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基于UG的叶轮五轴加工仿真与应用研究

引言

在现代智能制造体系中,数控加工技术的发展已经成为一个国家发展国民经济、提高综合国力和国家地位的重要途径。随着中国制造业的转型,精密模具、轨道交通、航空、医疗器械等新兴产业的迅速崛起,零件的复杂性和精度要求越来越高。叶轮具有加工路径多、约束多、叶片曲率大以及可加工空间小等特点,是典型的难加工的复杂曲面零件。普通三轴和四轴铣床已经无法满足类似叶轮这种高精度、高强度复杂零件的加工需求。文章以叶轮为加工实例,介绍基于UG 的叶轮五轴加工编程,并用UG仿真环境进行试加工仿真,利用五轴高速机床完成零件的试加工验证,为合理提高叶轮的加工工艺、加工效率以及加工精度提供实际参考。

1 基于UG的叶轮三维建模

叶轮的建模难点主要在叶片,尤其是创建空间曲线,建模步骤如下。

1)将叶轮分为轮缘和叶片2 部分,在yOz 平面建立轮毂的锥形截面,将截面绕Z 轴旋转1 周,形成底部直径80mm,高度30mm 的锥形轮毂,在轮毂表面绘制合适长度的草图曲线,并按照规律延伸,变化规律改为3 次。

2)用曲面加厚命令加厚叶片,生成叶片实体。

3)用阵列功能生成阵列叶片。

4)合并轮毂与叶片并移除参数,形成叶轮实体,生成的叶轮三维模型如图1 所示。

1 叶轮三维模型

2 叶轮加工工艺方案

2.1 加工工艺分析

叶轮加工的难点主要在叶片,因为叶片较薄且叶片间距较小的特征,如果加工顺序、刀路制订不合理、刀具选择不正确、切削速度过快或者过慢都会导致过切,甚至刀具崩坏等问题。

2.2 加工工艺方案

根据叶轮加工难点,结合五轴高速机床的性能,合理选用刀具类型及切削用量,制订合理的数控加工工序,既能提高叶轮的加工精度和加工效率,又能延长刀具使用寿命。叶轮的毛坯选用的是Φ80mm×30mm 带中心孔,中心孔尺寸为Φ16mm。毛坯的工装夹具选用阶梯式的芯轴,上方用螺钉和垫片固定夹紧,下方则是过渡盘,叶轮工装夹紧方式如图2 所示。首先完成叶轮的开粗,其次对轮毂和叶片的表面继续精加工,最后对叶片和轮毂的结合处进行清根处理。叶轮五轴加工工艺参数见表1

1 叶轮五轴加工工艺

2 叶轮工装夹紧示意

 

3 叶轮五轴加工编程及仿真

3.1 五轴加工编程准备

创建Φ80mm×30mm 的圆柱毛坯,并进入UG 加工模式,分别设置加工坐标系WCS、几何体、毛坯和刀具等,设定被加工件与刀具底面的安全距离为10mm

3.2 叶轮五轴加工编程

1)叶轮整体开粗。叶轮粗加工采用“mill_multi blade”,其子工序选用“Impeller Rough”,该工序是使用轮毂和包覆之间的切削层来移除叶片之间的材料。指定叶片及叶根圆角,刀具选用R4 球铣刀,切削层深度模式选择“从包覆插补至轮毂”,切削深度为2mm。刀轨光顺百分比设定为25%,主轴转速设定为8000r/min,进给速度设定为3000mm/min,生成粗加工刀路,叶轮粗加工刀路如图3 所示。将以上工序连续复制7 次,即可得到剩余开粗刀路,叶轮整体开粗刀路如图4 所示。

3 叶轮粗加工刀路                  4 叶轮整体开粗刀路

 

