基于NX&VERICUT整体式叶轮五轴数控加工与仿真

0 引言

　　整体叶轮是航空发动机和各类透平机械的关键部件，广泛应用于航空、汽车、能源等领域，其结构特点是叶片薄，扭曲大，叶片间隔小。整体叶轮属于复杂的曲面体零件，可以采用铸造加工、电火花加工、电解加工及数控铣削加工等加工方法。数控加工柔性好，可加工复杂形状叶轮，表面质量好，效率高，适用广泛，因此用数控机床加工叶轮是目前被广泛采用的一种制造方法。国内外很多学者对此进行了研究。目前采用通用的CAD/CAM软件来编制叶轮的数控加工程序，应用较多的有NX、MASTERCAM、CIMATRON等。由于零件形状复杂，在CAD/CAM中生成的刀具轨迹考虑了干涉问题，但没有考虑到机床的具体结构，不能确保数控程序的正确性和加工过程的安全性。

　　VERICUT是专为制造业设计的CNC数控机床加工仿真和优化软件，利用仿真加工，可以验证数控程序的正确性，减少零件首件调试的风险，增加程序的可信度；模拟数控机床的实际运动，减少实际的切削验证，检测潜在的碰撞错误，降低机床碰撞的风险。本文采用VERICUT软件主要解决的问题有：①通过模拟整个加工过程，进行干涉检查，检测加工过程中的碰撞干涉现象和加工后的零件是否出现局部过切或欠切；②验证了数控加工程序和后处理器的正确性。

1 整体叶轮五轴数控加工工艺规化

　　整体叶轮的用途多种多样，其结构形式和叶片构造也各不相同。根据叶片曲面构造方式的不同，整体叶轮可分为直纹曲面叶轮和自由曲面叶轮。本文的研究对象为直纹曲面叶轮，如图1所示。

    图1 整体式叶轮

　　1.1 整体叶轮的加工阶段划分

　　整体叶轮的加工主要包括叶片、流道面和叶根圆角等曲面的加工，大约占整个毛坯材料的60%左右。根据零件的复杂程度可将整个数控加工过程划分成不同阶段。本文中叶轮零件结构较为简单，叶片扭曲小，且叶片为直纹面，所以把叶轮数控加工过程划分成两个阶段，粗加工和精加工。粗加工的任务是尽快去除大量整体叶轮各个表面多余的材料，加工出整体叶轮的大致轮廓，为精加工做准备。接下来精加工是整个加工阶段中最重要的阶段，其目的是为了获得设计的加工精度和表面质量。精加工又可细分为叶片精加工、流道面精加工和叶根圆角精加工。

　　整体叶轮数控加工阶段流程如下：加工叶轮轮身（毛坯加工）——叶片流道面粗加工——叶片、叶根圆角粗加工——叶片、叶根精加工——流道面的精加工。

　　1.2 刀具的选择

　　选择刀具时应综合考虑毛坯的材料、机床类型、允许的切削用量、刀具刚性和耐用度等因素，当然也要考虑加工的成本。粗加工时，多选择平底立铣刀，也可以选择带有圆角的环形刀，这种刀具有效切削面积大，切除材料效率高。精加工多采用球头铣刀，为保证刀具刚性，可采用锥柄球头铣刀。

　　根据叶轮的加工阶段，选用的刀具包括：①球头刀R4×50mm，刃长40mm，带2°的锥角，整体合金刀，用于叶轮的开粗；②球头刀R5×55mm，刃长45mm，整体合金刀，用于叶轮精加工。

　　1.3 刀具轨迹的生成

　　整体叶轮采用五坐标数控加工，因为多了两个转动轴，所以可以加工复杂的零件，但也带来了干涉问题。叶片扭曲且间隔小的特点，流道面的加工采用点铣，加工流道面的过程中为了避免与叶片的干涉，刀轴矢量不能垂直于流道面，可以采用刀轴矢量指向于某一点的方法来避免与叶轮的干涉。叶片是直纹曲面，可以采用侧铣法加工，即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面。

　　目前采用通用的CAD/CAM软件来编制叶轮的数控加工程序。本文采用NX7.0，根据叶轮的加工阶段生成了刀具轨迹，包括流道面的开粗和精加工，叶轮以及叶根圆角的粗加工和精加工。

　　1.4 后置处理

　　经过NX生产的刀位文件还不能直接使用，需要经过后置处理转换成数控机床能执行的数控程序，并输入机床才能进行零件数控加工。本文采用NX自带的后置处理和制作机床描述信息模块，选择机床模型为“5-Ax Mill Vertical AC-Table”，立式带AC旋转工作台的五轴数控铣床，控制系统为Heiden-hainTNC，最后生成了能够加工整体叶轮的G代码。