基于UG的叶轮流道四轴联动数控加工编程分析
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１ ． １ 叶 轮 整 体 外 形 的 加 工
图 １ 叶 轮模 型
方法 对 叶轮一 次加工 成 型 。相 比于传 统 的加 工 方法， 减 少 了加 工 步骤 ， 提 高 了叶轮 强 度 ， 节 省 了毛坯 材料 。笔者 利用 ＵＧ多 轴铣 削模块 中的
“ 四轴联 动” 方 法对 叶轮 （ 如 图 １所 示 ） 流 道 的 加
第 ２ １卷
第 ４期
北京 石油 化工学 院学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
Ｐｅ ｔ ｒ ｏ — ｃ ｈｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ． ２ １ ＮＯ ． ４
范 围内 ， 以避 免 发生 干涉 和 跳 刀 现 象 。叶 轮 流
道 由 ５个 空 问 自由曲面 相互 拼 接构 成 ， 扭 曲 且
狭 长 。在 加工其 中 １ 个 曲面时容 易与 另外几 个 曲面发 生 干 涉产 生 过切 ， 因此笔 者 采 用设 定 检
影 响加 工精度 的因素包括 ： 机 床精度 、 传 动 链传 动精度 、 刀具磨损、 受力 变 形 等 ， 笔者 仅 讨
叶轮加 工 工 艺 方 案 为 叶 轮 整 体 外 形 的 加
工、 叶轮流 道 的粗 加工 、 叶轮 流道 的半精 加工 和
图 ２ 叶轮 外 形 尺 寸
叶轮 流道 的精加 工 ， 具 体如 下 ：
１ ． ２ 叶 轮 流 道 的 粗 加 工
被加 工流道 的最 大 宽度 为６ ． ９ ８ ６ ７ ｍｍ（ 见
叶 轮外形 轮廓 的加工 可 以利 用数 控车 床加
源自文库
工 至外 形尺 寸要求 ， 如 图 ２所示 。
工进 行分 析 和设计 ， 确定 了 叶轮 加工 工艺 方案 、
刀轴 的 控制 方 法 、 加 工 误 差 的 分 析 方 法 以 及 操
作 过程 。
１ 叶轮 四轴 加 工 工 艺 方 案
论 如何 利用 软 件参 数 设 置来 控 制 加工 误差 ， 保 证加 工精 度 。主要 方 法是 设 置 “ 步距” 和“ 切 削
步长 ” 。
２ ． ４ ． １ 步 距
查 几何 体 的方 法 ， 将 不加 工 的 ４个 曲面设 为 检 查 几何体 ， 加工 曲 面设 为部 件几何 体 （ 见图 ７ ） 。
关键词 ： Ｕ Ｇ；四轴 联 动 编程 ； 曲面 ；叶 轮 ｝加 工 误 差
中 图分 类 号 ： ＴＧ５ 文献 标 志码 ： Ａ
由于 叶轮结构 复杂 ， 叶 片形状扭 曲特 异 ， 叶
轮槽 空 间狭 小 ， 加 工过 程 中刀轴 极 易发 生 干涉 碰撞 ， 所 以叶轮 加 工技 术 一 直是 机械 制 造 行业
图 ３ ） ， 可 以采 用 三 轴 型 腔 铣 的 加 工 方 法 ， 选 用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ８ ０ ９ 作者简介 ： 殷 业财 （ １ ９ ８ １ 一） ， 男， 大 学本科 ， 助 理实 验师 ， Ｅ
ｍａ ｉ ｌ ： ｙ ｉ ｎ ｙ ｅ ｃ ａ ｉ ＠ ｂｉ ｐ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ。
所 面 临的重 要课题 。叶轮 叶片 的传 统加 工制造
方法 主要 有铸 造 成 型后 修 光法 、 石 蜡 精密 铸造 法、 三坐标 仿形铣 削法 等 ， 但 这些 方法加 工效率 较低， 叶 轮 的 加 工 精 度 也 难 以 保 证 。 随 着 Ｃ Ａ Ｄ、 Ｃ ＡＭ 技术 的发 展 ， 数控 加 工技 术 在 叶 轮 的加 工制 造 中显现 出越来 越重要 的地位 。针 对 叶轮 叶 片 的不 同形 状 ， 可 以采 用三 轴 联 动数 控 加工、 四轴联 动数控 加工 、 五轴联 动数控 加工 的
