基于ug、vericut和production module复杂曲面数控加工仿真与优化
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关键词:复杂曲面曰叶轮曰数控加工曰加工仿真曰优化 Key words: complex curved surface曰impeller曰CNC machining曰machining simulation曰optimization
0 引言 整体叶轮作为透平机械的核心部分，广泛应用于水 利、汽车、航空、航天等重要领域，涉及空气动力学、流体力 学等多个学科。其结构特点是叶片薄、呈三维弯扭复合结 构、叶片间隔小，加工中易发生撞刀、干涉等难题。因此，在 加工前利用数控加工仿真软件进行仿真验证、利用优化软 件对程序进行优化是很有必要的。[1-5] 本文利用 UG NX8.5 对整体叶轮叶片、流道等主要部 位进行刀具轨迹规划，通过后置处理器优化生成数控代 码，之后利用 VERICUT 仿真软件进行运动仿真，检查干 涉、碰撞等现象，最后运用 Production Module 软件对叶轮 加工进行优化分析。 1 叶轮加工工艺 整体叶轮的结构主要由轮毂曲面（也称为流道曲面）、 叶片和叶片根部圆角组成，而叶片曲面由压力曲面、吸力 曲面和包覆曲面构成，如图 1 所示。
为了加工出符合技术要求的整体叶轮，必须全面地分 析整体叶轮的结构，对叶片曲面、扭转角度、过渡圆角等进 行认真分析核实，从而制定出合理的加工方案。
1.1 整体叶轮加工工艺分析 整体叶轮需要加工的位置主要划分为叶片、流道和根 部圆角。每部分的加工侧重点都有所不同，因此在制定工 艺路线时既要保证叶轮的加工质量，又要保证生产效率和 经济节约。通常要遵循基准在先、工序合理、先粗后精、分 面加工的工艺原则。 1.1.1 整体叶轮加工工艺阶段划分 根据上述的工艺原则要求，将叶轮的加工划分为三个 阶段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是为了尽 快地去除叶轮毛坯上多余的大量的材料，加工出叶轮的基 本形状，这个过程注重效率；半精加工是进一步去除余量， 生成加工余量比较均匀的叶轮表面，为精加工做准备，这 个过程加工效率与加工质量兼顾；精加工是保证零件的加 工尺寸和加工精度、粗糙度等完全符合图纸技术要求。 1.1.2 加工刀具的选择 首先，采用的铣刀不仅要具有良好的切削性能、排屑和 断屑性能，而且铣刀几何形状要适应曲面加工。其次，由于 叶片之间的空隙有限，所选用刀杆刚度有要求，否则在加工 过程中容易发生震颤，严重可导致刀杆折断。因此，在机床 功率、铣头转速范围和机床刚性足够的条件下，利用仿真软 件采用不同直径刀具进行计算，尽量采用大直径刀具以提 高加工效率。[6]根据上述工艺原则对刀具做出如下分析：淤
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内燃机与配件
根ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ顶部开粗材料去除率大的特点，选用端铣刀进行加工，
表 2 叶轮加工刀具列表
以提高加工效率；于流道和叶片的加工选用球头刀；盂叶片 根部圆角的清根，采用球头半径与根部圆角相同，且锥度为 2毅的球头锥形刀对叶片根部圆角进行精加工。
图 1 整体式叶轮结构
整体叶轮的叶片是扭转角度较大的复杂曲面，叶片与 流道面之间需要圆角过渡来保证叶片根部的强度。这些结
构都会大大增加制造难度，具体分析如下：淤叶片曲面扭 转角度大，叶片之间的空间相对较小，加工时刀具方向控 制需要特别严格，稍有不慎就会发生过切，碰撞等危险。于 由 于 加 工 空 间 受 限，选用 刀 具 直 径 相 对 较 小 ，加 工 中 易 产 生刀具震颤和刀具折断等问题。盂叶片较薄，加工过程中 容易出现弯曲变形。
张文健 ZHANG Wen-jian曰孙星星 SUN Xing-xing
（天津机电职业技术学院，天津 300350） （Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity，Tianjin 300350，China）
摘要院在复杂曲面数控加工中袁整体叶轮的加工具有很强的代表性袁本文根据整体叶轮的结构特点分析了数控加工工艺路线曰通 过 UG 设置刀具走刀轨迹袁 UG/Post Builder 后置处理器生成 NC 代码曰 运用 VERICUT 软件进行了数控加工仿真曰 运用 Production Module 软件对叶轮加工进行了优化分析遥 避免了碰撞和干涉尧降低生产成本尧提高了生产率遥
Abstract: In the NC machining of complex curved surface, the machining of integral impeller is very representative. This paper analyzes the NC machining process route according to the structural characteristics of integral impeller. The tool path is set by UG, and the post processor of UG/Post Builder generates NC code. The numerical control machining simulation is carried out by VERICUT software. The Production Module software is used to optimize the impeller processing. Collision and interference are avoided, production cost is reduced, and productivity is improved.
