整体叶轮的五轴数控编程及加工(

表2-4-4 整体叶轮数控加工合理的装夹方案
装夹序号
装夹方法
定位基准
使用夹具
表2-4-12 学生任务6参考答案：整体叶轮五轴加工中心加工合理的装夹方案
在五轴加工中心数控回转盘上安装专用夹具 夹紧工件，工件以底部外圆柱面+底面为定位基 准，底部中心M10螺纹锁紧。
装夹序号 1
装夹方法 底部中心 M10 螺纹锁紧
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
表面名称
使用刀具名称 刀尖圆弧半径 刀具半径
表2-4-11学生任务5参考答案：整体叶轮数控加工选用的刀具及
参数
序号
加工内容
使用刀具名称
刀角半径 刀具半径
五轴加工用包络毛坯的粗加工
400R C32-32-160
1
（三轴数控加工）
（Ф 32 立铣刀杆）
0.8
D8R4 （Ф 8 球铣刀）
4
4
精加工叶片
D8R4
7
（此工序可完成 9 个叶精片加的工侧叶面片和前缘面的精加工）
（Ф 8 球铣刀）
4
4
（特别说明：此工序可完成 9 个叶片的侧面和前
D6R3
8
叶轮叶根圆角清根 缘面的精加工）
（Ф 6 球铣刀）
3
3
学生任务6：填写表2-4-4 整体叶轮数控加工合理的装 夹方案
表面加工刀路生成 CAVITY_方MI式LL ZLEVEL_PROFILE
ZLEVEL_PROFILE MULTI_BLADE_ROUG H HUB_FINISH BLADE_FINISH BLADE_FINISH BLEND_FINISH
学生任务4：填写整体叶轮加工 选来自的设备及主要规格和技术参数表2-4-1 整体叶轮需加工部位及表面

1 前言叶轮是压缩机、透平机和泵等的核心部件，其加工质量的优劣对压缩机的性能有着决定性的影响。

20世纪80年代中期，在先进透平机械的结构设计中，出现了“三元整体叶轮”结构。

三元叶轮是根据透平式流体机械内部流体的三元真实流动状况而设计的，能大幅度地降低能耗。

整体式三元叶轮是指轮毂和叶片在同一毛坯上，具有结构紧凑、曲面误差小、强度高等优点。

由于叶轮采取了整体式结构，而叶片的形状又是机械加工中较难加工的复杂形状曲面构成的，因此加工时轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易发生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。

目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，主要有美国叶轮制造公司NREC推出的专用软件包：MAX-5，MAX-AB；瑞士Starrag生产的数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有Hypermill等专用叶轮加工软件。

此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E、 MasterCAM等也能用于整体叶轮的加工。

本文选用UG NX4.0对整体叶轮进行加工轨迹规划。

2 加工工艺及装备分析2.1 加工工艺流程规划叶轮的一般构成形式是若干组叶片均匀分布在轮毂上，相邻两个叶片间构成流道，叶片与轮毂的连接处有一个过渡圆角，使叶片与轮毂之间光滑连接。

叶片曲面为直纹面或自由曲面。

整体叶轮的几何形状比较复杂，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大，容易发生干涉碰撞。

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要精确控制，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动，避免发生干涉碰撞。

叶轮加工首先由最初的毛坯——棒料、铸造件或者锻压件采用车床进行外轮廓的车削加工，得到叶轮回转体的基本形状。

通过对叶轮结构和加工工艺的分析，叶轮加工主要由粗加工叶片间流道（叶轮开粗）、流道曲面的半精加工、叶片精加工、流道精加工和倒圆部分的清根加工等工序组成。

2.2 刀具选择刀具刚性和几何形状是叶轮加工刀具选择的主要因素，在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径的刀具。

基于hypermill的半开式整体叶轮五轴数控编程与加工技术表2各加工工序使用的刀具及加工参数序号工序名称刀具主轴转速rmin进给量xymmmin步距mm1毛坯面粗加工10平底立铣刀60003500052毛坯面精加工10球头铣刀40001600023叶轮粗加工10球头铣刀70004000154叶轮粗加工6球头铣刀3000120015叶片半精加工6球头铣刀30001200066叶轮盖半精加工6球头铣刀30001200067叶片精加工6球头铣刀300012000158流道精加工6球头铣刀30001200089叶轮盖精加工6球头铣刀300012000153
2
刀具选择
3． 2
整体叶轮加工工序以及加工参数确定
选择合适的刀具材料和刀具类型不仅可以保证加 而且能够满足零件的加工质量。 刀具的选择 工效率， 需要充分考虑整体叶轮的形状、 材料等各个方面的因 素。整体叶轮铣削加工刀具的选取可遵循以下原则： ①粗加工时， 在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大 直径刀具， 以提高加工效率； ②在满足叶片高度的情况 为保证刀具有足够的刚度， 其悬伸长度应尽可能 下，
图3 图2 半开式整体叶轮模型
hyperMILL 数控编程及加工过程
整体叶轮结构复杂， 其数控编程和加工的难点主 要体现在： ①相邻叶片间的距离较小， 加工时易产生干 涉， 生成无干涉的刀具轨迹较困难； ② 叶片厚度小， 在 精加工过程中会出现加工变形和振动等问题， 使叶片 表面的加工质量降低； ③叶片的扭曲度较大， 使刀具轴 ［ 89 ］ 。 线矢量的计算复杂
基于 hyperMILL 的半开式整体叶轮五轴 * 数控编程与加工技术
赵文明， 庄 鹏， 鞠岗岗， 刘战强
（ 山东大学 机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室 ， 济南 250061 ） 摘要： 整体叶轮是航空发动机和各类透平机械的关键零部件 。 针对整体叶轮因结构复杂而导致数控 编程和加工难度大的特点， 首先， 以半开式整体叶轮为例， 在 hyperMILL 软件中进行五轴数控编程。 然后， 编程得到的刀具轨迹经过内部机床仿真验证 ， 利用后处理器将刀位 （ CL） 文件转换成机床可识 别的 NC 加工代码。最后， 在 DMU － 70V 五轴加工中心上对 Al7050 铝合金整体叶轮进行加工。加工 过程中没有出现干涉、 过切、 欠切等问题。结果表明 hyperMILL 可以简化编程的过程， 提高编程和加 工的效率， 为其它同类复杂零件的编程加工提供了依据 。 关键词： 整体叶轮； 数控编程； 五轴加工； hyperMILL 中图分类号： TH164 ； TG659 文献标识码： A

