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。

图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。

表1 叶轮五轴加工工艺

图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。

图3 叶轮粗加工刀路                  图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。

 图5 轮毂精加工刀路                    图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。

图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。

图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。

图9 五轴加工中心

图10 叶轮试切加工                             图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。