摘要：采用非正交五轴联动机床和“3+2”工艺方法，对整体叶轮进行编程工艺研究。粗铣采用车铣复合与三轴联动方法，以提高机床的刚性和加工效率。精铣叶片和轮毂采用五轴联动加工，并对B轴和C轴的转动范围进行控制，避免在机床负载最大的位姿进行加工。编程采用UG软件进行刀轨生成，利用专用后处理器进行后置并生成G代码。采用VeriCut进行加工仿真，并对G代码进行验证。对石蜡模型进行了现场试切，实验表明，加工的试件能够满足工艺要求。
关键词：五轴加工；叶轮；仿真实验
中图分类号：TG659文献标识码：B文章编号：1001－0874(2015)06－0045－03
0引言
非正交五轴联动数控机床由X、Y、Z三个方向的移动与非正交的B轴摆头及C轴转台组合而成。C轴转台既可作为工件转台，也可作为机床主轴。B轴转动180°后，可实现加工中心的立卧转换。因此，该机床具备车铣复合的功能，我国实施“高档数控机床重大专项”中，重点攻关此类机床，成功研制出CX110100、CX1075等型号的车铣复合加工中心，并进行了相关的现场切削实验和工艺研究。五轴机床的现场切削考核常采用整体叶轮作为切削对象。在叶片的精加工环节，需要五个坐标轴联动，并且B轴的摆动角度范围较大。叶轮毛坯的加工过程，需要车削毛坯外圆，同样可以考验机床的车削能力。因此，整体叶轮是车铣复合加工机床现场试切较为理想的加工对象［1］。采用非正交结构机床数控加工整体叶轮，编程较为复杂，易产生碰撞及断刀等加工意外。本文以CX110100车铣复合加工中心为平台，以UGNX+VeriCUT为编程校验环境，展开整体叶轮的切削实验研究，从而验证机床的整体性能及设计指标。
1加工工艺分析
CX110100机床结构如1图所示，其中B轴摆动的范围在－30°到180°，C轴作为转台时转动范围0°～360°，转换为主轴时最大转速500r/min，数控系统采用Siemens840D。拟加工叶轮，最大外径140mm，叶片数量8个，叶轮外边缘近似为圆弧。因此，先在B轴摆头上装夹外圆车刀，以C轴转台为主轴加工出叶轮外轮缘。整体叶轮铣削采用粗精分开的加工艺。可在将B轴和C轴锁死一定角度条件下，利用三轴方式粗铣出叶轮的大致轮廓。在精铣加工重点是尺寸精度和表面质量，这时机床的两个转轴均参与联动，称为“3+2”加工方式。在具体加工时，根据叶片间距，采用10mm硬质合金球头刀进行铣削加工，主轴转速3000r/min。［2］
2加工编程
2．1车削编程
车削将圆柱状坯料加工成叶片的外轮廓。编程原点定位在圆柱顶面的圆心。数控加工程序采用手工编程的方式。
2．2铣削编程
采用UGNX的软件环境进行铣削编程。在UGNX中带有叶轮加工模块，因此可简化叶轮的编程过程，编程流程如图3所示。需要指出的是，UGNX中的叶轮模块，现阶段不支持“3+2”编程，其中刀轴控制策略均为五轴方式。因此需要采用间接的方式，先利用型腔铣的三轴加工功能，手工指定加工范围与刀轴矢量，生成粗加工刀轨。然后利用叶轮模块的轮毂和叶片加工功能，生成用于精加工的五轴刀轨［3，4］。
2．3后置
编程生成的刀位信息是以(XYZIJK)形式表示，与机床具体结构形式无关。当程序需要输入数控机床时，需要将程序进行后置处理，生成适合机床结构的(XYZBC)形式的刀位点，同时增加合适的程序开头和结尾。因此，编制满足机床结构及数控系统要求的后处理器，是数控编程的重要环节。UGNX自带后处理生成器，可以对已有后处理进行修改和编译。同时，UG自带的后处理器也比较全面，其中sim09_millturn_5ax_sinumerik_mm的后处理器与本机床结构比较吻合。通过后处理生成器，对该后处理进行适当修改，将C轴的转动范围改为0°～360°，B轴的转动范围改为0°～180°，同时修改X、Y、Z轴的行程，保存后就可以进行程序后置，生成精加工程序［6］。
3程序仿真
在数控程序生成后，为了确保程序的正确性并保证机床的安全，有必要对程序进行上机前的检查和验证。后置生成的叶轮加工程序容量较大，除了常规的程序开头和结尾，中间是大量的点位坐标，这些坐标点仅靠人工检查非常困难。因此必须采用相应的仿真程序进行校验。［7］VeriCUT是一款常用的数控程序校验仿真软件，它的特点是不能生成程序代码，但可以对已有的G代码程进行模拟，并能进行机床加工仿真、碰撞检查以及切削模型尺寸分析。此外，该软件与UG之间带有专用接口，在UG中可直接调用该软件进行仿真。经过验证，粗加工三轴程序以及精加工五轴程序能够正常运行，未发现有碰撞及过切情况，可以输入机床进行加工。
4现场加工
经过后处理和仿真验证的程序，输入到CX110100数控系统中进行程序的蜡模试切。总切削时间为15h［10］。经过现场试切，程序能够满足叶轮加工的要求。
5结语
通过五轴机床整体叶轮的加编程及实验验证，可得到如下结论：
1)整体叶轮采用先车后铣的加工方式，可以提高加工效率和机床利用率。叶轮的铣削采用先粗后精的加式方式，有利于编程，并能够充分利用机床。
2)叶轮铣削采用“3+2”的加工方法，是一种较为理想的加工策略，既能提高机床的刚性，避免摆头力矩电机在最大负荷条件下的切削，又能充分利用机床的五轴功能，提高加工精度。
3)UGNX中叶轮模块，虽然能够简化编程，但对于“3+2”方式的仍未完全支持，可以采用其他加工策略相组合的方式进行解决。在后续的研究中，也可以考虑采用二次开发的方式进行处理。
4)对于复杂的五轴加工的后置程序，建议采用专用的软件进行校验，不但能够最大限度地降低机床碰撞风险，还能直观地进行程序验证和调整。
参考文献：
［1］曾志迎．复杂曲面的五坐标数控加工关键技术研究［D］．太原：太原科技大学，2012．
［2］王春松．整体叶轮五轴加工技术的研究与应用［D］．南京：南京理工大学，2011．
［3］张剑．整体叶轮五轴数控铣削技术研究［D］．长沙：湖南大学，2012．
［4］云玲．三元整体叶轮的几何造型与五坐标数控加工［D］．大连：大连理工大学，2004．
［5］XuＲufeng，ChenZhitong，ChenWuyi，etal．DualDriveCurveToolPathPlanningMethodfor5-axisNCMachiningofSculpturedSurfaces［J］．ChineseJournalofAeronautics，2010，234：486-494．
［6］葛卫京．复杂曲面后置处理技术的研究与实现［D］．太原：太原科技大学，2013．
［7］ZhixiangShao，ＲuifengGuo，JieLi，etal．AccurateModelingMethodforGeneralizedToolSweptVolumein5-axisNCMachi-ningSimulation［J］．JournalofSoftware，2011，610：2056-2063．
［8］许剑．整体叶轮的五轴高速铣削加工与仿真［D］．武汉：武汉理工大学，2011．
［9］杨光．整体叶轮的五轴数控加工与仿真研究［D］．西安：西安科技大学，2013.
作者：刘灿 侯磊 马泳涛 单位：郑州大学 机械工程学院 安阳鑫盛机床股份有限公司
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