工验 证 。
关 键词 ： 叶轮
三 维建模
五轴 加 工 加 工仿真 后 置处 理 文献标 识码 ： Ｂ
中图分 类号 ： Ｔ Ｇ６ １ ＋ ９
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｖ ｅ － ａ ｘ ｉ ｓ ＮＣ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｌ ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ
—
ห้องสมุดไป่ตู้
ａ ｘ ｉ ｓ ＮＣ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ．Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｌ ｐ ｏ ｆ ＵＧ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ， ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｏ ｌ ｐ ａ ｔ ｈ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ
工艺与检测 Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ０ Ｉ ｏ ｇ ｖ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｓ ｔ
整体 叶轮 五轴 数 控 加 工技 术 的研 究
丁 刚强
（ 柳 州五菱 汽车 工业有 限公 司制造 工程部 ， 广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ７ ）
摘 要： 整体 叶轮是 典型 的航 空航 天 复杂 零件 。为 了进行 整体 叶轮 的数 控 加 工 ， 用Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ对 其进 行 了参 数 化建模 。在 深入 分析整 体 叶轮加 工工艺 的基础 上 ， 确 定 了五轴数 控机 床加 工叶轮 的工艺流 程 。使用 Ｕ Ｇ 软件 实现 了 自动编程 ， 生成 了刀 路轨迹 。通 过后置 处 理生 成 Ｇ 代 码 ， 并在 实 际机 床上 进 行 了加
ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ
整体 叶轮是 燃气 发 动 机 中 的一 种 关键 零 件 ， 其 作 用是 南外 界供 给的机 械功连 续不 断地将 气体 压缩并 传 输 出去 。气体 经进 气管 进 人 工作 轮 ， 在 工 作 轮 中 因受 到 叶片 的作用力 而 压 力 升高 ， 速 度 增 加 。因 此对 叶轮

基于UGNX的整体叶轮逆向建模与五轴编程张瑜;董保香;蓝艳华【摘要】The RE/CAD/CAM of multi‐blade impeller is very difficult because of complex sur‐face .The 3D impeller was modeled based on the key points of impeller samples ,and the 5‐axis tool path were given based on mill‐multi‐blade operation in UNGX/CAM .The correct impeller were machined by 5‐axis MC after the interference and cutting simulation by UG/IS&V .This method is suitable for RE/CAD/CAM of other types .%复杂的叶片曲面导致整体叶轮的测量、逆向再设计及数控编程非常困难。

