高速加工與傳統(tǒng)切削加工相比，可以實(shí)現(xiàn)極小公差和極小步距加工，提高了功效，獲得高質(zhì)量的表面，簡(jiǎn)化了工藝流程，特別在模具制造業(yè)、薄壁等零件加工中顯示了極大的優(yōu)勢(shì)。葉輪作為機(jī)械傳動(dòng)裝置零部件，其設(shè)計(jì)、加工技術(shù)在制造行業(yè)中一直是個(gè)重要課題。由于零件本身的精度和質(zhì)量要求很高，型面的加工可直接影響到零件的工作性能，借助NX軟件是實(shí)現(xiàn)高效編程加工的有效途徑，利用了高速加工技術(shù)在提高生產(chǎn)率、減少熱變形、精度、表面質(zhì)量等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1 葉輪工藝流程分析

　　由于葉輪在高速旋轉(zhuǎn)下工作，對(duì)零件動(dòng)平衡及尺寸精度與形位精度要求很高，因此葉輪零件的技術(shù)要求包括尺寸、形狀、位置、粗糙度等幾何方面的高要求，還包括良好表面光順性、力求葉身表面紋理的統(tǒng)一。統(tǒng)一的流水線是最好的表面紋理，它在一定程度上限制了走刀方向及加工的刀路軌跡。

　　NX軟件加工零件操作流程：葉輪建模→工藝方法→創(chuàng)建程序、幾何體、刀具、方法→創(chuàng)建操作：設(shè)置驅(qū)動(dòng)、刀軸、投影矢量、切削參數(shù)、非切削移動(dòng)等→生成刀軌→仿真驗(yàn)證→后處理→實(shí)際加工。基于葉輪工作特點(diǎn)及技術(shù)要求分析，葉輪高速加工工藝流程規(guī)劃如圖1所示，刀具選用及切削參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 葉輪高速加工工藝流程

表1 加工葉輪采用刀具切削加工參數(shù)表

2 葉輪加工技術(shù)

　　2.1 葉輪粗加工

　　型腔銑是大多數(shù)復(fù)雜零件粗銑加工主要方式，葉輪粗加工可使用3軸的型腔銑切削方式進(jìn)行。

　　(1)加工前準(zhǔn)備

　　完成葉輪建模后，如圖2所示選擇“mill_contour”型腔銑加工環(huán)境；設(shè)置毛坯上面中心為加工坐標(biāo)系；并依次創(chuàng)建表1的4把刀具并命名：

　　TID10R2、T2D10、T3R3、T4R2，如圖3所示；打開(kāi)“銑削幾何體”對(duì)話框，分別選定毛坯及部件。

圖2 設(shè)置型腔粗銑加工環(huán)境

圖3 設(shè)置5參數(shù)刀具

　　(2)創(chuàng)建型腔銑操作

　　在“創(chuàng)建操作”對(duì)話框中，依次選擇子類(lèi)型“CAVITY_MILL”、程序“NC_PROGRAM”、刀具“TID10R2”、幾何體“WORKPIECE”、方法“MILL_ROUGH”，參數(shù)設(shè)置如圖4所示，注意在選擇相關(guān)參數(shù)時(shí)是在前期設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)行的，需保持一致；刀軌參數(shù)為“跟隨周邊”、“%刀具平直”75、“全局每刀深度”1，設(shè)置切削參數(shù)“策略”為深度優(yōu)先、選“島清理”、“余量”0.5、“空間范圍”中“毛坯”選擇“使用3D”、“主軸轉(zhuǎn)速”為12000、“進(jìn)給率”為5000；最后生成刀軌，確認(rèn)仿真加工，如圖5所示。