际加 工 中 ， 需要通 过观察 刀具 的切 削状态 ， 适 时
法 设定 刀轴矢 量 。通过设 定相对 于驱 动体不 同 的侧 倾 角来 调 整刀 轴 ， 插 补矢 量 通过 调 整 曲面
上不 同点 的刀轴矢 量使 刀轴避 免发 生干涉 和跳
刀现象 。 ２ ． ４ 精 度 控 制
修 正理 论算 法 ， 刀 轴 转动 的 角度 应 控制 在 一定
步距 可 以控制 相 邻 刀 具轨 迹 之 间的距 离 ，
他 决定 刀轨 的疏密 程度 。当用球 头刀 具对 曲面 进 行铣 削时 ， 步距越 大 ， 刀 轨之 间的残 留高度 越 大， 将直 接影 响工件 的加 工精度 和表 面质量 ； 步
直径为 ４ ｍｍ 的球 头刀 对 ２ 个 相邻 叶 片之 问 的 叶轮槽 进行粗 加工 。由于 叶片扭 曲延伸 而形成
２ ８
北京 石油 化工学 院学 报
２ ０ １ ３ 年第 ２ １卷
涉刀 轴 范 围 的确定 算 法有 多 面体 法 、 基 于 点 的 方法 等 ， 但 各种 算 法 仍 处 于探 索 阶段 ］ 。在实
Ｄｅ ｃ ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 １ ２月
基于 Ｕ Ｇ 的叶轮 流 道 四轴 联 动 数控 加 工编 程 分析
殷 业财 ， 梅 梅 ， 李 峰
（ 北 京 石 油 化 工学 院工 程 师 学 院 ，北 京 １ ０ ２ ６ １ ７ ）
摘要 ： 为 了控 制 复 杂 叶 轮 结 构 的 加 工 精度 和加 工质 量 ， 提 出 一 种 基 于 ＵＧ 的 叶轮 流 道 四 轴 联 动 数 控 加工编程方法 ， 以某 典 型 叶 轮 为 加 工 对 象 ， 确定其加工工 艺方案 ， 并采用“ 相对 于驱动体” 和“ 插补矢 量” 结 合 的 刀 轴 控 制方 法 ， 从 而 避 免 发 生 复 杂 小 曲 面加 工 的 干涉 和跳 刀现 象 。通 过 合 理 设 定 “ 步距” 和“ 切 削 步长” 来 降低 加 工 误 差 ， 保证 加工 精 度 ， 从 而 为 结 构 复 杂 曲 面 叶轮 的精 确 数 控 加 工 提 供 参 考 。
图 １ 叶 轮模 型
方法 对 叶轮一 次加工 成 型 。相 比于传 统 的加 工 方法， 减 少 了加 工 步骤 ， 提 高 了叶轮 强 度 ， 节 省 了毛坯 材料 。笔者 利用 ＵＧ多 轴铣 削模块 中的
“ 四轴联 动” 方 法对 叶轮 （ 如 图 １所 示 ） 流 道 的 加
第 ２ １卷
第 ４期
北京 石油 化工学 院学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
Ｐｅ ｔ ｒ ｏ — ｃ ｈｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ． ２ １ ＮＯ ． ４
范 围内 ， 以避 免 发生 干涉 和 跳 刀 现 象 。叶 轮 流
道 由 ５个 空 问 自由曲面 相互 拼 接构 成 ， 扭 曲 且
狭 长 。在 加工其 中 １ 个 曲面时容 易与 另外几 个 曲面发 生 干 涉产 生 过切 ， 因此笔 者 采 用设 定 检
影 响加 工精度 的因素包括 ： 机 床精度 、 传 动 链传 动精度 、 刀具磨损、 受力 变 形 等 ， 笔者 仅 讨
叶轮加 工 工 艺 方 案 为 叶 轮 整 体 外 形 的 加
工、 叶轮流 道 的粗 加工 、 叶轮 流道 的半精 加工 和
图 ２ 叶轮 外 形 尺 寸
叶轮 流道 的精加 工 ， 具 体如 下 ：
１ ． ２ 叶 轮 流 道 的 粗 加 工
被加 工流道 的最 大 宽度 为６ ． ９ ８ ６ ７ ｍｍ（ 见
叶 轮外形 轮廓 的加工 可 以利 用数 控车 床加
源自文库
工 至外 形尺 寸要求 ， 如 图 ２所示 。
工进 行分 析 和设计 ， 确定 了 叶轮 加工 工艺 方案 、
刀轴 的 控制 方 法 、 加 工 误 差 的 分 析 方 法 以 及 操
作 过程 。
１ 叶轮 四轴 加 工 工 艺 方 案