通过测量整体叶轮样品关键特征点，基于UGNX对点云进行逆向并用曲面模块生成了三维模型，应用UG／CAM中叶轮加工专用模块，实现了叶轮五轴数控编程。

在利用IS&V 消除干涉、过切等现象的前提下，用五轴加工中心加工出了叶轮。

本方法也适合其他同类型的整体叶轮逆向、设计及五轴数控编程。

【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P75-78)【关键词】整体叶轮;UGNX;五轴编程【作者】张瑜;董保香;蓝艳华【作者单位】日照广播电视大学考试中心，山东日照276826;淄博职业学院电子电气工程学院，山东淄博255000;日照市科学技术协会，山东日照276826【正文语种】中文【中图分类】TG659叶轮类零件作为透平机械的核心部件，是一种造型比较规范、具有典型性的通道类复杂零件，其工作型面通常为空间曲面，所以如何设计及加工制造一直是国内外公认的技术难题[1].叶轮设计涉及空气动力学、流体力学等多个学科，随着设计理论和方法的不断进步，工作型面越来越复杂，这对加工制造提出了更高的要求[2].本文基于UGNX8.0对整体叶轮的逆向、三维建模、五轴数控编程、机床加工仿真进行较为全面的研究.逆向工程(Reverse Engineering)是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物[3].本文中的叶轮是某进口风机上的零部件，转速较高，动平衡要求高、精度高.利用三维扫描测量仪，准确地测量如图1样件表面数据及轮廓外形，得到如图2所示的点云.在UG/CAM中的mill_multi_blade加工中，使用多叶片工序来加工如叶轮、叶盘等含多个叶片的部件.多叶片铣加工工序专用于加工叶片类型的部件，而且对于这些类型部件，此工序的加工效率最高，可以创建用于执行粗加工、剩余铣、叶毂精加工、圆角精加工以及叶片和分流叶片精加工的工序.多叶片铣加工工序可实现：刀轴光顺、刀轨光顺、IPW(In Process Workpiece)、刀柄碰撞检查和避让、预期结果预览，可以指定以下几何体：多个分流叶片、带底切的弯叶片、含一个或多个曲面的叶片、UV栅格未整齐排列的曲面、自动修复缝隙和重叠.2.1 定义工件几何体及刀具加工整体叶轮时，首先把毛坯加工成回转圆柱体，然后再把该回转体加工为整体叶轮.在MULTI_BLADE_GEOM几何体中定义叶毂、一个主叶片、一组分流叶片，然后指定主叶片数.默认旋转轴为+ZM.注意选择主叶片的时候，只需要选择一组叶片就可.选择分流道叶片的时候要注意选择该主叶片右边的分流道叶片，如图5所示.指定分流叶片时要分别指定壁面和圆角.刀具分别定义为直径10、直径8、直径6的球头铣刀.2.2 毛坯粗加工毛坯粗加工的目的是把圆柱形坯料加工成回转体形状以便叶轮加工，可采用车削或者铣削加工方式.采用铣削方式时，粗加工可用型腔铣的CAVITY_MILL快速去除大部分材料，然后用ZLEVEL_PROFILE进一步加工.生成的刀路轨迹如图6所示. 2.3 流道粗加工多叶片粗加工工序是部件类型特定的粗加工工序.这种工序允许对多叶片类型的部件进行多层、多轴粗加工.粗加工是自上而下进行的，可定义多层切削、切削模式、深度、起点和切削方向、刀轴前倾角/后倾角和侧倾角、刀轨和刀轴光顺、毛坯几何体或IPW.所生成的刀路轨迹如图7所示.2.4 流道精加工使用流道精加工工序可为多个流道创建精加工刀轨，通过选择合适的切削模式、起点和切削方向、刀轴前倾角/后倾角和侧倾角、刀轨和刀轴光顺得到如图8所示精加工刀路轨迹.在流道精加工工序中不需要包覆几何体，不加工圆角(圆角加工属于叶片精加工工序的范畴，流道精加工不切削相邻叶片的圆角).2.5 叶片精加工使用叶片精加工工序可自叶片和叶片圆角向下精加工到叶毂.叶片精加工是特定于部件类型的精加工工序，这些工序允许对多叶片类型部件的叶片或分流叶片进行多轴精加工.可以定义切削侧、切削模式、切削层、起点和切削方向、刀轴前倾角/后倾角和侧倾角.生成的刀路轨迹如图9所示.2.6 主叶片圆角精加工使用多叶片圆角精加工工序精加工多叶片叶轮和叶盘的圆角区域.加工时可以先使用较大的刀具精加工叶片，然后使用较小的刀具精加工叶片和轮毂之间的区域.操作选用BLEND_FINISH，圆角精加工中，要加工的几何体选择叶根圆角，选择合适的驱动模式、刀毂编号、叶片编号、步距、切削模式、顺序、切削方向、起点等.生成的刀路轨迹如图10所示.UGNX/IS&V(Integrated Simulation and Verification)模块是一个功能强大的集成仿真验证专用模块，用于模拟刀具路径以及整个数控机床的切削过程.它可以建立与实际生产加工中的数控机床完全一致的精确运动模型，以使模拟仿真结果完全符合实际情况[4].在此过程中可以捕捉在加工过程中产生的任何问题，然后把这些问题反馈给设计人员以修改零件；可以检测任何机床部件之间的干涉碰撞，例如工装、刀具、工件等；可以预览所有的加工操作，例如宏、子程序、循环、M、G、H等命令，提高了加工质量，消除了昂贵并且耗时的试加工验证和干切削验证，减小了机床、工件、夹具损坏的可能性.图11是采用系统提供的机床进行的IS&V 仿真.针对逆向模型，采用如上方法编制的程序，用五轴联动加工中心加工的整体叶轮如图12所示.针对整体叶轮样品，应用三坐标测量机测量出关键点云，基于UGNX对点云做逆向建立了三维模型.对带分流道的典型复杂叶轮，进行了五轴数控编程，实现了流道、主叶片及流道圆角的五轴编程与加工.通过UG/IS&V机床加工仿真，分析机床加工过程，排除错误，最终加工出了合格的整体叶轮.【相关文献】[1] 修春松，安鲁陵，戚家亮. 整体叶轮鼓形刀五坐标数控加工刀位轨迹生成[J]. 机械制造与自动化，2011(4)：165-168.[2] 张世民，郭锐锋，彭健钧. 五轴数控加工仿真中刀具扫掠体的计算[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2010(6):10-13.[3] 姬俊锋. 复杂整体叶轮数控加工关键技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2009.[4] 陈文涛，夏芳臣，涂海宁. 基于UG&VERICUT整体式叶轮五轴数控加工与仿真[J]. 组合机床与自动化加工技术，2012(2)：102-105.。

