基于UG和SKY-5L14075机床的叶轮五轴数控加工的实现.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０１３ 收稿日期 ２０１５－０１－２２ 基金项目 邢台市社会科学规划项目 （ｘｔｓｋ１５０１）； 邢台市科学技术研究与发展计划自筹经费项目 （２０１４ＺＣ１１２）； 河北省教 育厅资助科研项目 （Ｚ２０１４１１４） 作者简介 郭山国 （１９７８）， 男， 硕士研究生， 讲师、 工程师、 技师， 主要研究方向为数控技术及设备、 状态检测与故障 诊断方面等。 Ｅ－ｍａｉｌ ｇｓｇ７９６６＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＵＧ 和 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床的叶轮五轴数控加工的实现 郭山国， 李刚峰， 王玉， 武秋俊， 王国章， 张长军， 于国英 （河北机电职业技术学院机械工程系， 河北邢台 ０５４０４８） 摘要 详细介绍了基于 ＵＧ 软件平台和 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 五轴联动数控机床对叶轮进行数控编程与加工的实现思路与步骤， 体现了五轴联动数控机床在叶轮加工中的优势， 为使用五轴联动数控机床加工其他叶轮类零件提供参考。 关键词 叶轮； 五轴数控加工； ＵＧ 平台 中图分类号 ＴＨ１６４ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０３７－３ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｖｅ⁃ａｘｌｅ ＮＣ Ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＧ ａｎｄ ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ＧＵＯ Ｓｈａｎｇｕｏ， ＬＩ Ｇａｎｇｆｅｎｇ， ＷＡＮＧ Ｙｕ， ＷＵ Ｑｉｕｊｕｎ， ＷＡＮＧ Ｇｕｏｚｈａｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇｊｕｎ， ＹＵ Ｇｕｏｙｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｂｅｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉｎｇｔａｉ Ｈｅｂｅｉ ０５４０４８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ＮＣ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＧ ａｎｄ ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｉｔ ｅｍｂｏｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｆｉｖｅ⁃ａｘｌｅ ＣＮＣ ｍｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｗｏｒｋ， ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｉｖｅ⁃ａｘｌｅ ＣＮＣ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｐａｒｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ； Ｆｉｖｅ⁃ａｘｌｅ ＣＮＣ ｍｉｌｌｉｎｇ； ＵＧ ｐｌａｔｆｏｒｍ 叶轮是船用燃气发动机中的关键零件之一， 其工 作转速非常高， 外形也非常复杂， 而且加工精度要求 也高。 