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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。
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。
整体叶轮的五轴数控编程与加工
2009-04-13 15:13:17 作者：张家口煤矿机械制造高级技工学校任涛来源：《CAD/CAM与制造业信息化》
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叶轮又称工作轮，离心式压缩机中唯一对气流作功的元件，转子上的最主要部件。
一般由轮盘、轮盖和叶片等零件组成。
气体在叶轮叶片的作用下，随叶片作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮的压力得到提高。
对叶轮的基本要求是：
1.能给出较大的能量源。
2.气体流过叶轮的损失要小，即气体流经过叶轮的效率要高。
3.气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小。
4.叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。
常分为闭式、半开式和开式叶轮。
叶轮的建模可分为轮毂曲面(Hub)以及叶片曲面(Blade)两部分,叶片又包含包覆曲面(Shr oud
Surface)、压力曲面(Pressure Surface)和吸力曲面(Suction Surface)，如图1所示。
叶轮轮毂面及叶轮盖分别由叶片中性面根部曲线和叶片中性面顶部曲线绕Z轴旋转而成。
经过旋转轴Z的设计基准面为子午面。
中性面是处于叶片压力面和吸力面中间位置的曲面。
对于轮毂曲面和包覆曲面，可分别由叶片根部曲线和叶片顶部曲线绕Z轴回转而成，故在整体叶轮的建模过程之中，把叶片的建模放在轮毂曲面和包覆曲面建模之后。
叶轮类零件构成的一般形式是若干组叶片均匀分布在轮毂的曲面上。
一组叶片中可能只有一个叶片，也可能有若干个叶片。
前一种情况的叶片分布称为等长叶片，后一种的叶片形式主要指含有小叶片，一般称为交错叶片。
本例的整体叶轮产品效果，如图2所示。
一、整体叶轮结构加工工艺分析
在本实例中，需要对整体叶轮的流道、叶片和圆角主要曲面进行加工，如图3所示。
另外，在叶片之间有大量的材料需要去除。
为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。
根据本例具体情况加工难点如下：
(1)加工槽道变窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形。
(2)槽道最窄处叶片深度超过刀具直径的8倍以上，相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，切削深度的控制也是加工的关键技术。
(3)本例的整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并且有明显的后仰趋势，加工时极易产生干涉，加工难度较大。
有些叶轮由于有副叶片，为了避免干涉，要分段加工曲面，因此，保证加工表面的一致性也有困难。
整体叶轮加工技术要求包括尺寸、形状、位置、表面粗糙度等几何方面的要求，也包括机械、物理、化学性能的要求。
再对叶轮进行加工前，必须对叶轮毛坯进行探伤检查。
叶轮叶片必须具有良好的表面质量。
精度一般集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面，表面粗糙度值应小于Ra0.8μm，截面间的型面平滑过度，另外叶身的表面纹理力求一致，一致的流水线是最好的纹理表面，但这样又限制了走刀方向，从而在一定程度上限制了加工的刀具轨迹。
整体叶轮在工作中为了防止振动并降低噪音，所以整体叶轮对动平衡性的要求很高，因此在加工过程中要综合考虑叶轮的对称问题，在进行CAM编程时可利用叶片，流道等关于叶轮旋转轴的对称性的加工表面，可采用对某一元素的加工来完成对相同加工内容不同位置的操作，如本例应用了旋转阵列加工的操作。
另外，应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。
二、整体叶轮加工工艺准备
1.机床准备:采用立式五轴联动高速加工中心,数控机床主要参数X轴行程900mm , Y轴行程600mm,Z轴行程550mm,C轴旋转范围0°—360°,B轴摆动范围-90°--90°,刀库容量40刀位,数控系统为SIEMENS 840D。
如图4所示。
2.刀具准备：采用HSK高速刀柄，由于加工时叶片的纹理要求所使用的刀具切削刃长度应大于70mm，刀具总长度应大于120mm,并采用整体硬质合金涂层刀具。
3.工装准备：要求安全可靠，体积小、质量轻，以减小加工时的惯性力矩对工件加工精度的影响。
另外，装卸工件要简洁方便。
4.测量准备：对于叶轮这样的复杂型面，手工方法无法确定精度，主要采用三坐标测量机进行型面数据检测。
把采集到的数据与几何建模实体进行比较来检测加工精度。
5.编程软件的准备：目前，国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用加工软件，主要有美国NREC公司的MAX-5、MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床带有的整体叶轮加工模块，还有HyperMill等专用的加工软件。
此外，一些通用的CAD/CAM软件如UG、CATIA、Delcam等也可用于整体叶轮的加工，本例应用的是UG NX通用编程软件。
三、整体叶轮的数控加工工艺过程
工序1φ16R2圆鼻刀粗加工
工序1的具体内容如表1所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图5、6所示。
工序2φ16R2圆鼻刀开粗加工
工序2的具体内容如表2所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图7、8所示。
工序3φ12R6球头刀半精加工
工序3的具体内容如表3所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图9、10所示。
工序4φ12R6球头刀精加工
工序4的具体内容如表4所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图11、12所示。
工序5φ10R5球头刀除流道残料加工
工序5的具体内容如表5所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图13、14所示。
工序6φ10R5球头刀清根加工
工序6的具体内容如表6所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图15、16所示。
工序7多刀具清角加工
工序7的具体内容如表7所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图17、18所示。
四、整体叶轮的数控加工注意事项
1.注意刀轴的方向，避免产生干涉。
同时注意在进刀和退刀的过程，尤其是在退刀时，应沿设定的退刀方向退出工件型面，避免发生干涉，在对叶片的清角加工轨迹中，合理设置的进/退刀方向和距离。
如图19所示。
2.注意装夹位置合理，避免刀具与夹具碰撞。
3.在装夹时注意加工中心的行程，避免超行程。
