CN103056625B - 基于ug nx系统平台整体叶轮的五轴加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法涉及的是在UG NX7.5系统平台下研发的一项整体叶轮的五轴数控加工技术方案。其具体步骤如下：（1）在UG NX7.5 CAD系统平台下采用逆向设计技术获得压气轮数模；（2）根据数控工艺要求，在数模上采集相应数据建立毛坯数模，并提供给数控车床车削形成相应的叶轮基本回转体形状；（3）机床选择：采用的是五轴联动加工中心；（4）刀具选择：选择的依据主要是根据叶轮的几何形状和加工材料，在流道尺寸允许的情况下尽可能选择大直径的刀具；（5）叶轮加工轨迹设置：UG NX，选择合适的加工方法并合理选择粗精加工余量，利用后处理器输出五轴加工中心机床加工代码，供五轴联动加工中心调用。
Description
技术领域
本发明基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法涉及的是在UG NX7.5系统平台下研发的一项整体叶轮的五轴数控加工技术方案，整体叶轮铣削加工毛坯采用锻压件，然后用数控车床车削成叶轮回转体的基本形状，再采用五轴数控加工技术使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足涡喷发动机对压气轮转子产品的强度要求，曲面误差小，动平衡时去除质量少，是整体叶轮理想的加工方法。
背景技术
整体叶轮作为涡喷发动机的关键部件，其质量直接影响其空气动力性和机械效率，因此它的加工技术一直是制造行业的一个重要课题。但由于整体叶轮的几何形状比较复杂，流道狭窄，叶片为复杂型面的扭曲曲面或直纹曲面且扭曲程度大，因此加工时轨迹规划的约束比较多，极易发生干涉碰撞，生成无干涉刀位轨迹较困难。因此主要难点在于流道和叶片的加工，刀具空间，刀尖点位和刀轴方位的精确控制。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法，整体叶轮铣削加工毛坯采用锻压件，然后用数控车床车削成叶轮回转体的基本形状，再采用五轴数控加工技术使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足涡喷发动机对压气轮转子产品的强度要求，曲面误差小，动平衡时去除质量少，是整体叶轮理想的加工方法。
本发明基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法是采取以下技术方案实现：
基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法步骤如下：
1.在UG NX7.5 CAD系统平台下采用逆向设计技术获得压气轮数模。压气轮逆向数据由接触式三坐标测量仪按照给定轨迹测得需要的数据，进入UG程序中的建模Modeling应用环境，使用云Cloud和曲面Surface，曲线Curve功能构造压气轮数模，应用UG软件中的分析Analysis模块分析压气轮数模的曲线和曲面质量，调整曲线曲率最终使轮毂曲面曲率光顺，叶片曲面质量达到直纹曲面标准。
2.根据数控工艺要求，在数模上采集相应数据建立毛坯数模，并提供给数控车床车削形成相应的叶轮基本回转体形状。
3.机床选择：本发明采用的是德国巨浪Chiron_FZ12KS五轴联动加工中心。它为双回转工作台结构，带有一个绕Z轴旋转的C轴和绕X轴摆动的A轴。配置了20000r/min主轴，Heidenhain iTNC530数控操作系统。X轴行程501mm，Y轴行程401mm，Z轴行程500mm，A轴摆动角度为-110~110度。