UG五轴编程教程课件成总专业叶轮目录一、UG软件简介及安装配置 (3)1. UG软件的发展历程和特点 (4)2. 软件安装与配置要求 (5)3. 用户界面及主要功能模块介绍 (5)二、基础编程概念与技能 (6)1. 编程基础概念解析 (8)1.1 编程定义及作用 (9)1.2 编程与CAD/CAM关系 (10)1.3 数控机床简介 (12)2. 技能要点掌握 (13)2.1 数控加工基本流程了解 (14)2.2 刀具选择及参数设置技巧 (15)2.3 加工工艺路线规划方法 (16)三、UG五轴编程入门 (17)1. 五轴加工概述及优势分析 (20)2. 五轴加工坐标系设置与转换方法 (21)3. 五轴联动数控机床操作界面介绍 (22)4. 五轴编程基本步骤与流程 (23)四、叶轮加工技术要点解析 (24)1. 叶轮结构特点及加工要求 (26)2. 叶轮加工工艺流程规划 (27)3. 专用工具与夹具选择及使用方法 (28)4. 加工过程中的注意事项与常见问题解决方案 (29)五、UG五轴编程进阶技巧与案例实战 (31)1. 编程技巧提升 (32)1.1 优化编程路径，提高加工效率 (33)1.2 复杂曲面加工策略应用实例分享 (34)1.3 刀具路径优化与调整方法 (36)2. 案例实战演练 (37)2.1 实例一 (38)2.2 实例二 (39)2.3 实例三 (40)六、高级功能拓展与探索 (40)1. 高级功能介绍及应用场景分析 (42)2. 拓展模块学习与探索方法建议 (43)3. 行业发展趋势预测与展望 (44)七、课程总结与复习要点 (46)1. 课程重点内容回顾与总结 (47)2. 复习要点提示及学习建议 (48)一、UG软件简介及安装配置UG（Unigraphics）是一款由美国UGS公司推出的强大的CADCAMCAE高端软件，广泛应用于汽车、航空航天、机械、电子等工程领域。

作为一款集成化程度极高的软件，UG不仅提供了强大的建模功能，还集成了仿真、分析、制造等一系列工具，为用户提供了一个从设计到生产的全生命周期解决方案。

多轴数控加工技术
7.2叶轮零件五轴加工刀路设计
训练：对含叶轮特征件设计综合五轴加工刀路。训练档：叶轮加工.MCX 训练方法：多种五轴综合加工刀路定义的讲解和现场练习。（模型已建）
五轴加工的CAM刀路设计
一、口部锥面的平行到曲线五轴加工刀路定义。
要点1：选择锥底 曲面边线为边界曲 线，选择锥面为加 工面
关闭叶轮基体所在图层，然后按图所示，将封闭的叶型线框绕回转轴心线旋 转360º生成叶片柱筒实体
按图示构建截面外形轮廓，再绕叶轮轴心旋转切割已构建的叶片柱筒实体， 即可得到单个叶片的雏形。切割用线框轮廓主要用于获得叶轮上部及侧面的 叶型边界，辅助线框以能将柱筒残料全部切割掉而绘制
按图示在前视面构建挤出切割用线框，对超出基体范围的另一侧和底部实施 双向贯穿切割，仅保留叶片有效部分
槽底曲面
刀轴侧倾0゜ 底刃切削
刀轴侧倾90゜ 侧刃切削
第七章 多轴数控加工技术
7.2叶轮零件图样的几何建模
先学习叶轮模型的构建，再处理其它结构特征
按图示在前视面绘制一封闭线框后，以绕旋转轴线旋转360º构建实体的方 法即可得到叶轮基体的3D实体模型
如图所示，先找到Ф150直径柱切面与基体曲面的交线，以正前方与-Y轴交 点处正切面为构图面（前视面Z=75），按b图所示在新层中绘制叶截面的中 线、叶背和叶面型线，同时以100的距离在左上绘出中线的平行线，作为叶 型建模用的回转轴心线
七、叶轮槽槽底曲面五轴加工刀路定义-刀轴控制。
五轴加工的CAM刀路设计
七、叶轮槽槽底曲面五轴加工刀路定义-刀轴控制路径线的构建。
五轴加工的CAM刀路设计
八、叶轮槽五轴加工刀路定义-粗切分层及多槽变换。
两曲面之间
两曲线之间

叶轮数控加工仿真研究【 Ｊ 】 ． 陕 西 国防 工
业 职 业技 术学 院 学 报 ， ２ ０ １ ｌ ， ２ １ （ ２ ） ： ４ ５ －
４７．
工程序都应经过分 度和旋转 ， 且 在 轮 毂 和
可 能存在 一些不需 要的拐点 ， 即 出 现 不 光 叶 片 没 有 全 部 加 工 完 时 ， 不应 进 入 下 一 个 【 ４ 】阎长 罡 ， 贾 国高 ． 基于 ＵＧ Ｎ Ｘ ４ ． Ｏ 的整体
行 于 气 流 通 道 的 方 向进 行 走 刀 。 具 体 加 工
比较 完 美 地 完 成 对 整 体 叶 轮 的 三 维 造 型 。 应 用 ｕＧ软 件 对 整 体 叶 轮 进 行 五 轴 加 工 的
／Ｃ ＡＭ 软 件 ， 在 的 中间位置设 置开槽加 工槽 ， 铣 刀应 沿 平 但 它 作 为 一 款 通 用 的 ＣＡＤ
迹 生 成研 究 【 Ｄ 】 ． 哈 尔 滨 工程 大 学 硕士 学 位论文 ， ２ ０ ｌ ２ ．
【 ３ 】李俊 涛 ， 吴 让利 ． 基于 ＵＧ Ｎ Ｘ ６ ． ０ 的 整体
．
维造 型工作（ 如 图２ 所示） 。 ２ ． ５ 光顺 曲线 实 际工作 中 ， 生 成 叶 片 的 曲线 和 曲 面
工 业 技 术
建议采用 第二种方式 。 ２ ． ４ 建立 整体 叶轮 在 完成 单个叶 片和 轮毂的 造型后 ， 我
们 要 建 立 整 个 叶轮 的 ＣＡＤ 模型 ， 建 立 步 骤 如下： （ １ ） 因 为 叶片 是 沿 圆周 均布 的 ， 所以 需 要 根 据 叶 片 的 数 量 确 定 叶 片 沿 圆 周分 布 的
３ 叶轮 的五 轴数控加工流程
（ １ ） 锻压毛坯 ： 毛 坯 采 用 高 强度 的锻 压

Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ｐ ￣ ｎ ｂ ？ ｅ ｍ ｓ ｏ ｆｏ ｖ ｅ ｒ ｌｌ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｋ ｐ ｏ ｒ ｔ ｓ ｙ ｏ ｒ ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ｆｔ ｏ ｅ ｎ ｇ ｉ ｌ ｌ ￣ ｅ ｓ ５ 一 ｄ ｆ ｘ ｉ ｓ Ｃ Ｎ Ｃ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ． ｔ ｈ ｅ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ５ －
机 械 设 计 与 制 造
１ ４ ８ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｅ
第 ６期
２ ０ １ ３年 ６月
航 空发动机整体 叶轮五轴数控加 工机床运动 学 中国轻 型燃气轮机开发中心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ８ ； ２ ． 北京航空航天大学 机械工程及 自动化学院， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ；
ｍａ ｃｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．
工整体叶轮的结构特点 ，对最适用五轴加工机床的选择 的思路 ，并就整体叶轮 构型与五轴加 工机床选择进行 了定性分
析。
关键词 ： 整体叶轮 ； 五轴加工 ； 运动学模型
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｖ ２ ６ ３ ； Ｔ Ｇ ６ ５ ９ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ １ ４ ８ — ０ ４
ａ ｘ ｉ ｓ Ｃ Ｎ Ｃ ｍ ｃｈ ａ ｉ ｎ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ｅ ｅ ｌ ｓｓ ａ ！ ． ｉ ｆ ｅ ｄ ． Ｐ ｒ ｒ ｚ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ＂ ｅ — － ｎ ｘ Ｃ Ｎ Ｃ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ｃ ａ ｌ ｌ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ５ － ａ ｘ ｉ ｓ Ｎ Ｃ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｂ ｌ ｉ ｓ ｋ ｍａ ｃｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ５ － ａ ｘ ｉ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｕ ａ ｌ ｒ ｏ ｔ ａ ｒ ｙ ｈ ｅ ａ ｄ ｓ ｔ ｙ ｐ ｅ ｆｓ ｏ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ５ － ａ ｘ ｉ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｕ ａ ｌ ｒ ｏ ｔ ａ ｒ ｙ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｔ ｙ ｐ ｅ ｆ ｏ

重庆三峡学院毕业设计（论文）题目UG自动编程的叶轮加工（五轴联动加工中心）院系应用技术学院专业机械设计制造及其自动化年级08 机械完成毕业设计（论文）时间2011 年12 月目录摘要第一章：绪论1.1：五轴联动简介1.2：五轴联动加工中心的特点1.3：五轴联动加工中心的分析1.4：五轴联动加工中心的应用领域第二章：FANUC系统编程方法2.1 FANUC系统概述2.2 FANUC系统编程指令第三章：叶轮轴加工的工艺分析3.1概述3.2零件三维模型与零件图3.3叶轮轴的加工工艺分析第四章：叶轮轴加工的UG自动编程4.1 建立零件的UG三维模型4.2 叶轮轴加工的UG自动编程4.3 叶轮轴加工的UG程序后处理第五章：总结致谢语参考文献基于UG自动编程的数控铣削加工牟松重庆三峡学院应用技术学院机械设计制造及其自动化08机械重庆万州 404000摘要五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。

目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。

关键字五轴联动加工中心UG 自动编程第一章：绪论1.1：五轴联动简介所谓五轴加工这里是指在一台机床上至少有五个坐标轴(三个直线坐标和两个旋转坐标)，而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。

