整体叶轮的五轴数控编程的关键技术

0 引言

　叶轮类零件主要是由光滑复杂曲面构成，叶片壁很薄并且是扭曲的，由于其形状复杂，相邻叶片之问空间狭小，加工难度很大，必须采用多轴的方法才能实现加工。五轴联动数控机床对CAM软件的要求非常高，UG软件除了提供强大的三轴加工外，还提供了比较成熟的多轴加工模块，是一款非常适合进行五轴联动加工编程的数控软件之一。

　　整体式叶轮的加工是指轮廓和叶片在同一毛坯体上进行的整体加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮廓上的工艺方法，所以在加工中有很大的难度。下面以整体叶轮加工为例，讲述五轴数控编程中的一些的关键技术。

1 整体叶轮加工工艺分析

　　对零件进行工艺分析是编写加工程序之前的必备工作，分析工艺时必须充分了解零件加工的工艺特点，合理编写加工程序，以制造出符合要求的零件。叶轮零件五轴加工程序编制流程如下。

　　1.1 叶轮零件毛坯的装夹定位

　　叶轮零件的毛坯可以用数控车床车削成型，毛坯形状如图1所示。叶轮中间的圆孔用于加工时的装夹定位，在加工时，将毛坯放人与之配合的圆柱上，再用螺母压紧毛坯便可以实现零件的装夹定位。再通过压板螺栓将圆柱和叶轮一起固定在工作台上。

　　1.2采用的五轴数控机床类型

　　五轴机床共有三种，包括五轴带双转台，五轴双摆头和五轴带一转台一摆头机床。本例选用带一摆头和一转台的五轴数控铣床，除了X，Y，Z三个轴外，还加上绕Y轴旋转的B轴，绕z轴旋转的C轴。

1.3 叶轮加工刀具选择

　　由于叶轮叶片之间的间隔距离小，而且叶片是扭曲的，这就决定了加工流道时刀杆必须在两叶片之间的范围内不断的摆动，刀具才不会与叶片发生干涉。加工时刀杆的摆动决定了粗加工和精加工刀具都要采用球刀。采用球刀底刃加工叶轮流道，利用球刀的侧刃加工叶轮的叶轮叶片。刀具材料可根据加工要求和叶轮材科做相应选择。2 数控加工叶轮流道时的刀轴控制

　　2.1 保证刀具轴在两叶片之间的范围内摆动刀具又不会与叶片发生干涉叶轮流道的加工是整个零件的加工难点，由于叶片之间的间隔距离小，而叶片的扭曲程度决定了加工时刀具轴的摆动范围，刀具轴必须在两叶片之问的范围内摆动，刀具才不会与叶片发生干涉。

　　2.2 刀轴控制方法

　　叶轮流道的加工采用UG软件中的可变轴曲面轮廓铣加工的多轴铣削加工功能，在变轴铣的过程中，刀轴在沿着刀路运动时可以不断改变方向。刀轴是指从刀尖方向指向刀具夹持器方向的矢量。UG的可变轴曲面轮廓铣提供了大量的刀具轴矢量选项，从而控制刀轴在加工时的摆动。

　　本例采用朝向点的刀轴控制方法，通过指定一个聚焦点来定义可变刀轴矢量，刀轴矢量以刀柄为起点指向聚焦点，在通过UG软件在叶轮的流道上方画一个点，以这个点作为聚焦点，朝向点的刀轴控制方法可以使刀具在加工叶轮流道时刀轴始终朝向这个点。要保证刀具加工到流道的每个角落的同时又不会与叶片干涉，可以通过鼠标旋转叶轮实体，观察点在流道上的投影，如果叶轮流道上方的点的投影在流道的每个角落，不会被叶片挡住，那么就可以保证刀具在加工流道的时候不会与叶片发生干涉。如果会被叶片挡住，就要重新选择新的点作为聚焦点。

3 采用五轴定位加工，减少叶轮的加工时间，提高叶轮加工效率

　　前面对叶轮流道的粗加工采用可变轴曲面轮廓铣的多轴铣削加工功能，刀具沿着曲面不断摆动刀杆进行加工，避免和叶片干涉，由于刀杆在摆动，所以必须用球刀加工，球刀加工效率比较低，要完成叶轮流道的粗加工需要很长时间。五轴定位加工是先将刀具主轴旋转到某一个所需要的方位，然后对工件进行加工，在对工件进行切削加工的过程中，刀具主轴的方位不发生变化。如何运用五轴定位加工，减少叶轮的加工时间，提高叶轮的加工效率?