4.刀具选择：选择的依据主要是根据叶轮的几何形状和加工材料。在流道尺寸允许的情况下尽可能选择大直径的刀具。粗加工刀具一般采用圆鼻铣刀。精加工采用锥度球头铣刀，由于叶轮流道狭窄，锥度有利于提高小直径刀具的刚性，但锥度的大小需根据相邻叶片的流道空间和叶片的扭曲程度决定，一般在1.5°~5°之间。本发明采用了SANDVIK coromant专铣锻铝的专用刀具。夹持刀柄采用HSK热缩刀柄。刀具装刀长度大于叶轮进口叶片高度41mm。粗加工刀具采用直径8mm圆角0.5mm的圆鼻铣刀，应用NX 分析模块分析了流道的根部宽度和圆角及叶片扭曲度，精加工刀具采用直径4mm，3°锥度的球头铣刀。
5.叶轮加工轨迹设置：UG NX提供了大量多坐标加工编程方法及刀轴控制方式，选择合适的加工方法并合理选择粗精加工余量，切削工艺参数如加工步距，加工深度，主轴转速，机床进给率，对于提高产品的加工效率和质量至关重要。还要根据叶轮的几何形状合理设置进退刀方式，避免过切和干涉。
第一步粗加工流道：本发明粗加工采用3+2加工方法，即在机床A轴，C轴旋转一定角度后，再用固定轴加工方法加工。采用的是型腔铣削Cavity Mill，根据流道和叶片扭度划分加工区域并确定每个区域的刀轴方向即A,C轴方向。本叶轮划分为5个加工区域，刀轴方向见图3，图中坐标系Z轴为刀轴方向。切削工艺参数为每层切深深度0.2mm~1mm，刀间距为刀具平底的50%~75%，采用跟随周边Follow Periphery和跟随部件Follow Part两种走刀方式，切削时拐角Corners参数采用光顺Smoothing方式，进退刀方式为封闭区域螺旋进刀，开放区域圆弧进刀，毛坯余量预留0.3mm~0.8mm。刀具转速为4000rpm~6000rpm,切削进给速率1000mmpm~3000mmpm,进刀速率800mmpm~1500mmpm，退刀速率2000mmpm~4000mmpm，转移速率6000mmpm~10000mmpm。
第二步二次开粗（半精加工）流道：由于流道底部比较狭窄，前一把刀具无法完全进入底部，为保证精加工时叶片和流道余量均匀，采用参考刀具方式进行流道的二次开粗。工艺参数类似粗加工参数。
第三步叶片精加工：叶片加工方法分为两大类，点铣法和侧铣法，点铣法是指按叶片的流线方向逐步走刀加工出叶片的型面。主要用于自由曲面的叶轮。航天用的转子，风扇等叶片都为自由曲面都采用此方法加工，此方法的优点是符合叶片设计的型面要求加工精度高，缺点是效率低。对于可展直纹面叶轮可用侧铣法加工。本发明采用点铣法加工。使用可变轮廓铣Variable Contour加工方法，指定整体叶轮为加工几何体，驱动方式选用“曲面区域”Surface Area，选择一叶片作为驱动几何体，如果叶片的曲面质量不高，则可以作一辅助导向面作为驱动面。刀轴方向选用侧刃驱动Swarf Drive，其中侧倾斜角Swarf Tilt Angle设置为3度。侧倾斜角的设置与刀具的锥度和叶片扭度，流道的宽度有关。如果驱动面和侧倾斜角设置不合理，极易发生干涉或刀路无法生成。然后设置完整的切削参数，进退刀方式和主轴转速及切削进给速率。因为此叶轮叶片比较薄，根据实际加工，转速在4000rpm, 进给速率在1200mmpm的情况下叶片加工质量较好。
第四步流道精加工，流道精加工采用可变轮廓铣Variable Contour
加工方法，根据叶轮流道的特性，驱动方式选用流线驱动Streamline，
选择叶片流道根部流线为流曲线Flow Curve，轮毂上的参数线为交叉曲线Cross Curve。刀轴矢量采用插补Interpolate方式，这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具的摆动轴。可以做出矢量控制线，添加或修改插补刀具数据点。在叶片扭曲度大时，定义的刀具矢量要足够多使刀具在流道内能合理摆动，防止干涉，并使摆动变的光顺。
第五步刀路仿真验证：对生成的刀路，应用UG NX的仿真模块对刀轨进行仿真验证，检查干涉，过切等情况，并防止机床主轴在加工摆动时铣刀主轴与工作台的碰撞，防止机床意外损坏。
