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摘 要：以整体叶轮的造型和数控加工仿真为研究目的，通过对数据进行建模的前处理，将给定的数据变成UG系统能识别的文件，在UG Modeling环境中自动生成桨叶切面线及桨叶轮廓线。并以此为基础，完成螺旋桨三维实体建模。对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。
关键词：整体叶轮；UG；数控加工；工艺规划；
0引言
叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。故叶轮的设计与制造密不可分。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毅上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。近年来，多轴数控技术尤其是五轴数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能并日益普及。
数控加工是CAD/CAM技术中的重要环节之一，刀位轨迹规划又是数控加工技术的关键。坯的制备、定位基准及加工路线的拟定、刀具类型和切削参数的选择，零件粗加工阶段的刀轨规划以及精加工刀轨等，是刀位轨迹规划的重要内容。由于叶片类零件的空间重叠区域大，在加工过程中需要对刀轴矢量等进行控制。数控加工刀位规划问题同所采用的刀具以及加工过程中曲面的成形原理密不可分。在不干涉的条件下加工任意复杂曲面，由于球面的点对称性，仅需确定球心相对于设计曲面的位置，一般勿须考虑刀具的姿态，这就给刀位确定带来了很大的方便。但是，球头铣刀的切削速度随着趋近刀底部而趋近于零，这时球头铣刀相当于挤压被加工面，导致工件表面质量恶化，而且在一次走刀下加工的带宽较窄，严重制约了其加工的精度或效率。
本文以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。
1.基于UG的整体叶轮曲面实体造型
基于UG的自由曲面造型功能，对提供的叶片原始数据文件进行前处理，然后利用UG中基于NURBS建立的叶片型面的样条曲线，构造叶片空间型面，更精确的反映叶片的曲面形状，有利于叶片的实际加工，叶轮创建的流程图如图1所示。
图1叶轮创建流程图
（1）创建样条曲线创建了UG支持的数据文件后，打开UG建立一个新的part文件，从菜单栏中选择：应用→建模命令，进入建模状态。导入数据文件，绘制样条曲线。从菜单栏中选择：插入→曲线→样条命令，根据需要选择拟合方式，把已生成的dat数据文件导入，系统将按照数据绘制样条曲线，如图2所示。（2）通过曲线串生成叶片片体。从菜单栏中选择：通过曲线组命令，系统将弹出对话框，分别选取已建的样条曲线串，注意统一起始元素。（3）延伸片体。（4）采用通过曲面组和艺术曲面方法生成缝合面。（5）缝合曲面生成叶片实体。（6）生成轮毂曲线和裁剪曲线，UG 提供了两种建立曲线的方式：一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。草图中建立便于参数化，推荐用草图建立。截面线串如图3所示。
图2 图3
图4 图5
（7）建立轮毂回转体，在菜单栏中选择插入→设计特征→回转命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毂回转体，如图4。（8）修整叶片与轮毂，通过定义基准面和裁剪体，利用插入→特征操作→裁剪命令，裁掉多余的部分。（9）建立其他的叶片，因为叶片是圆周均布的，所以从菜单栏中选择：编辑→变换命令，选择要复制的叶片，在角度文本框中输入参数值360/n（n为叶片个数），连续复制n-1次，这样就完成了n个叶片在轮毂上的均匀分布。（10） 建立整体叶轮到此时叶片、轮毂已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，通过布尔和运算把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型，如图5。
2.整体叶轮曲面加工仿真
在进行数控加工编程之前，首先确定要使用的刀具。在UG/CAM中，通过专门刀具创建操作来确定刀具。在UG中确定刀具的方式有两种：用户自定义刀具和从刀具库获取刀具。本文在对螺旋桨零件进行粗加工时选用了12mm的平铣刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为50mm，长度为20mm。粗加工过程中采用型腔铣（mill_contour）方法对流道进行开粗，此方法开粗效率高、加工质量稳定，所以选取平铣刀可以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。半精加工和精加工时选用了5mm的球头刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为30mm，长度为20mm。由于在多坐标加工中，球头刀对于加工对象的适应能力很强，而且编程与使用也较方便，所以本文选取了球头铣刀。