1：对于五轴立式加工来说，必须要有C轴，即旋转工作台，然后再加上一个轴，要么是A轴要么是B轴。

2：主轴头旋转类型，立式结构的两个回转轴A，C轴。

该机床将A，C回转轴设置在主轴上。

铣头绕Z轴旋转360度形成C轴，绕X轴旋转±90度形成A轴。

这样的结构形式工作台上无旋转轴。

3：工作台旋转类型，工作台绕X轴旋转，工作台绕Z轴旋转，主轴无需摆动。

4：工作台绕Z轴旋转，主轴头绕Y轴摆动称B轴。

五轴叶轮加工一、实体造型（附件：叶轮.Z3）：二、叶轮粗加工：1、叶轮实体制作完成后，在空白处点击右键选择进入CAM加工。

2、添加坯料---配料分两部分，a为整体柸料，用于整体加工。

b为局部柸料，用于局部测试用。

a、整体柸料制作及添加过程；点击退出，再点击新建对象。

文件名输入“毛坯”---确定。

⑴只添加与实体轴向、颈项相等的圆柱体即可。

⑵改变圆柱面属性，使其变为半透明状，便于测试时观察。

属性---面---调节透明度---用鼠标框选坯料实体---确定。

b、局部柸料制作及添加过程；点击退出，再点击选择复制叶轮文件，在用粘贴新对象。

用右键点击新建对象选择“重命名”重新设置文件名称。

双击进入编辑。

⑴先导入叶轮实体，再做一个大于叶片间距的立方体；⑵选择修剪实体对坯料进行修剪。

⑶再选择修剪实体对坯料进行修剪。

⑷选择修剪实体对坯料圆边进行修剪。

⑸利用直纹面选择图中黄色线段生成修剪曲面。

⑹选择修剪实体通过修剪面修剪柸料。

⑺用删除剩余残面。

⑻点击再选择隐藏实体。

⑼利用直纹面选择图中黄色线段生成修剪曲面。

⑽点击显示所有实体。

⑾选择分割实体。

⑿选择删除切割下来的实体。

⒀先选择中的“造型”选项，在选择合并图中两部分。

⒁再用删除叶轮实体，只剩下局部毛坯。

⒂局部毛坯属性，使其变为半透明状，便于测试时观察。

属性内选择面---调节透明度---用鼠标框选坯料实体---确定⒃选择面偏移来拉伸实体。

（偏移-1）自此坯料全部制作完成。

3、点击退出后，双击进入“加工方案”。

4、右键点击选择“插入”。

把之前制作好的两个柸料导入进来。

5、右键点击选择再选择，实体将转变成毛坯。

6、局部坯料转变过程同上。

7、点击选择---快速铣削---粗加工工序---二维偏移粗加工。

8、确定加工工序后选择刀具，并设置刀具参数。

如果新建工艺可以直接点击此处来设置刀具参数，如果已有刀具可以点击此处，在“刀具列表”内选择已有刀具。

如果要是添加新刀具用右键点击选择“管理”就可以添加新刀具。

四、代码实现
为了实现叶轮五轴数控加工刀具轨迹规划和仿真，需要编写相应的代码。以下 是代码实现的思路和示例：
1、数据预处理代码：利用C++或Python等编程语言编写数据预处理程序，对 叶轮图纸数据进行读取、分析和处理，得到可用于刀具轨迹规划的数据格式。
2、刀具路径生成代码：使用CAM软件（如Mastercam、SolidWorks CAM等） 的API接口或脚本编程功能，编写刀具路径生成程序。通过设置切削参数、选 择刀具路径生成方法和优化算法等，实现高效、准确的刀具路径生成。
总之，整体叶轮的曲面造型及五轴数控加工技术在现代工业领域中具有重要意 义。通过先进的建模技术和高精度的制造工艺，可以大幅提高叶轮的性能和质 量，为各种动力和流体机械设备的优化升级提供有力支持。随着科技的不断发 展，这一技术将继续发挥重要作用，推动工业生产的进步和提升。因此，值得 我们在理论研究和实际应用中不断深入探讨和挖掘。
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3、数值模拟方法：该方法通过数值模拟来求解加工过程中的动态响应。该方 法可以更准确地模拟加工过程中的动态行为，但需要较长的计算时间。
3、工件的几何特征：需要根据 工件的几何特征来选择合适的刀 具路径
1、基于规则的方法：该方法基于一些基本规则和经验公式来确定刀具路径， 如最大切削速度、最小切削力等。
3、加工环境的特性：需要考虑加工环境的特性，如机床刚度、地基阻尼等， 以准确预测加工过程中的环境影响。
3、加工环境的特性：需要考虑 加工环境的特性
1、刚体动力学方法：该方法基于刚体动力学理论，将刀具和工件视为刚体， 从而简化了计算过程，提高了计算效率。
2、有限元方法：该方法将刀具和工件视为弹性体，通过有限元分析来求解加 工过程中的动态响应。该方法可以更准确地模拟加工过程中的动态行为，但计 算效率较低。

３ 叶轮 加工 特 点及 工艺 方 案分 析
３１ 叶 轮 如 ｉ燎 熹龠 梗 ． 、 叶 片
曲 面 的 半 工 采 用 球
（） １ 叶轮上 有很多 叶片 ， 叶片数按 轮毂直径大小 不 精 、精 加
同 而 不 同 ， 片 有 长 有 短 ， 片 为 空 间 曲 面 、 曲 程 度 叶 叶 扭
，
以达 到设 计要 求 。
叶片曲面的铣削精加工 ；８叶片及轮毂之间的清根铣削。 （）
．
近 十 多 年 的数 控 技 术 迅 速
３ 五 轴铣 削加 工的几 个 关键 工序 分析
发展 和数控机床的广泛使用使我国的制造技术得到很大 提高 。特别是五坐标轴 以上 的数控机床逐渐装备到企业
（） １开槽 加工 及 切削 方 向的 确定
一
所示 的环切方式 ，精加工采用图 ５ 难 以采用强度和刚性较好 的大直径刀具 ；３ （ ）叶片进气 半精加工采用如 图 ４ 以提高表面质量。 应注意每次加工 与 出气边缘圆角曲率半径变化大 ， 使刀具和夹具角度变 所示的切入切出方式 ，
化 大 ；４ 为满 足 强 度 的需 要 ， （） 叶轮 轮 毂 与 叶 片之 间 的过
槽加工 中槽的位置宜选在气 流通 道的中间位置 ，多分为上下两个
部分加工 ，应 注意两部份刀路衔 接问题。 刀路平行于气流通道 ， 并
为叶轮回转体的基本形状 ，在五轴数控加工 中心上使轮 保证槽底与轮毂表面 留有一定的加工余量。一般采用 圆 毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成， 满足压气机叶轮 柱形玉米铣刀或圆柱形立铣刀铣削加工 ，由于气道宽度 产品强度要求 ， 曲面误差小 ， 动平衡时去质量较少 ， 因此 不等 ，所 以在刀具直径方面应在下部宽阔处采用大直径 是较 理 想 的加工 方 法 。 刀具 、 上部狭窄处采用小直径刀具的方法 ， 如图 ３ 所示 。 ２ 五轴数控加工中心 （） ２ 叶轮气道的扩槽粗加工及叶型粗加工