论 如何 利用 软 件参 数 设 置来 控 制 加工 误差 ， 保 证加 工精 度 。主要 方 法是 设 置 “ 步距” 和“ 切 削
步长 ” 。
２ ． ４ ． １ 步 距
查 几何 体 的方 法 ， 将 不加 工 的 ４个 曲面设 为 检 查 几何体 ， 加工 曲 面设 为部 件几何 体 （ 见图 ７ ） 。
关键词 ： Ｕ Ｇ；四轴 联 动 编程 ； 曲面 ；叶 轮 ｝加 工 误 差
中 图分 类 号 ： ＴＧ５ 文献 标 志码 ： Ａ
由于 叶轮结构 复杂 ， 叶 片形状扭 曲特 异 ， 叶
轮槽 空 间狭 小 ， 加 工过 程 中刀轴 极 易发 生 干涉 碰撞 ， 所 以叶轮 加 工技 术 一 直是 机械 制 造 行业
图 ３ ） ， 可 以采 用 三 轴 型 腔 铣 的 加 工 方 法 ， 选 用
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ８ ０ ９ 作者简介 ： 殷 业财 （ １ ９ ８ １ 一） ， 男， 大 学本科 ， 助 理实 验师 ， Ｅ
ｍａ ｉ ｌ ： ｙ ｉ ｎ ｙ ｅ ｃ ａ ｉ ＠ ｂｉ ｐ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ。
所 面 临的重 要课题 。叶轮 叶片 的传 统加 工制造
方法 主要 有铸 造 成 型后 修 光法 、 石 蜡 精密 铸造 法、 三坐标 仿形铣 削法 等 ， 但 这些 方法加 工效率 较低， 叶 轮 的 加 工 精 度 也 难 以 保 证 。 随 着 Ｃ Ａ Ｄ、 Ｃ ＡＭ 技术 的发 展 ， 数控 加 工技 术 在 叶 轮 的加 工制 造 中显现 出越来 越重要 的地位 。针 对 叶轮 叶 片 的不 同形 状 ， 可 以采 用三 轴 联 动数 控 加工、 四轴联 动数控 加工 、 五轴联 动数控 加工 的
际加 工 中 ， 需要通 过观察 刀具 的切 削状态 ， 适 时
法 设定 刀轴矢 量 。通过设 定相对 于驱 动体不 同 的侧 倾 角来 调 整刀 轴 ， 插 补矢 量 通过 调 整 曲面
上不 同点 的刀轴矢 量使 刀轴避 免发 生干涉 和跳
刀现象 。 ２ ． ４ 精 度 控 制
修 正理 论算 法 ， 刀 轴 转动 的 角度 应 控制 在 一定
步距 可 以控制 相 邻 刀 具轨 迹 之 间的距 离 ，
他 决定 刀轨 的疏密 程度 。当用球 头刀 具对 曲面 进 行铣 削时 ， 步距越 大 ， 刀 轨之 间的残 留高度 越 大， 将直 接影 响工件 的加 工精度 和表 面质量 ； 步
直径为 ４ ｍｍ 的球 头刀 对 ２ 个 相邻 叶 片之 问 的 叶轮槽 进行粗 加工 。由于 叶片扭 曲延伸 而形成
２ ８
北京 石油 化工学 院学 报
２ ０ １ ３ 年第 ２ １卷
涉刀 轴 范 围 的确定 算 法有 多 面体 法 、 基 于 点 的 方法 等 ， 但 各种 算 法 仍 处 于探 索 阶段 ］ 。在实
Ｄｅ ｃ ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 １ ２月
基于 Ｕ Ｇ 的叶轮 流 道 四轴 联 动 数控 加 工编 程 分析
殷 业财 ， 梅 梅 ， 李 峰
（ 北 京 石 油 化 工学 院工 程 师 学 院 ，北 京 １ ０ ２ ６ １ ７ ）
摘要 ： 为 了控 制 复 杂 叶 轮 结 构 的 加 工 精度 和加 工质 量 ， 提 出 一 种 基 于 ＵＧ 的 叶轮 流 道 四 轴 联 动 数 控 加工编程方法 ， 以某 典 型 叶 轮 为 加 工 对 象 ， 确定其加工工 艺方案 ， 并采用“ 相对 于驱动体” 和“ 插补矢 量” 结 合 的 刀 轴 控 制方 法 ， 从 而 避 免 发 生 复 杂 小 曲 面加 工 的 干涉 和跳 刀现 象 。通 过 合 理 设 定 “ 步距” 和“ 切 削 步长” 来 降低 加 工 误 差 ， 保证 加工 精 度 ， 从 而 为 结 构 复 杂 曲 面 叶轮 的精 确 数 控 加 工 提 供 参 考 。