叶轮的加工一直是机加工行业中长期困扰人们 的难题， 但随着工业化的深入发展， 以及五轴联动数 控机床的诞生， 使叶轮类零件加工成为可能［１］。 目前 编制叶轮数控加工程序的通用 ＣＡＤ／ ＣＡＭ 软件比较 多， 常用的有 ＵＧ、 ＰＯＷＥＲＭＩＬＬ、 ＭＡＳＴＥＲＣＡＭ 等， 文中介绍如何用 ＵＧ 软件对叶轮进行自动编程， 生成 刀位轨迹， 之后通过五轴联动数控机床的后置处理生 成数控机床能够识别的 Ｇ 代码， 然后用先进的 ＳＫＹ⁃ ５Ｌ１４０７５ 五轴联动数控机床对其进行实际加工。 １ 叶轮加工工艺与自动编程方法 叶轮零件编程的难点关键在于叶片曲面扭曲大、 叶片薄、 叶片间距小， 普通的铣床和加工中心根本无 法实现。 ＵＧ 软件中具有叶轮自动编程的专用模块 ｍｉｌｌ＿ｍｕｌｔｉ＿ｂｌａｄｅ， 如图 １ 所示， 具有很高的智能性， 这就使原本复杂的叶轮加工编程变得很简单， 编程者 只要按照专用模块的要求和提示进行简单操作和设置 就可以轻松生成叶轮从粗加工到精加工的五轴数控加 工程序， 大大提高了叶轮的编程和加工效率以及准 确性。 图 １ 叶轮专用模块对话框 叶轮的加工内容主要包括叶片、 轮毂和叶根圆角 等曲面的加工， 文中将叶轮数控加工过程划分成 ２ 个 阶段 粗加工和精加工。 粗加工的主要任务是去除叶 轮各处大量多余的材料， 加工出叶轮的大概轮廓， 为 下一步的精加工做好准备。 精加工的主要目的是为了 获得叶轮的加工精度和表面质量， 以符合设计图纸的 要求； 而精加工工序包括轮毂的精加工、 叶片的精加 工和叶根圆角的精加工［２］。 所以叶轮加工工艺流程 是 首先粗加工叶轮， 然后精加工轮毂， 最后精加工 叶片和叶根圆角。 下面重点介绍使用叶轮专用模块生成叶轮加工程 序的设定过程及方法， 其流程图如图 ２ 所示。 图 ２ 叶轮专用模块设定过程流程图 首先创建几何体， 点选叶轮专用模块 ｍｉｌｌ＿ｍｕｌｔｉ＿ ｂｌａｄｅ； 然后设定几何体， 依次指定刀毂、 护罩、 刀片、 刀片圆角、 分割机， 指定方法如图 ３、 图 ４ 所示， 并 在图 ３ 中设置刀片总数。 之后创建刀具， 在创建和选 择刀具时需要综合考虑诸如毛坯材料、 机床类型、 切 削用量以及成本等各种因素。 粗加工创建和选择平底 立铣刀， 精加工创建和选择球头铣刀。 最后创建操作 如图 ５ 所示， 主要创建叶轮粗加工操作、 叶轮轮毂精 加工操作和叶轮叶片精加工操作， 并进行加工参数简 单设置。 图 ３ 设定几何体对话框图 ４ 指定方法图 ５ 创建操作对话框 根据以上叶轮的各加工阶段就可生成刀具路径， 而 ＵＧ 具有可视化的加工仿真功能， 可以直观查看产 生的刀具路径在实际情况下的加工情况， 检查过切、 碰撞和加工质量等情况。 仿真时将模拟完整的切削加 工过程， 以便编程人员检查程序的正确性和加工合理 性。 图 ６ 和图 ７ 所示分别为叶轮粗加工刀具路径图和 仿真加工模拟图。 图 ６ 粗加工刀具路径图 图 ７ 粗加工仿真模拟图 ２ 叶轮五轴联动数控加工的实现 加工叶轮时选用的是南京四开公司自主研发和生 产的 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 型单转台单摆头五轴联动数控机 床。 该机床的数控系统是南京四开公司自己研发的具 有中国自主知识产权的高档 ＣＮＣ 系统， 采用了 ＤＳＰ 高速数字处理器的控制核心和奔腾处理器的管理核心 以及 Ｗｉｎｄｏｗｓ 系统的操作平台。 该系统除了具有一般 高档数控系统具有的所有功能以外， 还具有满足各种 高速高精度控制和加工的独特功能。 ＳＫＹ２００６Ｎ 开放 ８３机床与液压第 ４４ 卷 式机床数控系统软件采用中文操作界面， 具有二维和 三维刀具的实时动态轨迹显示功能和程序的仿真模拟 功能， 具有易操作、 高刚性、 高精度、 高速度、 稳定 可靠等优势［３］。 