零件粗加工采用层切法加工。在确定了切削区域后，接下来就是确定切削层，切削层选取从顶面下降到56mm深度的范围，每层切削2mm。进入UG的Cavity-Mill模板设定粗加工切削参数，包括加工余量、安全间隙、公差等加工精度参数，还包括进给率、切削模式、切削类型、行距等。本文中的设置参数为：进给率1200mm/min，切削模式选择Follow Periphery，行距选择刀具直径的70%。在Cutting参数设置里选择切削方向为Inward由毛坯外缘向内铣削，开粗轨迹如图6所示。
图6 开粗轨迹 图7叶背半精加工刀轨图
半精加工流道面时由于想邻叶片间的空间较小，在经向上随着半径的减小通道越来越窄、纽角越来越大，刀具与加工叶片和刀具与相邻叶片易发生干涉，刀位规划约束条件比较多自动生成无干涉的刀轨较困难。经过分析和试验证明选择曲面驱动方式刀轴采用插补方式，投影采用刀轴方式可生成质量较高的刀轨，如图7所示。
在对整体叶轮零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下来要进行精加工工序。同样选择VARIABLE_CONTOUR可变轴轮廓铣模板，分别选择叶轮叶片的叶背、叶腹和流道曲面为驱动几何，切削模式同样选择直线铣削，类型为Zig-Zag，设置合理的参数后，叶轮精加工模拟显示生成如图8所示。
图8 叶轮精加工模拟
3.结论
以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。本文针对叶轮的三维造型所采用的技术处理方法进行分析，对解决不同领域的类似问题也具有指导借鉴的意义。
参考文献：
[1]倪炎榕，张洪，郭静萍，圆环面刀具五坐标数控加工复杂曲面优化刀位算法，机械工程学报，2002（21）
[2]李发致，卫原平，普令涛，曲面造型方法在工程中的应用[J].计算机辅助设计与制造，1998（2）：15-18.
[3]吴昌林，倪笃明，徐晓.机械CAD基础.北京：高等教育出版社，1997：137-138.
[4]黄尧民.机械CAD.北京：机械工业出版社，1995：44-51.
[5]曾向阳，谢国明，王学平等.UG NX基础及应用教程.北京：电子工业出版社，2005：306-374.
[6]王庆林，UG CAM.应用案例集。清华大学出版社，2002.161-176.
[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形状特征建模培训教程.北京：清华大学出版社，2002：40-41.
[8]王国强，盛振邦.船拍推进[M]北京：国防工业出版社，1985：1-160.
[9]高凤英.数控机床编程与操作切削技术，2005：24-43.
关键词：整体叶轮；UG；数控加工；工艺规划；
0引言
叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。故叶轮的设计与制造密不可分。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毅上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。近年来，多轴数控技术尤其是五轴数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能并日益普及。
数控加工是CAD/CAM技术中的重要环节之一，刀位轨迹规划又是数控加工技术的关键。坯的制备、定位基准及加工路线的拟定、刀具类型和切削参数的选择，零件粗加工阶段的刀轨规划以及精加工刀轨等，是刀位轨迹规划的重要内容。由于叶片类零件的空间重叠区域大，在加工过程中需要对刀轴矢量等进行控制。数控加工刀位规划问题同所采用的刀具以及加工过程中曲面的成形原理密不可分。在不干涉的条件下加工任意复杂曲面，由于球面的点对称性，仅需确定球心相对于设计曲面的位置，一般勿须考虑刀具的姿态，这就给刀位确定带来了很大的方便。但是，球头铣刀的切削速度随着趋近刀底部而趋近于零，这时球头铣刀相当于挤压被加工面，导致工件表面质量恶化，而且在一次走刀下加工的带宽较窄，严重制约了其加工的精度或效率。
本文以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。
1.基于UG的整体叶轮曲面实体造型
基于UG的自由曲面造型功能，对提供的叶片原始数据文件进行前处理，然后利用UG中基于NURBS建立的叶片型面的样条曲线，构造叶片空间型面，更精确的反映叶片的曲面形状，有利于叶片的实际加工，叶轮创建的流程图如图1所示。
图1叶轮创建流程图
（1）创建样条曲线创建了UG支持的数据文件后，打开UG建立一个新的part文件，从菜单栏中选择：应用→建模命令，进入建模状态。导入数据文件，绘制样条曲线。从菜单栏中选择：插入→曲线→样条命令，根据需要选择拟合方式，把已生成的dat数据文件导入，系统将按照数据绘制样条曲线，如图2所示。（2）通过曲线串生成叶片片体。从菜单栏中选择：通过曲线组命令，系统将弹出对话框，分别选取已建的样条曲线串，注意统一起始元素。（3）延伸片体。（4）采用通过曲面组和艺术曲面方法生成缝合面。（5）缝合曲面生成叶片实体。（6）生成轮毂曲线和裁剪曲线，UG 提供了两种建立曲线的方式：一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。草图中建立便于参数化，推荐用草图建立。截面线串如图3所示。
