张 政
（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127）
目前，CAD/CAM技术正向着高度集成化、智能化、标准化和开发化的方向发展[1-2]。近年来，我国在CAD/CAM领域发展迅速，应用日渐成熟，其使用范围不断拓宽，水平不断提升，其应用几乎渗透到制造工程的各个领域，尤其是在机械制造、船舶制造等行业，CAD/CAM的技术开发与应用尤为重要[3-4]。
针对五轴数控加工中心不易判断刀具行程、铣削过程中较易发生刀具干涉等问题，本文利用交互式CAD/CAM系统（Unigraphics NX，UG）中的CAD/CAM模块对某型叶轮零件进行三维造型，制定合理的加工工艺和加工流程，规划刀具路径并在UG中初步仿真。确认刀具路径合理后，经过后处理生成NC代码文件，再通过VERICUT软件进行进一步仿真，最后加工出叶轮试样[5-6]。本文通过对某型叶轮零件三维造型与五轴加工进行研究，避免试切造成的生产效率低、成本高等问题，为工厂降低风险和成本、提高竞争力提供技术保障[7]。
在基准坐标系上建立φ62.4 mm，h2 mm的圆柱体。以该圆柱体的上表面绘φ54 mm的草图，约束圆心与φ62.4 mm上表面同心，拉伸高度为3 mm，在此基础上同样绘φ54 mm的同心圆φ53.6 mm，拉伸高度为3 mm。将3个实体进行求和，获得模型1（见图1）。
图1 模型1
在模型1上表面拉伸一φ21.6 mm、深2.5 mm的孔，圆心在表面中心；
在模型1下表面拉伸一φ26 mm、深5.6 mm的孔，圆心在表面中心，获得模型2（见图2）。
图2 模型2
建立两个基准平面。基准平面1距离模型上表面4.63 mm，基准平面2距离模型下表面2.41 mm。在模型的上表面绘同心圆R1，R2，尺寸分别为φ14.2 mm，φ26.2 mm；
在基准平面1上绘同心圆R3，R4，尺寸分别为φ33.3 mm，φ47.5 mm；
在基准平面2上绘同心圆R5，尺寸为φ20.2 mm。在x-z平面上绘草图，用圆弧、直线连接上述5个同心圆的某个象限点，形成一封闭的图形（见图3）。将该封闭图形绕z轴回转360°，并与已建模型求差，获得回转体（见图4）。
图3 草图
图4 回转体
在模型上表面中心新建基准坐标系CSYS-1。以基准坐标系CSYS-1建立基准平面3，使得基准平面3与x-y平面之间的夹角为130°。在基准平面3上绘草图，拉伸草图，厚度为0.8 mm，分别以模型上下表面为修剪平面，修剪该拉伸体。建立基准平面4，平面参考对象为基准坐标系CSYS-1的x-y平面，通过拉伸体的一条边线，夹角为30°；
以基准平面4为修剪平面修剪拉伸体，获得第一种叶片（见图5）；
将该叶片绕z轴作实例几何体特征操作，获得10片相同的叶片（见图6）。
图5 第一种叶片
图6 阵列后叶片
建立第二种叶片。以基准坐标系CSYS-1建立基准平面5，使得基准平面5与x-y平面之间的夹角为39.6°。在基准平面5上绘第二种叶片的草图，拉伸草图可以获得拉伸体，分别以基准平面4、底面为修剪平面修剪拉伸体，获得第二种叶片，叶片厚1.8 mm（见图7）。
图7 第二种叶片
建立第三种叶片。在基准平面5上绘第三种叶片的草图，拉伸草图获得拉伸体，分别以基准平面4、底面为修剪平面修剪拉伸体，获得第三种叶片，叶片厚1.8 mm（见图8）。
图8 第三种叶片
将该叶片绕z轴作实例几何体特征操作，获得了9片相同的叶片（见图9）。到此，叶轮的三维造型已全部完成。
图9 叶轮的三维造型
2.1 粗加工
粗加工主要分为6步。第一步采用型腔铣的加工方法加工出零件的外轮廓，刀具选用φ16 mm的平底刀（见图10-a）；
第二步采用型腔铣的加工方法加工第一种槽，刀具选用φ6 mm的平底刀（见图10-b）；
第三步采用型腔铣的加工方法加工第二种槽，刀具选用φ6 mm的平底刀（见图10-c、图10-f）；
第四步采用型腔铣的加工方法加工第三种槽，刀具选用φ6 mm的平底刀（见图10-d）；
第五步采用平面铣的加工方法加工30°斜面，刀具选用φ6 mm的平底刀（见图10-e）。
图10 叶轮粗加工刀轨
2.2 半精加工
采用深度加工轮廓方法加工第一种槽，刀具选用φ5 mm的球头刀（见图11-a）；
采用固定轮廓铣方法加工第二种槽的右侧面以及底面，刀具选用φ5 mm的球头刀（见图11-b、第116页图11-c），加工第二种槽的左侧面选用曲面驱动方法（见第116页图11-d）；
采用深度加工轮廓铣方法加工第三种槽的左侧面，刀具选用φ5 mm的球头刀（见第116页图11-e），采用固定轮廓铣方法加工第三种槽的右侧面，刀具选用φ5 mm的球头刀（见第116页图11-f）；
采用固定轮廓铣方法加工第三种槽的底面，刀具选用φ5 mm的球头刀（见第116页图11-g）。
图11 叶轮半精加工刀轨
2.3 精加工
采用固定轮廓铣的方法加工第一种槽的左右两个侧面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-a、图12-b），采用固定轮廓铣的方法加工第一种槽的底面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-c）；
采用固定轮廓铣的方法加工第二种槽的右侧面和底面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-d、图12-e），采用固定轮廓铣的方法加工第二种槽的左侧面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-f）；
采用固定轮廓铣的方法加工第三种槽的左侧面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-g），采用固定轮廓铣方法加工第三种槽的右侧面和底面，刀具选用φ4 mm的球头刀（见图12-h、图12-i），采用面铣的加工方法加工30°斜面，刀具选用φ6 mm的平底刀。
图12 叶轮精加工刀轨
3.1 铣削仿真
将上述生成的刀路文件经后置处理生成G代码，并将其导入VERICUT软件中，在Mikron UCP800 Duro双转台五轴加工中心模型上进行了仿真验证，第117页图13为机床仿真模型，第117页图14为粗铣仿真及结果。
图13 机床仿真模型
图14 粗铣仿真及结果
半精铣仿真，见图15。
图15 半精铣仿真及结果
精铣仿真，见图16。
图16 精铣仿真及结果
3.2 铣削验证
经仿真验证，刀路正确合理，无干涉情况发生。最后，将G代码导入型号为Mikron UCP800 Duro的五轴机床加工出叶轮试样，见图17。
图17 叶轮试样
本文通过对某型叶轮零件三维造型与五轴加工方法研究，不仅为叶轮建模提供了新思路，而且验证了在VERICUT软件中的仿真模拟后，可避免实际加工中出现碰撞而损坏机床以及刀具的情况，为工厂降低风险和成本，提高竞争力提供了技术保障。
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