基于NⅩ-CAM&VERICUT的整体叶轮数控加工与仿真方法研究

引言

整体叶轮是航空发动机以及各类透平机械的关键部件,广泛应用于航空、汽车、能源等领域,是影响相关产品工作性能的主要零件。整体叶轮造型较为规范,具有叶片薄、叶片间隔小、扭曲大的特点,是典型的难加工零件。当前,整体叶轮数控加工使用通用的CAD/CAM软件进行数控程序编制,并通过内置的刀具轨迹仿真功能进行刀具轨迹干涉验证。但刀具轨迹仿真不能检测加工系统的碰撞干涉问题,也无法反映NC代码中存在的错误,也就无法保证NC代码的准确性及数控加工过程的安全性。

&VERICUT是专业的数控加工仿真和优化软件,基于&VERICUT可真实模拟机床的实际加工过程,从而在虚拟环境下快速预测NC代码中可能存在的加工系统干涉、碰撞等问题。基于此,本文将NⅩ-CAM与&VERICUT软件有机集成,为整体叶轮的数控加工与仿真提供系统解决方案,以提高整体叶轮的加工质量和效率。

1基于Nx一CAM的整体叶轮数控加工自动编程

1.1整体叶轮数控加工工艺规划

本文加工的整体叶轮共十组叶片,每组包含一个大叶片和一个分流叶片,叶轮直径137mm,高69.3mm,叶片最宽处1.27mm,相邻叶片最窄处距离4mm,材料为铝合金2C12-T4,毛坯为挤压棒材。

通过分析整体叶轮结构,选择五轴数控机床加工,分为粗加工和精加工两个加工阶段。粗加工阶段进行大量多余材料的快速去除,完成整体叶轮大致外形加工。精加工分为流道面精加工和叶片精加工,叶片根部圆角由精加工刀具圆角保证。

基于以上分析,制定整体叶轮数控加工工艺路线:开粗一流道面精加工一大叶片精加工一分流叶片精加工一流道面边缘型面加工。

1.2刀具选择

根据整体叶轮的几何结构及尺寸,选择锥度球头铣刀。刀具参数设置如下:(1)锥度球头铣刀R2×80mm,刃长30mm,锥角43,用于开粗:(2)锥度球头铣刀R1.5×80mm,刃长30mm,锥角43,用于精加工:(3)平底铣刀小8×80mm,刃长30mm,底部圆角R1,用于流道面边缘型面加工。

1.3数控加工编程及后处理

NⅩ-CAM中的多轴叶片铣削加工(millmultiblade)是专用的整体叶轮、叶片类零件数控加工编程模块,在该模块中完成数控加工工艺方案及刀具参数的设置,系统自动生成数控加工刀具轨迹,再通过NⅩ-CAM系统自带的后置处理器(本文选用HEIDENHCINiTNx530控制系统),将刀具轨迹自动转化为能被机床控制系统所识别的NC代码。

2基于VER1CUT的整体叶轮数控加工仿真

2.1M1MRKoNHMS00ULP五轴仿真机床构建

(1)定义机床运动结构:本文所选的MIKRoNHsM600ULP五轴数控机床包含两条传动链。主轴传动链由主轴连带刀具附着于立柱上沿Z轴做直线移动,且该运动组件附着于机床基体上沿Y轴做直线移动,根据此运动关系,依次添加Base-Y-Z-spindle。毛坯进给传动链中,以C轴为中心转动的工作台用于毛坯的安装,同时该组件也可以进行以B轴为中心的转动和沿X轴的直线移动,依据此运动关系,依次添加Base-x-B-C。至此,就完成了机床运动结构的定义。

(2)添加机床组件几何模型:在Nx8.5环境中按照实际尺寸绘制各机床组件模

型,然后将其导出为sTL格式的模型文件,之后根据机床的运动结构关系,将其导入VER1CUT中完成装配,实现虚拟机床实体模型的构建。

(3)机床参数设置:完成机床模型构建后,需对仿真机床进行参数设置,使其与实际加工过程中所用机床参数相匹配。在VER1CUT软件中需对仿真机床坐标系位置、机床行程、干涉检查等进行设置,其中机床坐标系位置设置为"Y375Z520",机床行程范围设置为X(-480,320),Y(-300,300),Z(-520,0),B(-30,110),C(0,360):干涉检查设置Z轴和B轴的碰撞检测条件为临界间隙2.5,避免主轴和工作台的碰撞。

(4)数控系统加载:完成仿真机床运动关系构建、建模和参数设定后,需要配置控制系统以实现仿真机床的加工运动,VER1CUT软件支持控制系统的自定义功能,也提供常见的机床控制系统文件。本文所用机床控制系统为HE1DENHA1NiTNC530,可以从VER1CUT软件控制系统文件数据库中加载该控制系统文件。

2.2整体叶轮数控加工过程仿真

完成仿真机床构建后,还需添加数控加工仿真所必须的夹具、刀具、毛坯和零件模型、NC代码等,操作步骤如下:

(1)在项目树的Fixture、stock和Design节点下分别导入夹具、毛坯和设计模型:

(2)按照数控编程时所选刀具参数,在项目树"加工刀具"节点添加本次数控加工仿真所需的刀具:

(3)按照数控编程要求,在项目树"坐标系统"节点下添加编程坐标系PRoGARMZERo,本文中编程坐标系位置为毛坯模型顶端中心:

(4)在项目树"G-代码偏置"节点设置工作偏置,在"偏置"下拉菜单中选择"程序零点","选择从/到定位"选项中设置到加工坐标系PRoGARMZERo:

(5)在项目树"数控程序"节点导入本次数控加工所需的NC代码,本文中NC代码由NxCAM编制,由专用后处理程序输出:

(6)在项目树"工位"一"G-代码"设置界面中设置编程方法为"刀尖":

(7)重置仿真环境后启动数控加工仿真过程,仿真结果如图1所示。

2.3仿真结果分析

整体叶轮全要素数控加工仿真过程运行结束后,VER1CUT数控加工仿真软件会对仿真过程中出现的程序语法错误和碰撞等进行报警提示。经分析,发现在开粗过程中存在切伤夹具表面的问题:通过分析自动比较结果,发现流道表面部分位置有过切。之后通过数控程序复查定位问题发生的程序段位置,调整并重新仿真后问题得到解决。

3结语

本文基于NxCAM软件中的叶轮加工模块完成了整体叶轮的刀轨生成及后置处理,并输出NC代码,之后基于VER1CUT数控加工仿真软件构建了M1KRoNHsM600ULP五轴仿真机床,在此基础上配置整体叶轮全要素数控加工仿真环境,完成了整体叶轮全要素数控加工仿真过程,通过仿真提前发现了加工过程中的切伤夹具表面和流道面过切问题,并加以修正,检验了NC代码的准确性,有效提升了NC代码检验的效率和数控加工过程的安全性,从而缩短了生产周期,降低了成本。