圖4 粗加工操作參數(shù)設(shè)置

圖5 生成粗加工刀軌及仿真加工結(jié)果

　　2.2 葉輪半精加工

　　半精加工使用5軸深度加工，“外形輪廓加工”驅(qū)動(dòng)方式，投影矢量為“朝向點(diǎn)”。

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話框中需注意選擇“mill_multi_axis”類(lèi)型，其余選擇“ZLEVL_5AXIS”、“PRO_GRAM”、“I2R3”、“WORKPIECE”、“MILL_ROUGH”，如圖6所示；“指定切削區(qū)域”為葉輪弧形面和葉片曲面，選擇刀軸的傾斜方向?yàn)?amp;ldquo;遠(yuǎn)離點(diǎn)”，并通過(guò)點(diǎn)構(gòu)造器設(shè)置參照點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，-200)，設(shè)置“傾斜角”為50，最大壁高為45；設(shè)置刀軌中全局每刀深度為0.5，切削順序?yàn)?amp;ldquo;深度優(yōu)先”，設(shè)置切削參數(shù)“策略”選項(xiàng)卡，設(shè)置“在邊上延伸”，余量為0.1，主軸速度為15000，進(jìn)給率為2000；最終生成半精加工刀軌，仿真顯示，如圖7所示。

圖6 五軸半精加工操作參數(shù)設(shè)置

圖7 生成葉輪表面五軸半精加工刀軌及仿真加工結(jié)果

　　2.3 葉輪精加工

　　2.3.1 精加工葉輪內(nèi)孔和臺(tái)階面

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話框中，先需選擇“mill_contour”類(lèi)型，并依次設(shè)置：“ZLEVL_PROFILE”，“PRO_GRAM”、“T3D10”、“WORKPIECE”、“MILL_FINISH”，指定切削區(qū)域?yàn)閮?nèi)孔表面；在葉輪內(nèi)孔與臺(tái)階面精加工中，需注意加工參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置刀軌中全局每刀深度為0.5，所有刀路、半徑為30，步距限制為150，最小拐角0，最大拐角175，“策略”選項(xiàng)卡中，選“在邊上延伸”，設(shè)置余量0.1，設(shè)置“連接”選項(xiàng)卡：沿部件交叉斜進(jìn)，傾斜角度30，選擇“在層之間切削”，步距15，選“短距離移動(dòng)上的進(jìn)給”為25，步距為15，主軸速度為8000，進(jìn)給率為1500；最后生成葉輪內(nèi)孔面精加工刀軌，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 生成葉輪內(nèi)孔面精加工刀軌及仿真加工結(jié)果

　　在操作導(dǎo)航器中復(fù)制孔精加工操作，選擇葉輪的臺(tái)階面為操作加工的區(qū)域，其余參數(shù)不變，最后生成臺(tái)階側(cè)面的精加工刀路，如圖9所示。

圖9 生成葉輪臺(tái)階面精加工刀軌及仿真加工結(jié)果

　　2.3.2 精加工葉輪弧形面

　　葉輪弧形面需劃分為若干區(qū)域來(lái)分別切削，此例分為10片葉片，故分成10部分。

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話框中，根據(jù)表面加工特點(diǎn)選“null_multi_axis”類(lèi)型，其余依次選“VARIABLE_CONTOUR”，“PROGRAM”、“T4R2”、“MCS_MILL”、“MILL_FINISH”，設(shè)置如圖10所示；設(shè)置可變軸輪廓部件幾何體為全部葉輪弧形面，指定切削區(qū)域?yàn)榉指詈蟮娜~輪弧形面之一。

圖10 可變軸輪廓操作參數(shù)設(shè)置

　　在弧形面精加工中重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)方式的選擇，選擇驅(qū)動(dòng)為“流線”，重新選擇流曲線及添加交叉曲線，如圖11所示，設(shè)置驅(qū)動(dòng)步距數(shù)為20，投影矢量為指定矢量，并選Z軸，刀軸為垂直于部件或驅(qū)動(dòng)體，主軸速度為8000，進(jìn)給率為1500；最終生成如圖12所示葉輪單片弧形面的精加工刀路，用同樣辦法復(fù)制生成其余9片弧形面的精加工軌跡。