浅谈整体叶轮五轴数控加工技术刘辉摘要：整体叶轮作为动力机械的核心部件，在航空航天、能源动力等领域应用日益广泛。

叶轮加工质量的好坏直接影响到叶轮的空气动力性能和整个动力装置的机械效率。

而叶轮由于其特殊的形状结构，使得叶轮的加工成为机械机加工领域的一个难点，因此对叶轮加工的关键技术进行研究具有重要的意义。

本文利用单位现有的五轴加工中心，借助于编程软件HyperMILL对整体式叶轮的五轴数控加工关键技术进行研究。

关键词：整体叶轮；五轴数控；加工技术1 整体叶轮五轴数控加工工艺分析结合产品的特点，以及叶轮具体应该，怎样使用才能保证制定出来的加工工艺流程更加科学合理：（1）在锻铝材料上车削加工回转体的具体外形；（2）把流道部分设置加工得更粗一些；（3）对于流道部分必须要注意精细化加工；（4）对于叶片也要注意精细化加工；（5）清根。

在这篇文章中，具体规划并研究了加工轨迹的设定，叶片进行精细化加工，设置并加工流道部分等几个方面。

结合整体叶轮的具体结构特点，对于怎样装夹，夹具，刀具参数，以及作业过程中需要使用机床的类型等各个方面，我们都会有一个具体的了解。

要想最大程度上保证加工效率得到提升，必须要保证加工过程中不能出现碰撞等具有干涉性的行为，此外，大直径铣刀是最合适的加工工具，在诸多的铣刀类型中最为合适的便是多刃铣刀。

但是平底铣刀对于流道粗加工工艺来说是不二的选择，球头铣刀便是精细化加工叶片，以及流道时最为合适的工具。

锥度球头铣刀比较适用于加工一些流道不是很宽的叶轮。

2 叶轮五轴加工2.1叶轮五轴加工的工艺参数由于叶轮的叶片太薄，吃刀量过大容易造成叶片的变形与断裂，太慢又严重影响加工效率；而切削速度太慢容易造成表面挤压变形，过快又容易造成表面的颤纹；进给速度太快容易造成表面应力过大，太慢则达不到加工的目的。

本文的切削参数是根据刀具的材料、机床性能、加工材料及操作者的多年工作经验和多次切削试验得来。

2.2叶轮五轴加工轨迹生成本叶轮的五轴部分由HyperMILL软件进行加工，通过对叶轮模型的处理，对加工方法的选择，对刀具的选择，对软件参数的设定和对高速加工路径的规划，叶轮五轴加工轨迹生成过程和加工方法，如表1所示。

1.5 目标及特色
目标： （1）完成整体叶轮刀具轨迹生成工艺分析 （2）完成基于 UGNX4.0 整体叶轮叶片的刀具路径生成 （3）完成整体叶轮叶片加工的刀具干涉与刀位修正 特色：利用UG软件对三元整体叶轮进行仿真设计，得到叶轮主要部分的NC程序， 并对其刀具轨迹进行规划。
4
2 自由曲面的五坐标数控加工研究
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这种结构类型是指两个转动轴都作用于刀具上， 由刀具绕两个互相正交的轴 转动以使刀具能指向空间任意方向。由于运动是顺序传递的，因而在两个转动轴 中，有一个的轴线方向在运动过程中始终不变，成为定轴，而另一个的轴线方向 则是随着定轴的运动而变化，成为动轴(动轴紧靠刀具)。对于定、动轴的配置， 理论上存在A-B, A-C, B-C, B-A, C-A和C-B等六种组合情况。但由于在A-C, B-C 的情况下动轴轴线与刀具轴线平行而没有意义，因此定、动轴的运动配置主要是 A-B, B-A, C-A和C-B等四种，这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂，一般 刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作(如装卡工件)较方便。 (2)工作台回转/摆动型 这种结构类型是指两个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理，它 与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的。这种结构也是定、动轴结构，只是 其动轴紧靠工件。对于其定、动轴的配置，理论上也有A，-B',A ，-C', B ’-C'、 B’-A',C’-A’和C’-B’等六种组合情况。但由于此时的定轴到刀具间只存在 平动，因而选C’轴作为定轴将不能改变刀具轴线的方向而失去意义，因此该类 型的定、动轴的运动配置分类是A’-B'、A，一C',B ’-C', B ’-A'等四种，而 且A，-B', A '-C', B ’-C', B ’-A’实质上也可看成是等效的结构(初始状态 不同)。 这类机床的主要特点是其旋转/摆动工作台刚性容易保证、 工艺范围较广， 而且容易实现。 但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构主要适合于中 小规格的机床用于加工体积不大的零件。 (3)刀具与工作台回转/摆动型 这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运动。这种结构不是定、动轴 结构，两个回转轴在空间的方向都是固定的。对于其两个转动轴的配置情况，若 按先后工件后刀具的顺序，则理论上也有A，-B', A’-C', B’-C', B’-A' 、C’ -A，和C’-B’等六种组合情况。显然，刀具绕其转动的轴不能取为平行于C，否 则同样将因不能改变刀具轴线的方向而失去意义。 因此该类型机床中的两个转动 轴的配置情况是A’-B', B ’-A' 、C’-A，和C’-B’等四种。这类机床的特点 介于上述两类机床之间。 对于五坐标机床，不管是哪种类型，由于他们具有两个回转坐标，相对于静 止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限 制)任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力，因此， 五坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果， 特别适