Internal Combustion Engine & Parts
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基于 UG尧VERICUT 和 PRODUCTION MODULE 复杂曲面数控加工仿真与优化
Simulation and Optimization of NC Machining of Complex Surfaces Based on UG, VERICUT and PRODUCTION MODULE
0 引言 整体叶轮作为透平机械的核心部分，广泛应用于水 利、汽车、航空、航天等重要领域，涉及空气动力学、流体力 学等多个学科。其结构特点是叶片薄、呈三维弯扭复合结 构、叶片间隔小，加工中易发生撞刀、干涉等难题。因此，在 加工前利用数控加工仿真软件进行仿真验证、利用优化软 件对程序进行优化是很有必要的。[1-5] 本文利用 UG NX8.5 对整体叶轮叶片、流道等主要部 位进行刀具轨迹规划，通过后置处理器优化生成数控代 码，之后利用 VERICUT 仿真软件进行运动仿真，检查干 涉、碰撞等现象，最后运用 Production Module 软件对叶轮 加工进行优化分析。 1 叶轮加工工艺 整体叶轮的结构主要由轮毂曲面（也称为流道曲面）、 叶片和叶片根部圆角组成，而叶片曲面由压力曲面、吸力 曲面和包覆曲面构成，如图 1 所示。
为了加工出符合技术要求的整体叶轮，必须全面地分 析整体叶轮的结构，对叶片曲面、扭转角度、过渡圆角等进 行认真分析核实，从而制定出合理的加工方案。
1.1 整体叶轮加工工艺分析 整体叶轮需要加工的位置主要划分为叶片、流道和根 部圆角。每部分的加工侧重点都有所不同，因此在制定工 艺路线时既要保证叶轮的加工质量，又要保证生产效率和 经济节约。通常要遵循基准在先、工序合理、先粗后精、分 面加工的工艺原则。 1.1.1 整体叶轮加工工艺阶段划分 根据上述的工艺原则要求，将叶轮的加工划分为三个 阶段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的目的是为了尽 快地去除叶轮毛坯上多余的大量的材料，加工出叶轮的基 本形状，这个过程注重效率；半精加工是进一步去除余量， 生成加工余量比较均匀的叶轮表面，为精加工做准备，这 个过程加工效率与加工质量兼顾；精加工是保证零件的加 工尺寸和加工精度、粗糙度等完全符合图纸技术要求。 1.1.2 加工刀具的选择 首先，采用的铣刀不仅要具有良好的切削性能、排屑和 断屑性能，而且铣刀几何形状要适应曲面加工。其次，由于 叶片之间的空隙有限，所选用刀杆刚度有要求，否则在加工 过程中容易发生震颤，严重可导致刀杆折断。因此，在机床 功率、铣头转速范围和机床刚性足够的条件下，利用仿真软 件采用不同直径刀具进行计算，尽量采用大直径刀具以提 高加工效率。[6]根据上述工艺原则对刀具做出如下分析：淤
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根ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ顶部开粗材料去除率大的特点，选用端铣刀进行加工，
表 2 叶轮加工刀具列表
以提高加工效率；于流道和叶片的加工选用球头刀；盂叶片 根部圆角的清根，采用球头半径与根部圆角相同，且锥度为 2毅的球头锥形刀对叶片根部圆角进行精加工。
图 1 整体式叶轮结构
整体叶轮的叶片是扭转角度较大的复杂曲面，叶片与 流道面之间需要圆角过渡来保证叶片根部的强度。这些结
构都会大大增加制造难度，具体分析如下：淤叶片曲面扭 转角度大，叶片之间的空间相对较小，加工时刀具方向控 制需要特别严格，稍有不慎就会发生过切，碰撞等危险。于 由 于 加 工 空 间 受 限，选用 刀 具 直 径 相 对 较 小 ，加 工 中 易 产 生刀具震颤和刀具折断等问题。盂叶片较薄，加工过程中 容易出现弯曲变形。
张文健 ZHANG Wen-jian曰孙星星 SUN Xing-xing
（天津机电职业技术学院，天津 300350） （Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity，Tianjin 300350，China）
摘要院在复杂曲面数控加工中袁整体叶轮的加工具有很强的代表性袁本文根据整体叶轮的结构特点分析了数控加工工艺路线曰通 过 UG 设置刀具走刀轨迹袁 UG/Post Builder 后置处理器生成 NC 代码曰 运用 VERICUT 软件进行了数控加工仿真曰 运用 Production Module 软件对叶轮加工进行了优化分析遥 避免了碰撞和干涉尧降低生产成本尧提高了生产率遥
Abstract: In the NC machining of complex curved surface, the machining of integral impeller is very representative. This paper analyzes the NC machining process route according to the structural characteristics of integral impeller. The tool path is set by UG, and the post processor of UG/Post Builder generates NC code. The numerical control machining simulation is carried out by VERICUT software. The Production Module software is used to optimize the impeller processing. Collision and interference are avoided, production cost is reduced, and productivity is improved.
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基于 UG尧VERICUT 和 PRODUCTION MODULE 复杂曲面数控加工仿真与优化
Simulation and Optimization of NC Machining of Complex Surfaces Based on UG, VERICUT and PRODUCTION MODULE