第六步利用后处理器输出五轴加工中心机床加工代码，供五轴联动加工中心调用。
结论：利用上述加工方法，可以成功实现了零件的加工并实行了小批量生产。
本发明一种基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法，整体叶轮铣削加工毛坯采用锻压件，然后用数控车床车削成叶轮回转体的基本形状，再采用五轴数控加工技术使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足涡喷发动机对压气轮转子产品的强度要求，曲面误差小，动平衡时去除质量少，是整体叶轮理想的加工方法。
附图说明
以下将结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明压气轮数模图。
图2是本发明毛坯体示意图。
图3是本发明粗加工刀轴方向图。
图4是本发明叶片精加工刀路图。
图5是本发明流道刀轴控制线图。
图6是本发明流道刀轨图。
图7是本发明机床切削仿真图。
图8是本发明工艺流程图。
图中：1、叶轮，2、一级叶片，3、二级叶片，4、毛坯体，5、加工中心，6、流道刀轴，7、流道刀轨，8、铣刀主轴，9、工作台。
具体实施方式
参照附图1～8，本发明采用的叶轮是CYS-150WP型涡喷发动机的压气轮转子。转子出口直径为194mm,有13片一级叶片2，13片二级叶片3，出口叶片高度12.6mm,叶轮1进口直径136mm，进口叶片高度为41 mm，叶片厚度最薄处为0.8mm,相邻叶片间最小间距为3mm.产品数模见图1。
基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法步骤如下：
1.在UG NX7.5 CAD系统平台下采用逆向设计技术获得压气轮数模。压气轮逆向数据由接触式三坐标测量仪按照给定轨迹测得需要的数据，进入UG程序中的建模Modeling应用环境，使用云Cloud和曲面Surface，曲线Curve功能构造压气轮数模，应用UG软件中的分析Analysis模块分析压气轮数模的曲线和曲面质量，调整曲线曲率最终使轮毂曲面曲率光顺，叶片曲面质量达到直纹曲面标准。
2.根据数控工艺要求，在数模上采集相应数据建立毛坯数模，并提供给数控车床车削形成相应的叶轮基本回转体形状。毛坯体4见图2。
3.机床选择：本发明采用的是德国巨浪Chiron_FZ12KS五轴联动加工中心5。它为双回转工作台结构，带有一个绕Z轴旋转的C轴和绕X轴摆动的A轴。配置了20000r/min主轴，Heidenhain iTNC530数控操作系统。X轴行程501mm，Y轴行程401mm，Z轴行程500mm，A轴摆动角度为-110~110度。
4.刀具选择：选择的依据主要是根据叶轮的几何形状和加工材料。在流道尺寸允许的情况下尽可能选择大直径的刀具。粗加工刀具一般采用圆鼻铣刀。精加工采用锥度球头铣刀，由于叶轮流道狭窄，锥度有利于提高小直径刀具的刚性，但锥度的大小需根据相邻叶片的流道空间和叶片的扭曲程度决定，一般在1.5°~5°之间。本文采用了SANDVIK coromant专铣锻铝的专用刀具。夹持刀柄采用HSK热缩刀柄。刀具装刀长度大于叶轮进口叶片高度41mm。粗加工刀具采用直径8mm圆角0.5mm的圆鼻铣刀，应用NX 分析模块分析了流道的根部宽度和圆角及叶片扭曲度，精加工刀具采用直径4mm， 3°锥度的球头铣刀。
5.叶轮加工轨迹设置：UG NX提供了大量多坐标加工编程方法及刀轴控制方式，选择合适的加工方法并合理选择粗精加工余量，切削工艺参数如加工步距，加工深度，主轴转速，机床进给率，对于提高产品的加工效率和质量至关重要。还要根据叶轮的几何形状合理设置进退刀方式，避免过切和干涉。
