基于NX和VERICUT的叶轮五轴车铣复合加工技术研究

    在计算机辅助设计与制造技术和数控多轴加工技术迅猛发展之前，整体式叶轮如图1所示）加工一般采用铸造成形后再由钳工抛光的加工方法，在加工质量与加工效率上有明显缺陷。普通的三轴数控机床，由于没有旋转轴，刀轴方向是固定的，在加工叶片时，叶片面优其是吸力曲面）必然存在背对刀轴的情况，产生加工干涉的现象。五轴加工中心配备了两根旋转轴，使刀轴能够相对工件旋转，通过五轴联动避免了叶片加工的干涉，能够完成叶轮的铣削加工。而五轴车铣复合加工中心相当于一台五轴加工中心和一台车削中心的复合，可以在一台车铣中心上，经过一次装夹完成全部车、铣、钻、镗攻丝等加工，对于叶轮这类回转类复杂工件的加工尤为适用。车削和铣削工序合并后，使工序高度集中，避免了多次装夹带来的定位误差，大大提高了加工精度与效率。

图1 整体式叶轮

1 零件工艺分析

    本文中的加工设备是HTM4075车铣复合加工中心，该型号机床是由沈阳机床股份有限公司生产的第四代五轴车铣加工中心机床，控制系统为SIEMENS 840D。适用于军工、石油、航空航天、船舶、运输等行业，能够满足高精度、形状复杂的大型回转体零件加工的要求。

    工件毛坯为200mm的棒料，需要完成整体叶轮的包覆曲面、流道、叶片和圆角主要曲面的加工。对于车铣复合加工中心，可以一次性完成叶轮外轮廓(包覆曲面)的车削和叶片面与流道面的五轴铣削。工件加工工序卡片如表1所示。

表1 工件加工工序卡片

2 基于NX的刀轨生成

2.1 车削加工模块

    通过剪裁叶轮的包覆曲面可以得到叶轮的外轮廓曲线，将它导入到NX车削加工模块中，可以对外轮廓进行粗精车。为减少铣削余量，钻孔后还可粗镗叶轮顶面轮廓，提高加工效率。通过定义部件和毛坯边界、进给量、主轴转速、加工余量、进退刀和走刀路线生成合理的刀具轨迹，如图2所示。

图2 车削刀具轨迹

2.2 多轴铣削加工模块

2.2.1 通道粗加工

    通道粗加工采用五轴定向多工位型腔铣，即3+2方式。在切削时，B、C轴固定在朝向流道方向上，刀具只作三轴联动，分层粗加工流道；一个通道粗加工完成后，C轴旋转一定角度，再分层粗加工下一个通道。在创建型腔铣操作时，应注意指定合理的刀轴矢量，如果刀轴矢量过于偏向某一叶片，刀轴被某一叶片挡住而看不到通道的所有区域，则会发生干涉现象。生成一个通道的刀路后，用刀路变换命令对其余通道开粗。

2.2.2 叶片面加工

    NX多轴加工模块中的可变轴轮廓铣操作(VARIABLE_CONTOUR)提供了9种驱动方法和18种刀轴控制方式，可以生成对叶片面和流道面这类复杂曲面的五轴加工刀路。

    设置驱动方法时，采用曲面嚷面积）驱动，将叶片面作为驱动几何体，利用曲面百分比可以延伸曲面，使刀路更好地切入切出；剖切方向选择顺铣方向，材料方向向外。

    刀轴控制方式可采用侧刃驱动或刀轴插补功能。侧刃驱动是指由驱动表面来支配刀具侧面沿驱动曲面上剖切方向移动，可以通过定义侧刃加工侧倾角如图3所示）来控制侧刃与驱动面划线之间的角度。

图3 侧刃加工侧倾角设置