图2 图3
图4 图5
（7）建立轮毂回转体，在菜单栏中选择插入→设计特征→回转命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毂回转体，如图4。（8）修整叶片与轮毂，通过定义基准面和裁剪体，利用插入→特征操作→裁剪命令，裁掉多余的部分。（9）建立其他的叶片，因为叶片是圆周均布的，所以从菜单栏中选择：编辑→变换命令，选择要复制的叶片，在角度文本框中输入参数值360/n（n为叶片个数），连续复制n-1次，这样就完成了n个叶片在轮毂上的均匀分布。（10） 建立整体叶轮到此时叶片、轮毂已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，通过布尔和运算把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型，如图5。
2.整体叶轮曲面加工仿真
在进行数控加工编程之前，首先确定要使用的刀具。在UG/CAM中，通过专门刀具创建操作来确定刀具。在UG中确定刀具的方式有两种：用户自定义刀具和从刀具库获取刀具。本文在对螺旋桨零件进行粗加工时选用了12mm的平铣刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为50mm，长度为20mm。粗加工过程中采用型腔铣（mill_contour）方法对流道进行开粗，此方法开粗效率高、加工质量稳定，所以选取平铣刀可以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。半精加工和精加工时选用了5mm的球头刀，刀具长度75mm，刃长50mm，刀柄直径为30mm，长度为20mm。由于在多坐标加工中，球头刀对于加工对象的适应能力很强，而且编程与使用也较方便，所以本文选取了球头铣刀。
零件粗加工采用层切法加工。在确定了切削区域后，接下来就是确定切削层，切削层选取从顶面下降到56mm深度的范围，每层切削2mm。进入UG的Cavity-Mill模板设定粗加工切削参数，包括加工余量、安全间隙、公差等加工精度参数，还包括进给率、切削模式、切削类型、行距等。本文中的设置参数为：进给率1200mm/min，切削模式选择Follow Periphery，行距选择刀具直径的70%。在Cutting参数设置里选择切削方向为Inward由毛坯外缘向内铣削，开粗轨迹如图6所示。
图6 开粗轨迹 图7叶背半精加工刀轨图
半精加工流道面时由于想邻叶片间的空间较小，在经向上随着半径的减小通道越来越窄、纽角越来越大，刀具与加工叶片和刀具与相邻叶片易发生干涉，刀位规划约束条件比较多自动生成无干涉的刀轨较困难。经过分析和试验证明选择曲面驱动方式刀轴采用插补方式，投影采用刀轴方式可生成质量较高的刀轨，如图7所示。
在对整体叶轮零件的粗加工和半精加工工序完成以后，接下来要进行精加工工序。同样选择VARIABLE_CONTOUR可变轴轮廓铣模板，分别选择叶轮叶片的叶背、叶腹和流道曲面为驱动几何，切削模式同样选择直线铣削，类型为Zig-Zag，设置合理的参数后，叶轮精加工模拟显示生成如图8所示。
图8 叶轮精加工模拟
3.结论
以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究，借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型，并通过对整体叶轮在五坐标数控加工工艺规划进行分析，采用等参数线法分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切削行距，并最终完成了叶片的数控加工仿真。本文针对叶轮的三维造型所采用的技术处理方法进行分析，对解决不同领域的类似问题也具有指导借鉴的意义。
参考文献：
[1]倪炎榕，张洪，郭静萍，圆环面刀具五坐标数控加工复杂曲面优化刀位算法，机械工程学报，2002（21）
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[4]黄尧民.机械CAD.北京：机械工业出版社，1995：44-51.
[5]曾向阳，谢国明，王学平等.UG NX基础及应用教程.北京：电子工业出版社，2005：306-374.
[6]王庆林，UG CAM.应用案例集。清华大学出版社，2002.161-176.
[7]Unigraphics Solutions Inc.UG自由形状特征建模培训教程.北京：清华大学出版社，2002：40-41.
[8]王国强，盛振邦.船拍推进[M]北京：国防工业出版社，1985：1-160.
[9]高凤英.数控机床编程与操作切削技术，2005：24-43.