　　通常三轴铣削加工曲面时，刀轴方向是固定的z轴方向，粗加工可以采用圆鼻刀，尽快去除大部分的材料余量，加工效率比较高。在UG五轴数控加工中的刀轴控制可以定义固定和可变两种方式的刀轴方位。固定刀轴将保持与指定矢量平行，在整个加工的过程，刀轴矢量方向固定不变，而可变刀轴在沿刀轨运动时将不断改变刀轴矢量方向。

　　在叶轮的流道粗加工中，要提高效率就岿须用圆角刀进行粗加工，我们可以采用五轴定位加工，即选择多轴加工方式下的固定轴曲面轮廓铣，刀轴控制定义为固定刀轴方位，这样就可以采用圆角刀进行叶轮流道的粗加工。刀轴的固定方向的确定可以通过鼠标对叶轮实体的旋转拖动，如果叶轮流道完全暴露在视线下，不被叶片挡住，通过设置当前视图方向作为刀轴矢量的固定方向。这样就可以采用圆角刀对叶轮流道进行粗加工，加工时间大大减少。

　　由于叶轮叶片的扭曲，通过鼠标对叶轮实体的旋转拖动，叶轮流道可能不会全部暴露在视线下，部分流道会被叶片挡住，如果采用固定刀轴方位。用圆角刀进行叶轮整个流道的粗加工，刀轴和叶片就会产生干涉，部分的叶轮流道加工不到。这种情况可以先对流道的可见部分进行粗加工。然后旋转叶轮实体，将剩下没有加工的部分流道暴露在视线中，用圆角刀对剩下的部分流道进行粗加工，从而完成整个流道的粗加工。也就是一个叶轮的流道需要分成两个部分分别加工完成，其加工效率同样大大提高，加工时间减少。

4 UG软件自动编程后置处理的关键技术点

　　用UG软件对产品生成多轴加工的刀路后，需要通过后处理文件生成所需要的程序。UG系统已经提供了若干现有的后处理器，也可以通过后置处理构造器(UG POSTBuflder)为特定的数控机床定制后置处理器。后置处理构造器可以灵活的定义数控机床的操作指令以及程序输出的顺序和格式等等。下面简单介绍通过后置处理构造器生成后处理文件的几个关键技术点。

　　4.1 机床类型的选择

　　运行后置处理构造器后，首先根据自己已有的机床种类，选择多轴机床的种类。本例选用五轴带转头和轮盘的多轴数控机床类型。

　　4．2选择数控控制器的类型　　用户可以选择通用机床类型或者从库中选择相应的机床类型，同时也允许用户自定义控制器的类型。本例从库中选用法兰克控制系统。

　　4.3 摆头旋转中心偏置的距离

　　本例中使用的五轴数控机床还必须测量出摆头旋转中心至刀尖的距离，输入到后置处理构造器的参数设置中去。距离测量方法是：先将摆头旋转的角度设置为0度，将刀尖接触工件表面，记下机床坐标，然后将摆头旋转的角度设置为90度，让刀杆刚好接触工件表面，记下机床坐标，前后两个坐标之差再减去刀杆半径就是所要测量的摆头旋转中心至刀尖的距离，即摆头旋转中心偏置的距离，输人到参数设置里即可。

　　4.4 程序指令的自定制

　　后置处理构造器中的程序选项卡可以对生成的程序指令进行定制，例如对于华中数控系统，程序指令与法兰克数控系统的程序指令有点不同，可以在后置处理构造器中进行程序代码修改定翩。不要的指令可以拖人旁边的回收站，保存生成后处理文件。最后在刀路后处理时选择定制的后处理文件直接生成适合自己数控系统的数控程序。

5 结束语

　　五轴数控加工编程软件有很多，但不同软件的多轴加工的很多技术原理是相似的，只要掌握五轴数控加工编程的关键技术要点，合理的设置软件的其它参数，就可以顺利的加工出符合要求的零件。叶轮类零件是一类具有代表性复杂曲面零件，通过对典型零件叶轮数控加工的研究和实践，能够更好的理解和运用五轴数控加工技术。