道粗加工须分层加工，叶轮叶片是扭曲的，所以每一层所需要切削位置是不同的这需要对每一层进行设置，而且设置比较麻烦，技术要求比较高。当然也有简单的方法，我们可以在可变轴轮廓铣的切削参数设定选项中给

12、定一个部件余量偏置值采用多重深度切削的方法来实现工件的分层切削，不过使用这种方法前首先要在可变轴轮廓铣方法中的刀轴选项中的插补方式中定义好轮毂与叶片交线的刀轴矢量（定义方法与流道精加工相同），定义时在刀具不碰到叶片的前提下尽量使刀轴贴近叶片，这样可以减少粗加工后工件的余量。型腔铣是我们平时常用的开粗方法，三轴中最常用了，我们可以在一粗时先用大刀去除工件大部分的余量，再用小刀对工件进行二粗，去除大刀切削不了的地方。不过相比cimatron，powermill等编程软件,UG在对工件进行开粗特别是在二粗时抬刀会比较多，很频繁，不过我们也可以通过添加干涉面和合理设置工件区域之间和区域内的传递类型（有

13、些工件形状或结够比较复杂，局部形状、尺寸突变较大，设置时须谨慎，以避免因设置不恰当而导致加工时刀具碰撞工件）来相应减少一些抬刀。叶轮的叶片是扭曲的，粗加工时使用型腔铣铣削方法采用普通的三轴加工只能去除毛坯水平面（切削层）上叶片沿竖直方向投影不到的地方，无法去除叶片压力面（图4.1.1）一侧下方的的余量。不过我们加工叶轮时采用的是五轴机床，所以我们可以运用五轴机床两个旋转轴可定位的这一特点结合型腔铣铣削方法（设置时指定好刀轴矢量）来对叶片压力面一侧的余量进行五轴定位加工。所以，我们采用三轴加工来对叶轮进行第一次粗加工，采用五轴定位加工对叶轮进行第二次粗加工。 图 4.1.1（1）第一次粗加工定义

14、毛坯（经车削后的毛坯），定义部件几何体（叶轮），创建MCS（机床坐标系），从刀库调刀，创建操作-型腔铣。型腔铣设置 刀轴选用“+ZM轴”，切削模式采用跟随周边，步距、全局每刀深度、进给和速度根据刀具类型和工件材料来定，切削参数和非切削移动只需一般设置（注意设置叶轮流道面与叶片上留余量），生成刀轨并确认（图4.1.2,4.1.3）。 图4.1.2 一粗刀路 图4.1.3 一粗IPW(2) 第二次粗加工新建毛坯、部件几何体（具体毛坯、部件的形状自定，只要能把叶片压力面下的余量去除就行，同也要保证加工时间尽量少），刀库调刀。创建型腔铣切削方法 指定毛坯（新建的毛坯）、部件（新建的部件）、干涉面（流道

15、面、叶片面和流道面与叶片间的圆弧角）、切削区域、刀轴（刀轴如图4.1.4）。在型腔铣中刀轴选定方式有两种：一种是“+MC轴”，一种是“指定矢量”。 “+MC轴”是指刀具轴沿MCS的+Z轴，也就相当于三轴机的Z轴（三轴机中也只能选择该轴）；“指定矢量”是指指定一个自己想要的矢量为刀具轴，可以是空间中任意一矢量，但在定义时一定要注意好矢量的方向。切削模式采用跟随周边，切削时下刀方式选用螺旋下刀，侧壁留余量，其他普通参数再进行设置（注意：在设置时一定要指定安全几何体）。生成刀轨并确认（如图4.1.5,4.1.6）。 图4.1.4 二粗选用的刀轴矢量 图4.1.5 二粗刀路 图4.1.6 二粗后的IP

16、W 一粗中的一系列参数设置是比较简便的，而二粗要用定位五轴加工的方法来进行加工，要使用到机床的两个旋转轴，也就是要根据型腔铣中的刀轴矢量来定义。矢量的构建不是很难，但要构建好这个刀轴矢量却不是那么容易，首先要考虑到构建的刀轴矢量能否去除所有要去除的材料，同时在去除过程中会不会与过切叶片或会不会切到相邻的叶片，刀柄会不会与工件碰撞，其次还应结合机床考虑到机床主轴或工作台的摆角范围，使刀轴的倾角在这范围之内。叶轮粗加工后，叶轮的流道和叶片之间还留有一定的余量，且流道面和叶片面上的各个局部区域的余量都不相同，有的地方多有的地方少，所以如果直接对叶片和流道进行精加工，会导致刀具的折断或工件的变形，所以