第一步粗加工流道：本发明粗加工采用3+2加工方法，即在机床A轴，C轴旋转一定角度后，再用固定轴加工方法加工。采用的是型腔铣削Cavity Mill，根据流道和叶片扭度划分加工区域并确定每个区域的刀轴方向即A,C轴方向。本叶轮划分为5个加工区域，刀轴方向见图3，图中坐标系Z轴为刀轴方向。切削工艺参数为每层切深深度0.2mm~1mm，刀间距为刀具平底的50%~75%，采用跟随周边Follow Periphery和跟随部件Follow Part两种走刀方式，切削时拐角Corners参数采用光顺Smoothing方式，进退刀方式为封闭区域螺旋进刀，开放区域圆弧进刀，毛坯余量预留0.3mm~0.8mm。刀具转速为4000rpm~6000rpm,切削进给速率1000mmpm~3000mmpm,进刀速率800mmpm~1500mmpm，退刀速率2000mmpm~4000mmpm，转移速率6000mmpm~10000mmpm。
第二步二次开粗即半精加工流道：由于流道底部比较狭窄，前一把刀具无法完全进入底部，为保证精加工时叶片和流道余量均匀，采用参考刀具方式进行流道的二次开粗。工艺参数类似粗加工参数。
第三步叶片精加工：叶片加工方法分为两大类，点铣法和侧铣法，点铣法是指按叶片的流线方向逐步走刀加工出叶片的型面。主要用于自由曲面的叶轮。航天用的转子，风扇等叶片都为自由曲面都采用此方法加工，此方法的优点是符合叶片设计的型面要求加工精度高，缺点是效率低。对于可展直纹面叶轮可用侧铣法加工。本发明采用点铣法加工。使用可变轮廓铣Variable Contour加工方法，指定整体叶轮为加工几何体，驱动方式选用“曲面区域”Surface Area，选择一叶片作为驱动几何体，如果叶片的曲面质量不高，则可以作一辅助导向面作为驱动面。刀轴方向选用侧刃驱动Swarf Drive，其中侧倾斜角Swarf Tilt Angle设置为3度。侧倾斜角的设置与刀具的锥度和叶片扭度，流道的宽度有关。如果驱动面和侧倾斜角设置不合理，极易发生干涉或刀路无法生成。然后设置完整的切削参数，进退刀方式和主轴转速及切削进给速率。因为此叶轮叶片比较薄，根据实际加工，转速在4000rpm, 进给速率在1200mmpm的情况下叶片加工质量较好。叶片精加工刀路见图4。
第四步流道精加工，流道精加工采用可变轮廓铣Variable Contour加工方法，根据叶轮流道的特性，驱动方式选用流线驱动Streamline，选择叶片流道根部流线为流曲线Flow Curve，轮毂上的参数线为交叉曲线Cross Curve。刀轴矢量采用插补Interpolate方式，这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具的摆动轴。可以做出矢量控制线，添加或修改插补刀具数据点。在叶片扭曲度大时，定义的刀具矢量要足够多使刀具在流道内能合理摆动，防止干涉，并使摆动变的光顺。下面图5为流道刀轴6控制线图，图6为流道刀轨7图。
第五步刀路仿真验证：对生成的刀路，应用UG NX的仿真模块对刀轨进行仿真验证，检查干涉，过切等情况，并防止机床主轴在加工摆动时铣刀主轴8与工作台9的碰撞，防止机床意外损坏，示意见图7。
第六步利用后处理器输出五轴加工中心机床加工代码，供五轴联动加工中心5调用，示意见图8。
结论：利用此加工方法，可以成功实现了零件的加工并实行了小批量生产。
整体叶轮的CAD/CAM系统解决方案结构见图8：本发明工艺流程图。
Claims (2)
1.一种基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法，其特征在于步骤如下：
（1）在UG NX7.5 CAD系统平台下采用逆向设计技术获得压气轮数模，压气轮逆向数据由接触式三坐标测量仪按照给定轨迹测得需要的数据，进入UG程序中的建模Modeling应用环境，使用云Cloud和曲面Surface，曲线Curve功能构造压气轮数模，应用UG软件中的分析Analysis模块分析压气轮数模的曲线和曲面质量，调整曲线曲率最终使轮毂曲面曲率光顺，叶片曲面质量达到直纹曲面标准；