ＵＧ 自动编程后得到的是刀位程序， 进入 ＵＧ 后 置处理构造器， 按照 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 型单转台单摆头 五轴联动数控机床的结构、 数控系统的指令格式和运 行特点构造一个后置处理， 经过后置处理转换成该型 五轴联动数控机床能执行的加工程序， 也就是能够加 工叶轮的标准 Ｇ 代码。 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床加工叶轮图 片见图 ８， ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床软件界面见图 ９。 图 ８ ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床加工叶轮 图 ９ ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床软件界面 叶轮粗加工部分程序清单如下 Ｍ３Ｓ１００００ Ｍ８ Ｇ１Ｇ９０Ｇ５４Ｘ６． ５６９Ｙ－１２３． １５７ Ｂ－６１． ５７７Ｃ２３８． ８２１ Ｇ４３Ｚ１３４． ４６９Ｈ２ Ｘ４． １３５Ｙ－１３３． ６７４Ｚ１１５． ０３６Ｆ３０００ Ｚ１１０． ０３６Ｆ４００ Ｘ０Ｙ－１２９． ６４８Ｚ１０８． ３９５Ｆ３０００ Ｙ－１２８． ４４５Ｚ１０７． ９２８Ｃ２４０． ９ Ｙ－１２６． ３０７Ｚ１０６． ７９５Ｃ２４４． ６４１ Ｙ－１２４． ５５７Ｚ１０５． ８５９Ｃ２４７． ４９７ Ｙ－１２２． ６４４Ｚ１０４． ８３５Ｃ２５０． ２６８ Ｙ－１２０． ６１４Ｚ１０３． ７４９Ｃ２５２． ８８８ Ｙ－１１８． ５５Ｚ１０２． ６４６Ｃ２５５． ２５６ Ｙ－１１６． ５８８Ｚ１０１． ７１４Ｃ２５７． １７９ Ｙ－１１５． ４１２Ｚ１０１． ３０２Ｃ２５８． ０６３ Ｙ－１１４． １７８Ｚ１００． ９９９Ｃ２５８． ６８１ Ｙ－１１２． ６６４Ｚ１００． ７７２Ｃ２５８． ９２ Ｙ－１１０． ９９１Ｚ１００． ７５８Ｃ２５８． ３８１ Ｙ－１０９． ７９４Ｚ１００． ８７５Ｃ２５７． ９９３ Ｙ－１０８． ５９７Ｚ１０１． ０７９Ｃ２５７． ７１５ Ｙ－１０７． ４３５Ｚ１０１． ３６Ｃ２５７． ５９８ Ｙ－１０６． ２８５Ｚ１０１． ７７８Ｃ２５７． ４３７ Ｙ－１０５． １１６Ｚ１０２． ２６Ｃ２５７． ４８１ Ｙ－１０４． １８９Ｚ１０２． ８Ｃ２５７． ３４ Ｙ－１０３． ０４Ｚ１０３． ４８６Ｃ２５７． ５１２ Ｙ－１０２． ２１７Ｚ１０４． １９４Ｃ２５７． ３１ Ｙ－１０１． ２５８Ｚ１０５． ０１９Ｃ２５７． ４０７ Ｙ－１００． ２２９Ｚ１０６． １５６Ｃ２５７． ４２ Ｙ－９９． ２７７Ｚ１０７． ３３３Ｃ２５７． ４６１ Ｙ－９８． ４１４Ｚ１０８． ４０１Ｃ２５７． ３４１ Ｘ－０． ８０２Ｙ－１０５． ３６１Ｚ１２５． ６０６Ｃ２５６． １８３ Ｘ０Ｙ－１０６． ０６８Ｚ１２６． ２３６Ｃ２６０． １５６ Ｘ－１． ８８７Ｙ－１１０． ３８８Ｚ１２９． ９４８ Ｚ１３４． ９４８ Ｘ－５． ８５６Ｙ－８２． ０７９Ｚ１６３． ８７５ Ｍ９ Ｍ５ Ｍ２ ３ 结束语 介绍了基于 ＵＧ 软件平台生成叶轮加工相应的刀 具路径， 并经过后置处理转换成五轴联动数控机床能 执行的 ＮＣ 程序， 最后用 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 五轴联动数控 机床对叶轮进行实际加工， 体现出五轴联动数控机床 在加工叶轮类零件中的优势， 从而为用五轴联动数控 机床加工其他叶轮类零件提供了加工方法和参考 价值。 参考文献 ［１］ 丁刚强．整体叶轮五轴数控加工技术的研究［Ｊ］．制造技 术与机床，２０１３（４）１００－１０３． ［２］ 陆启建，褚辉生．高速切削与五轴联动加工技术［Ｍ］．北 京机械工业出版社，２０１１． ［３］ 南京四开电子企业有限公司．ＳＫＹ２００６ＮＡ 数控机床操 作手册［Ｍ］． ９３第 ８ 期郭山国 等 基于 ＵＧ 和 ＳＫＹ⁃５Ｌ１４０７５ 机床的叶轮五轴数控加工的实现