17、在流道和叶片精加工前一定要安排半精加工。5.2叶片半精加工在叶轮粗加工之后，叶片和流道上都留有一定的余量，还需要我们进一步去除，下面我们首先对叶片进行半精加工。叶片半精加工 选择操作方法VARIABLE_CONTOUR（可变轴轮廓铣），几何体选择MCS,选叶轮的轮毂面为干涉面；驱动方法选择“曲面”（驱动几何体选叶片上的面，如图5.1.1；选择切削区域时定义好其“曲面%”以保证切削后不留残料，和生成流畅的刀轨；定义好切削方向和材料方向；设置曲面偏置，因为是半精加工所以要设定一定的偏置量，若叶片上残料较多可设制多次，进行多次半精加工，也相当于分层加工；切削模式单向或往复；步距、切削步长据情况而定）

18、，投影矢量为“刀轴”， 刀具轴设置为“侧刃驱动体”（要设置一定的侧倾角度数），切削参数，非切削移动，速度和进给一般设置即可。叶片半精加工生成的刀轨如图5.1.2。 图5.1.1 选定的驱动几何 图5.1.2 叶片半精加工刀轨 利用可变轴轮廓铣对叶片加工时要选择一定的干涉面，避免刀具过切。驱动方法选择曲面（叶片精加工时也可选择“流线”）；曲面驱动方法中要定义好“曲面%”，使叶片得到充分切削；合理选择切削模式，步距，及切削步长。投影矢量选择时要考虑驱动面、叶片面和刀具形状，为生成准确的导轨选择适合的投影矢量（相比“垂直于驱动体”和“朝向驱动体”，选择“刀轴”作为投影矢量较好）；对于叶轮上叶片的加工

19、，刀具相对于切削区域的最好位置关系就是刀具的轴线与“叶片曲面”的Swarf划线平行或成一角度，利用刀具的侧刃去切削工件，这样不仅会切削流畅，而且最小化的避免了刀具与其余叶片的接触，所以刀轴定义为“侧刃与驱动体（Swarf驱动）”是最佳的方法。5.3 流道半精加工因在叶轮粗加工时我们采用了两种不同矢量的刀轴对叶轮进行了粗加工，流道面上各个区域的残留的余量不稳定，所以要进行对流道的半精加工。流道半精加工 创建操作选用可变轴轮廓铣，几何体选择MCS，设置干涉面（干涉面为流道两侧的叶片面和叶片与流道之间的圆角面）；驱动方法定义为“曲面”，指定流道面经过拉长后的面为驱动几何体，定义切削区域中的“曲面%”

20、（使加工到位），刀具位置选择“开”，定义切削方向、材料方向，曲面偏置（0.5），切削模式、步距自定；投影矢量选择“刀轴”；刀轴选项选择“插补”（可在该模块下自行添加、移除和编辑刀轴），如图5.3.1；切削参数，非切削移动，进给和速度一般设置即可。生成刀轨（图5.3.2）。 图5.3.1 各刀具位置点及其 图5.3.2 流道半精加工刀轨 对应的刀轴矢量流道加工在整个叶轮加工过程中是最容易发生过切的，所以设置合理的刀轨非常重要，在保证流道上余量切除的同时也要避免刀具，刀柄与叶轮其他部位的接触。为防止过切、碰撞，设置干涉面是必须的，但要生成一个漂亮的刀路我们更需要选用和指定好驱动方法、投影矢量和刀轴

21、。选择驱动方法为“曲面”，驱动几何体为流道面，这样驱动面上的驱动点就相当于“直接生成在流道面上”，使用这种驱动方法可使流道面上的刀点均匀统一有规律的分布在流道面上，而且该操作方便简单（对于流道的加工有些类型的叶轮也可采用“流线” 为驱动方法），在曲面驱动方法的设置选项中要留意一下“材料反向”，避免下一步设置刀轴时影响其矢量；投影矢量选择刀轴；刀轴的轴方式选择“插补”，这一刀轴形式对于叶轮流道的加工是非常有用的，使用这种方法可以自动在叶片和流道的交线上生成一系列的控制刀轴的矢量，流道面上的其他刀具位置点的刀轴矢量由U、V双向线性插补值或样条插补值获得，具体如上图5.3.1。5.4 叶片精加工 精

22、加工叶片选用“可变轴轮廓铣”，操作设置方法与叶片半精加工设置基本相同，主要把驱动方法里的曲面偏置设为零，切削步距改小点，切削步长设置为公差，且值设小点，具体生成的刀轨如图5.4.1。（叶片的精加工驱动方法也可以选择为“流道”，用该方法生成的驱动点位置也很不错，可以生成很好的刀路）。图5.4.1 叶片精加工刀路5.5 流道精加工流道精加工选用“可变轴轮廓铣”加工方法，操作设置方法与流道半精加工设置基本相同，主要把驱动方法里的曲面偏置设为零，并把刀路设置的密些，生成刀轨，具体刀轨如图5.5.1。图5.1.1 流道精加工5.6 叶片与流道之间圆角区域的加工 圆角区域的加工是为了去除在加工叶片和流道时