（2）根据数控工艺要求，在数模上采集相应数据建立毛坯数模，并提供给数控车床车削形成相应的叶轮基本回转体形状；
（3）机床选择：采用的五轴联动加工中心，它为双回转工作台结构，带有一个绕Z轴旋转的C轴和绕X轴摆动的A轴，配置了20000r/min主轴，Heidenhain iTNC530数控操作系统，X轴行程501mm，Y轴行程401mm，Z轴行程500mm，A轴摆动角度为-110~110度；
（4）刀具选择：根据叶轮的几何形状和加工材料，在流道尺寸允许的情况下尽可能选择大直径的刀具，粗加工刀具采用圆鼻铣刀，精加工采用锥度球头铣刀，锥度的大小在1.5°~5°之间；
（5）叶轮加工轨迹设置：选择适合本叶轮几何形状的多坐标加工编程方法及刀轴控制方式，合理选择粗精加工余量，切削工艺参数，设置进退刀方式，避免过切和干涉；
第一步粗加工流道：粗加工采用3+2加工方法，即在机床A轴，C轴旋转一定角度后，再用固定轴加工方法加工，采用的是型腔铣削Cavity Mill，根据流道和叶片扭度划分加工区域并确定每个区域的刀轴方向即A,C轴方向，本叶轮划分为5个加工区域，坐标系Z轴为刀轴方向，切削工艺参数为每层切深深度0.2mm~1mm，刀间距为刀具平底的50%~75%，采用跟随周边Follow Periphery和跟随部件Follow Part两种走刀方式，切削时拐角Corners参数采用光顺Smoothing方式，进退刀方式为封闭区域螺旋进刀，开放区域圆弧进刀，毛坯余量预留0.3mm~0.8mm；
刀具转速为4000rpm~6000rpm,切削进给速率1000mmpm~3000mmpm,进刀速率800mmpm~1500mmpm，退刀速率2000mmpm~4000mmpm，转移速率6000mmpm~10000mmpm；
第二步二次开粗即半精加工流道：采用参考刀具方式进行流道的二次开粗，去除上一步粗加工留下的材料残留量，保证精加工时叶片和流道余量均匀，工艺参数与粗加工参数相同；
第三步叶片精加工：采用点铣法加工叶片，使用可变轮廓铣Variable Contour加工方法，指定整体叶轮为加工几何体，驱动方式选用“曲面区域”Surface Area，选择一叶片作为驱动几何体，如果叶片的曲面质量不高，则作一辅助导向面作为驱动面；刀轴方向选用侧刃驱动Swarf Drive，其中侧倾斜角Swarf Tilt Angle设置为3度，侧倾斜角的设置与刀具的锥度和叶片扭度，流道的宽度有关；然后设置完整的切削参数，进退刀方式和主轴转速及切削进给速率；
第四步流道精加工，流道精加工采用可变轮廓铣Variable Contour
加工方法，根据叶轮流道的特性，驱动方式选用流线驱动Streamline，
选择叶片流道根部流线为流曲线Flow Curve，轮毂上的参数线为交叉曲线Cross Curve，刀轴矢量采用插补Interpolate方式，在指定的点定义矢量方向来控制刀具的摆动轴，做出矢量控制线，添加或修改插补刀具数据点；在叶片扭曲度大时，定义的刀具矢量要足够多使刀具在流道内能合理摆动，防止干涉，并使摆动变的光顺；
第五步刀路仿真验证：对生成的刀路，应用UG NX的仿真模块对刀轨进行仿真验证，检查干涉，过切情况，并防止机床主轴在加工摆动时铣刀主轴与工作台的碰撞，防止机床意外损坏；
第六步利用后处理器输出五轴加工中心机床加工代码，供五轴联动加工中心调用。
2.根据权利要求1所述的基于UG NX系统平台整体叶轮的五轴加工方法，其特征在于：所述的刀具选择中，采用专铣锻铝的专用刀具，夹持刀柄采用HSK热缩刀柄，刀具装刀长度大于叶轮进口叶片高度41mm，粗加工刀具采用直径8mm圆角0.5mm的圆鼻铣刀，应用NX 分析模块分析了流道的根部宽度和圆角及叶片扭曲度，精加工刀具采用直径4mm， 3°锥度的球头铣刀。
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