2)轮毂及叶片精加工。叶片与叶片之间形成的区域称为流道,在经过叶轮的整体开粗后,流道和叶轮表面还留有0.2mm 余量需要进行精加工。轮毂的精加工采用“mill multi blade”,其子工序选用“Impeller Hub Finish”,指定叶片及叶根圆角,刀具选用R2 斜角球铣刀。刀轨光顺百分比设定为25%,主轴转速设定为12000r/min,进给速度设定为1000mm/min,生成轮毂的精加工刀路。将以上工序连续复制7 次,即可得到轮毂精加工刀路,如图5 所示。叶片的精加工采用“mill multi blade”,其子工序选用“Impeller Blade Finish”,指定叶片及叶根圆角,刀具选用R2 斜角球铣刀。刀轨光顺百分比设定为25%,主轴转速设定为12000r/min,进给速度设定为1000mm/min,生成叶片的精加工刀路。将以上工序连续复制7 次,即可得到叶片精加工刀路,如图6 所示。

 5 轮毂精加工刀路                    6 叶片精加工刀路


 

 


3)清根。为保证零件加工表面更加平整光滑,需要对叶片与轮毂的连接处清根。清根需要采用精加工的方式,选用的刀具为R1 斜角球铣刀,采用“mill multi blade”,其子工序选用“Impeller Blend Finish”,指定叶片及叶根圆角,刀具选用R1 斜角球铣刀。刀轨光顺百分比设定为25%,主轴转速设定为12000r/min,考虑到刀具尺寸较小,为防止出现断刀,故进给速度设定为800mm/min,生成清根的精加工刀路。将以上工序连续复制7 次,即可得到叶片精加工刀路,如图7 所示。

7 叶片精加工刀路

3.3 叶轮加工仿真

1)设置仿真环境。点击菜单栏中的“文件”,选择“实用工具”目标最大单元长度,然后选择“用户默认设置”。在“用户默认设置界面”中,选择仿真模块下的“前置处理器”,然后点击“求解器和环境”。在“求解器和环境”界面中,勾选“基于组件的仿真”,然后点击确认。

2)加工仿真准备。在UG 工序导航器中选择“机床视图”,出现通用机床的选择界面,在库中调用机床、刀具以及设备。机床选择MILL 下的“sim05_mill_5ax”五轴数控铣床。选择好机床后,在部件安装界面设定部件定位方式为“使用部件安装联接”,将动态坐标系放置部件底部圆心位置,选择完成后自动生成所需机床。刀具选择铣加工方式,并选择球头铣刀,设定球头铣刀参数或拖动已有刀具至机床刀库中。选择工序视图中已编写好的加工工序,并选择“加工路径”中的“仿真”。在加工仿真前验证是否有刀具及机床碰撞的情况,确认无误后选择“机床仿真”对被加工件进行加工仿真,根据需要调节仿真速度。叶轮的UG 加工仿真演示图,如图8 所示。

8 UG加工仿真演示

 

4 叶轮试切加工

五轴加工中心是一种功能全面的数控机床,如图9 所示,它能够实现零件一次装夹,并且可自动、高精度、高效率的连续完成多个面的多种功率加工,广泛应用于航空航天、能源、电机以及精密器械等行业。利用UG 仿真加工确认加工过程中无碰撞及干涉后,将加工毛坯按照图2 的方式装夹,并在五轴加工中心内进行试切加工,如图10 和图11 所示。

9 五轴加工中心

10 叶轮试切加工                             11 叶轮实物

 

5 结束语

首先,分析叶轮的建模及加工难点,制订对应的加工工艺路线及加工策略;其次,利用UG 编程环境制订加工步骤并生成轨迹刀路,利用UG 软件自带的仿真模块,对叶轮五轴加工进行动画仿真,确认无碰撞、过切以及干涉等问题;最后,对叶轮进行五轴加工试切并得到叶轮实物。从加工结果可以看出,合理的加工工艺路线及策略,能够提高零件的加工质量和效率。


来源:武昌首义学院 报道:高敏捷
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