面向特征的整体叶轮五轴数控加工技术彭芳瑜,邹孝明,丁继东,李 斌(华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,湖北武汉430074)摘要:基于特征制定整体叶轮数控加工工艺,同时兼顾叶轮的工作要求和加工刚度,利用U G NX3.0提供的Interpolate 方式规划流道特征的开粗加工和精加工轨迹,Sw arf 方式规划叶片特征的侧铣加工轨迹。

经过仿真验证加工轨迹的合理性,最后使用配有HNC-22M 数控系统的五轴加工中心VM C-1100成功加工了整体叶轮。

关键词:整体叶轮;五轴加工;加工轨迹规划;侧铣;UG NX中图分类号:TP391.7 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2007)01-0051-03 叶轮是涡轮式发动机、汽车增压器等动力机械的核心部件,其加工技术一直是研究的焦点。

整体叶轮的结构复杂,规划加工轨迹时约束条件多,加工时易产生碰撞干涉,采用传统的铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法等较难保证叶片、流道以及叶片与轮毂倒角处的加工质量[1]。

五轴数控加工因具备有效避免干涉、可侧铣直纹面、切削状态良好等优点,从而成为提高整体叶轮加工效率和质量的首选。

目前,许多加工整体叶轮的企业多采用一些功能强大、界面良好、适用面广的通用型CAD/CAM 软件,如U G NX 、CAT IA 、Pro/Eng ineer 等。

本文基于整体叶轮的几何特征,利用大型通用CAD/CAM 软件UG NX3.0对其进行加工轨迹规划。

1 整体叶轮五轴数控加工工艺分析根据复杂型面零件的多轴数控加工特点,整体叶轮的五轴数控加工一般遵循如下的基本技术路线(如图1所示)。

图1 整体叶轮加工技术路线1.1 叶轮几何模型特征分析分析整体叶轮的叶片、流道等几何特征,确定叶片曲面、流道面和清根的特征参数,判断叶片曲面的类型,图2即为叶轮的基本几何特征。

整体叶轮的关键体素是叶片,叶片曲面可以分为直纹曲面和自由曲面(非直纹曲面),其中直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。

五轴数控编程加工案例介绍和分析前言当前模具制造行业中，三轴数控加工技术已经普遍应用并且相对成熟，但随着五轴数控技术的发展与推进，先进的五轴数控加工技术在市场上体现出了明显的优越性，故而引进五轴数控加工技术，建立一个高效率、高质量、短周期、低成本的产品生产框架来适应市场的发展，以求在市场竞争中立于不败之地已经成为我们必须面对的问题。

近段时间，珠海某大型电器模具厂采购我司的五轴数控编程软件PowerMILL，本人接受公司的任务，为该客户进行五轴技术的培训辅导，并结合实际加工进行模具的试切，实例指导客户应用五轴加工技术，让客户看到了客观具体的三轴加工与五轴加工两者的效率和质量对比数据。

本文即以此次培训五轴工件试切为例，禅述在电器注塑模具加工当中，五轴数控加工技术相对于传统的三轴数控加工技术的若干优越性。

一、五轴数控加工技术简述1、五轴刀轴和五轴刀轴控制五轴是由3个线性轴(Linear axis) 加上2个旋转轴(Rotary axis)组成。

五轴刀轴控制是CAM系统五轴技术的核心。

五轴CAM系统计算出每个切削点刀具的刀位点(X,Y,Z)和刀轴矢量(I,J,K)，五轴后处理器将刀轴矢量(I,J,K)转化为不同机床的旋转轴所需要转动的角度(A,B,C)其中的两个角度；然后计算出考虑了刀轴旋转之后线性移动的各轴位移(X,Y,Z)。

2、五轴机床类型按两旋转轴的运动位置结构来划分，可分为Table-Table、Head-Head、Table-Head三种类型。

1）Table-Table：此类型机床主轴方向不动，两个旋转轴均分布在工作平台上；工件加工时旋转轴随工作台旋转，加工时必须考虑装夹承重，可加工的工件尺寸比较小。

2）Head-Head：此类机床工作台不动，两个旋转轴均在主轴上。

机床可加工的工件尺寸比较大。

3）Table-Head：此类机床的两个旋转轴分别处于主轴和工作台上，工作台可以旋转，可装夹尺寸较大的工件；主轴可摆动，改变刀轴方向灵活。