基于NX（UnigraphicsNX）的叶片零件多轴数控加工研究

引言

    数控加工是一种可编程的柔性加工方法。数控机床正朝着高速、高精、高柔性、复合化的方向发展，由于其费用相对较高，故适用于精度高、形状复杂的零件的加工，而叶片零件公差带小，其型面多为复杂的空间曲面，需要制造专用的工装夹具，成批量生产要求精确复制，一直是数控加工的应用对象。叶片一般是汽轮机、水轮机等机械设备中的关键零件，在航天、航空、汽车及能源领域都有非常广泛的应用，叶片总体上是由叶冠、叶身和叶根三个部分构成。但是数控编程是整个叶片加工关键步骤，也是叶片零件加工过程中的瓶颈，加工叶片专用的数控加工软件可以减少编程人员的工作量提高叶片类零件的制造精度。UnigraphicsNX的CAM模块具有很高的计算速度、强大的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、刀具轨迹编辑优化功能、加工残余分析等功能。

1 叶片的CAD建模

    1.1构建截面线

    叶片的造型是按照型值点到型线再到叶身曲面的过程进行的。每条型线由内弧曲线、背弧曲线、出汽边圆弧曲线和进汽边圆弧曲线四部分组成，如图1（a）所示。造型时先对型线上四部分曲线分别造型并连接成一条型线，再使用造型技术创建一个沿着一定方向通过一组型线的叶身曲面。

    1.2构建曲面

    在没有提供可参考的实体情况下，可以根据产品图上的要求利用AUTOCAD的LISP程序将圆弧型型线数据读入到CAD中生成DWG文件大致地检查数据的正确性，再用UG与AUTOCAD的转换功能将数据读入到UG中。在UG中将每个截面的型线分成4段：内弧曲线、背弧曲线、出汽边圆弧曲线和进汽边圆弧曲线侧。采用NURBS曲面逼近方法进行曲面造型。发现型面上有凹坑时利用曲率分析功能按工艺要求修正型线直到型面光滑为止，如图1（b）所示。

    图1 叶片的造型图

2 叶片的加工工艺和UGCAM的数控编程

    叶片数控加工的工艺一般是内、背弧面固定铣削。铣内弧面时定位对准内弧轴向定位线然后压紧，铣背弧面时定位对准背弧轴向定位线然后压紧。设置内弧型面的加工坐标算出进、出汽边的边界编制粗铣进、出汽边的刀具轨迹。编制内弧型面和背弧型面程序时应尽量减少空行程缩短加工时间。

    使用UG／Open API函数实现的该模块主要实现刀具加工轨迹计算和数控加工代码文件生成两种功能。在叶片CAM模块中根据叶片加工工序将加工分为叶片粗加工、叶片半精加工、精加工三个部分。用户可以根据具体的情况，选择生成需要的数控加工代码。对于以上三种加工来说它们实现的方法和产生的刀具加工轨迹都是不同的需要根据叶片加工工艺确定。具体实现过程如下：

    （1）获取加工参数。加工参数是由用户输入用来控制刀具运动及加工后叶片表面几何状态的一组参数。

    （2）获取加工使用刀具参数。获得刀具对话框中的加工刀具参数并将其保存到加工刀具参数结构体cutter-Param中。

    （3）建立叶片加工毛坯。精加工毛坯创建是将叶片型线型值点进行偏置，获得叶片毛坯型线型值点，再按照叶片三维参数化设计的方法建立叶片毛坯几何体。

    （4）创建加工使用刀具。加工使用刀具是通过UG／Open API函数创建的，刀具创建后将储存在cutter-Param结构体中的刀具参数设置到该刀具中，完成刀具的创建。

    （5）建立加工操作父节点组。UGCAM的节点有四种：即程序、几何体、刀具及加工方法。节点既可以被父节点所拥有，也可以拥有子节点。从而形成树形分支结构。通过节点的使用可以方便地创建加工操作。

    （6）利用UGCAM平台进行数控铣削刀具轨迹设计。其核心内容主要包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、数控机床后处理与数控机床加工仿真模拟等方面的工作。由于多轴联动加工时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，加工编程的难度很大。所以叶片的加工可以利用铣刀的侧刃对空间的曲面进行加工，避免球头刀的R切削，能大幅度提高曲面粗精加工的效率。仿真加工可以生成刀具路径，可以同时生成粗精加工程序，并通过刀具路径模拟来观察刀具路径是否正确。同时使用实体切削验证来进行观察刀具路径是否正确。刀具路径仿真轨迹如图2所示。

    图2 叶片加工仿真轨迹

    （7）后处理。UGNX系统分为主处理程序和后置处理程序两大部分，主处理程序针对加工对象，加工系统建立3D模型，计算刀具轨迹，生成NCI文件（刀具路径文件）。NCI文件是一个用ASCII码编写包括NC程序的全部资料的文件。后置处理系统配置了适应单一类型控制系统的通用后处理，该后置处理提供了一种功能数据库模型，用户根据数控机床和数控系统的具体情况，可以对其数据库进行修改和编译，定制出适应某一数控机床的专用后置处理程序。NC代码生成可通过UG二次开函数UF_SETUP_generate_program（…）实现。该函数遍历指定程序父节点组中所有的加工操作，并生成数控加工代码。使用该函数前需要建立一个*.ptp文件用来保存数控加工代码，使用时将*.ptp文件的名称及选择的加工机床文件输入该函数。该函数定义了切削加工参数、NC程式格式、辅助指令，接口功能等。最后将程序文件保存并通过网络传输给叶片加工使用的机床完成叶片的加工。以西门子（SIEMENSE-840D系统）五轴联动立式加工中心为例的后处理程序（略）。

3 结束语

    数控编程软件编制复杂曲面的加工程序，加快了数控多轴联动机床的发展。应用UG软件对叶片的多轴联动数控加工，简化了数控程序的编制，一次完成叶身型面的加工，极大地减轻了后续抛光工序的工作量，大大提高了加工质量和生产效率，同时提高了设备的利用率。并且取得了良好的经济效益。