23、所残余的一小部分材料（相当于清根），加工量不大。该加工可以增加叶片与流道的“连结性”。 创建可变轴轮廓铣加工方法 选择驱动方法为“外形轮廓加工”，在对“外形轮廓加工”驱动方法设置时要给与“切削起点”和“切削终点”一定的延伸（具体设置为图示5.6.1），保证切削充分；指定部件为叶轮，底面为叶轮轮毂面，壁为叶片侧面；投影矢量“刀轴”。通过以上的设置和再设置一些一般设置参数只能生成一条刀路，而要保证叶片与流道要有一个好的“连结性”，一条刀路是不够的 ，要有多条平行的刀路。要生成多条同一深度的平行刀轨我们可以在“切削参数”设置中的“多条刀路”进行侧面刀路的偏置和添加。具体生成的刀路如图5.6.2所示。

24、 注意：在设置切削参数中要留一定的“壁余量”。图 5.6.1图 5.6.25.7 叶片顶部加工 叶片的顶部加工选用可变轴轮廓铣操作。指定部件为叶轮，切削区域为叶片顶部面；驱动方法为“曲面”，驱动几何体为叶片的顶部面（由于叶片顶部面的余量不稳定，可通过“曲面偏置”设定来对叶片顶面进行一定的半精加工）；投影矢量选择“垂直于驱动体”，刀轴定义“垂直于部件”；再进行一般参数设定。生成刀轨，如图5.7.1。图 5.7.1图6.1图6.2 图6.3图6.1,6.2，6.3为前面所有加工得到的的IPW，图6.1中被圈部分为工件被铣削后得到的一组叶片和流道的效果图。以上生成的都只是叶轮的一组叶片和流道的半精加

25、工，精加工刀轨（除一粗），对于本文要实现加工八叶片的整体式叶轮，我们要有八组这样的刀轨，对于其余七组刀轨实现我们可以通过加工模块里的“对象-变换”这一功能对已生成的刀轨进行“旋转，复制”来得到。构建五轴后处理由于各种数控机床硬件和软件的差异，每种机床只能通过自身可以识别的NC代码来控制机床，所以我们在UG CAM上生成的刀轨要经过后处理程序进行转换，得到所用数控机床能识别的NC代码。这种通过按照所用机床和控制器的要求改写刀轨文件的过程称为后处理（Postprocessing）。每种机床对应的后处理文件，我们都要通过UG自带的后处理构造器（Post Builder）来建立，建立时我们要参考机床说

26、明书。以下就针对江苏省常州技师学院的一台海德汉iTNC530系统双转台式五轴联动加工中心机床（图7.1.1）来进行介绍利用UG后处理工具Post Builder建立五轴数控机床后处理的设置要点。图7.1.1、 打开Post Builber新建一后处理文件，对机床的类型进行设置（如图7.2.1），设置好后点选“OK”。 点选“OK”后，会弹出一后处理文件的编辑器。图7.2.1 相对于三轴数控机床，五轴机床多了第四轴和第五轴，所以设置后处理时，在设置好X、Y、Z轴后设置第四、五轴的信息，设置的参数主要是各个轴的行程，回零点，机床最小公差，快速移动速度等。具体参数可参考机床说明书。设置如图7.2.2

27、,7.2.3,7.2.3.1,7.2.4。图7.2.2 X、Y、Z轴设置图 7.2.3 A轴设置 图 7.2,3,1（图6.2.3 Rotary的Configure下把原来左图的默认设置改成右图的设置）图 7.2.4 C轴设置 以上设置都是五轴机床硬件方面的，设置也比较简单，而相关机床控制器方面的设置需要Program & Tool Path，N/C Date Definitions，Output Settings等模块下的一些子选项修改来完成。相对于三轴数控机床后处理的建立，五轴的后处理构建时还需要进行判定5轴加工模式、定义3+2加工模式中的坐标系旋转、定义五轴联动时坐标的输出等，在设置的过程当中也要编辑相应的“TCL”文件。 机床仿真机床仿真也就是加工综合仿真与检查（IS&V）,它与切削仿真（UG CAM中操作方法里的仿真，即重播、2D动态，3D动态）不同，IS&V除了对刀轨的检查和优化外，还可以检查机床、刀具、夹具及工件之间的干涉问题。这是真正的虚拟加工，是对加工的一个完整检查。这种检查在实际编程过程中可以使编程人员在编程时检查