圖11 動(dòng)流線選擇

圖12 生成葉輪單片弧形面的精加工刀路

　　2.3.3 葉片精加工

　　葉片為復(fù)雜曲面，其精加工可使用可變軸曲面輪廓銑的“表面積”驅(qū)動(dòng)方式，且投影矢量垂直于驅(qū)動(dòng)體，刀軸為側(cè)刃驅(qū)動(dòng)。在創(chuàng)建操作時(shí)，選“mill_multi_axis”類(lèi)型、刀具使用“T3R2”，指定切削區(qū)域選擇為單個(gè)葉片的曲面，設(shè)置葉片上除倒圓角外的其余3個(gè)面為驅(qū)動(dòng)體，注意選擇時(shí)須依次選擇，且選擇的面必須依次相連，步距數(shù)為30，如圖13所示；并設(shè)置投影矢量為垂直于驅(qū)動(dòng)體，側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體為刀具夾持器的矢量方向，主軸速度為8000，進(jìn)給率為1500，生成葉輪葉片的精加工刀路如圖14示；同理生成其余9片葉片的精加工軌跡。

圖13 葉片驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置

圖14 生成葉片的精加工刀路

　　2.3.4 清角加工

　　葉片根部倒圓清角加工，可以使用可變曲面輪廓的“流線”驅(qū)動(dòng)方式來(lái)操作，部件幾何體和切削區(qū)域幾何體換成了單個(gè)倒圓角面，流線驅(qū)動(dòng)幾何體保留程序默認(rèn)的指定，且加工步距數(shù)為10，投影矢量選為垂直于驅(qū)動(dòng)體，刀軸為4軸，相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體，并設(shè)置前傾角為5，側(cè)傾角為15，生成刀路如圖15所示，注意在創(chuàng)建傾角操作時(shí)，選擇幾何體父組對(duì)象為MCS_MILL。同理生成其余9條倒圓清角加工刀路，應(yīng)用同樣方法生成葉片頂面精加工刀路，如圖16所示。葉片頂面的精加工也可使用可變軸輪廓銑的表面積驅(qū)動(dòng)。

圖15 清角精加工刀路

圖16 葉片頂面精加工刀路

　　2.4 后處理

　　高速加工設(shè)置完成后，在導(dǎo)航器中分別選擇不同的加工操作，再通過(guò)選擇不同后處理器即可輸出程序清單，注意在后處理生成程序清單時(shí)，單位選擇“公制/部件”，如圖17所示為生成的型腔粗銑程序清單。

圖17 生成型腔銑程序清單

　　2.5 數(shù)控仿真加工驗(yàn)證

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證零件的實(shí)際加工，在缺乏高速多軸數(shù)控機(jī)床的條件下，借助于數(shù)控仿真軟件進(jìn)行仿真加工驗(yàn)證，此處只驗(yàn)證3軸粗銑操作，輸入程序時(shí)需把程序清單的文件格式“ptp”轉(zhuǎn)換為“cnc”，程序首行“G70”指令改為“G54”，并在程序末尾添加“M05”停機(jī)床主軸指令。圖18所示為數(shù)控仿真軟件仿真加工結(jié)果，仿真加工結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了程序的有效性。

圖18 應(yīng)用數(shù)控仿真軟件3軸粗銑仿真加工結(jié)果

3 結(jié)論

　　選取在實(shí)際應(yīng)用中具有典型復(fù)雜形狀的葉輪零件進(jìn)行高速加工設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了基于NX7.0/CAM模塊操作流程，通過(guò)分析其加工工藝流程與參數(shù)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)用三軸粗銑大部分余量，然后應(yīng)用五軸進(jìn)行半精加工，最后通過(guò)深度輪廓、可變軸輪廓、清角加工等方法對(duì)葉輪零件分部進(jìn)行精加工，實(shí)現(xiàn)了基于軟件的快速高效編程，并借助數(shù)控仿真加工軟件進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了程序與仿真過(guò)程的真實(shí)可靠性，可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。