基于NX与VERICUT转轮体五轴高效加工方案研究与实践

王信，刘勇，刘光虎

（宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000）

0 引言

随着工业制造技术的发展和进步，数控加工技术被广泛应用于各个领域。针对高难度零件的加工，五轴加工技术被广泛运用于航空航天、模具制造等领域，尤其在叶轮零件的制造中占有重要地位[1]。五轴加工技术可以实现零件在多个角度的切削加工，能够有效提高零件的加工效率和加工精度。因此，如何提高五轴加工技术的应用水平，提高零件加工精度和效率，成为当前研究的热点问题之一[2]。本文将介绍一种基于NX和VERICUT的转轮体零件五轴高效加工方案，旨在提高转轮体零件的加工效率和加工精度，为提高叶轮类零件的五轴加工效率和加工精度提供实际参考。

1 CAD/CAM预处理

1.1 三维建模

在五轴加工之前，需要进行叶轮零件的CAD/CAM预处理，以确保加工程序的正确性和可靠性[3]。零件图显示轮转体加工特征面包括叶轮、球面、五边形、孔和刻字等特征。由于叶轮特征具有叶片较薄、叶片间距小和叶片沿轴向均匀对称分布的特点，加工叶轮特征是转轮体加工的难点。如果加工顺序不合理、刀具选用不当或切削速度过快，都容易造成叶轮加工区域变形。基于零件图，使用NX软件将叶轮的CAD图样转化为三维模型，包括叶轮的形状、结构等信息。通过三维模型可以准确了解转轮体各个加工特征的位置，有助于加工过程中的顺序安排和切削参数选择。转轮体零件图如图1所示。

图1 转轮体零件图

1.2 加工工艺方案设计

结合NX-CAM模块与GS200五轴高速机床的优势，制定适当的切削用量及刀具类型，以提升转轮体加工的效率与精度，同时延长刀具使用寿命[4]。该加工方式将转轮体加工分为两次装夹加工，毛坯选用φ65 mm×60 mm棒料，夹具选用三爪卡盘。第一次装夹以棒料外圆作为定位面进行叶轮特征、圆柱特征加工；第二次装夹则以φ50外圆特征面作为定位基准面，通过三爪卡盘定位夹紧，完成五边形特征的粗加工和精加工。转轮体加工工艺如表1所示。

表1 转轮体数控加工工艺

1.3 NX五轴加工编程设计

1）编程准备。基于NX2206对转轮体进行五轴数控加工编程设计，进入NX-CAM模块，按照步骤设置必要参数，包括WCS、几何体、毛坯和刀具等，为后续编程设计做准备。对于WCS的设置，选用毛坯顶面中心作为“WCS”坐标原点，并选择“自动平面”作为安全平面选项。设置安全距离为“20.0”。在工件几何体方面，创建了φ65 mm×60 mm棒料毛坯，并进行相应的选择，如图2所示。根据加工工序表，为每个工序创建所需的加工用刀具。

图2 编程准备

2）创建叶轮、圆柱特征加工策略。NX五轴加工编程可以通过多轴联动实现复杂零件的一次加工完成，通过自动计算程序实现精细、精确的加工，从而保证产品的质量和精度[5]。叶轮、圆柱特征加工顺序为：粗加工→叶轮半精加工→圆柱精加工→叶轮精加工。粗加工选用“mill_contour ”工序，工序子类型选用“型腔铣”，通过移除垂直于固定刀轴的平面切削层中的材料对轮廓形状进行粗加工。在对材料进行粗加工后，大部分材料已被切除，但叶轮特征由于粗加工刀具直径较大，粗加工刀具无法完全完成叶轮特征的粗加工，此时需要选用一把较小直径的刀具完成叶轮特征的半精加工，经半精加工后叶轮特征剩余材料均匀，既能保证刀具切削的稳定性，又能保证叶轮特征面的加工精度[6]。叶轮特征二次开粗前后对比如图3所示。

图3 叶轮特征二次开粗

圆柱特征精加工选用“mill_planar”工序，工序子类型选用“2D线框平面轮廓铣处理器”，该铣削工序使用轮廓切削模式生成单刀路和沿部件边界描绘轮廓的多层平面刀路。在刀具补偿中勾选“输出接触/跟踪数据”，在机床加工过程中使用同一程序，通过更改刀具补偿值加工工件至尺寸精度要求。叶轮特征精加工选用“mill_multi_blade”叶轮加工模块，分别对叶轮轮毂、叶片、叶根圆角进行精加工。叶片及轮廓精加工工序参数设置不合理，易造成过切、欠切及精度达不到要求等情况[7]，如图4（a）所示。在叶片精加工工序中，将每刀切削深度改为“从包覆插补至轮毂”，每刀切削深度为恒定“0.15 mm”，并在“策略”选项中将刀跟沿叶片方法延伸“3.0 mm”，防止叶片根部过切，修正参数后加工效果如图4（b）所示。

图4 修改参数精加工叶轮对比图

3）创建多边形特征加工策略。多边形特征加工面有凸台、凹槽、平面、字等，粗加工选用三轴定轴型腔铣，加工顺序为：粗加工→平面精加工→凹槽特征精加工→刻字加工。粗加工选用三轴定轴型腔铣，在去除大部分材料后选用“mill_planar”加工工序，工序子类型选用“不含壁的底面加工”创建平面精加工策略。凹槽特征精加工选用“mill_planar”，工序子类型选用“腔铣”。多边形特征上的字体是通过草图曲线和文本绘制，普通的定轴文本加工方法无法选择文本轨迹，所以加工方法选用“mill_multi_axis”，工序子类型选择“可变轮廓铣”。指定文字平面为切削区域，部件余量为“-0.2 mm”，驱动方法选择“曲线/点”，分别选择加工曲线并确认。每个封闭曲线都必须是单独的一个驱动组，否则会出现两封闭曲线连刀过切现象，如图5所示。

图5 字体连刀过切

4）NX仿真切削加工。利用NX软件中的仿真模块对切削加工过程进行模拟和仿真，以验证刀具路径和切削策略的正确性、合理性和安全性。可以从视觉上展示加工路径、切削参数、刀具形状和切屑形态等信息，及时发现并纠正潜在的问题。转轮体仿真加工效果如图6所示。

图6 NX转轮体仿真加工效果

2 VERICUT虚拟加工仿真

为了保证加工程序的正确性和安全性，必须对加工程序进行虚拟加工仿真。本文VERICUT虚拟加工系统进行转轮体的仿真验证。VERICUT虚拟加工系统可以精确模拟实际的加工情况，并进行优化，确保加工程序的正确性和效率[8]。仿真验证的过程如下：1）导入加工程序。将由NX 软件生成的加工程序导入到VERICUT虚拟加工系统中。2）建立虚拟机床。根据实际的机床参数，建立相应的虚拟机床。3）设置工艺参数。根据加工材料、刀具等参数，设置加工工艺参数。4）模拟加工过程。通过VERICUT虚拟加工系统，模拟转轮体零件的加工过程，并进行刀具轨迹优化。5）仿真验证。对加工过程进行仿真验证，以确保加工程序的正确性、效率和安全性。

通过上述仿真验证，可以保障五轴加工的加工效率和加工精度。仿真结果清晰直观，可以快速发现加工程序中可能存在的问题，并进行优化解决[9]。VERICUT虚拟加工仿真过程如图7所示。

图7 VERICUT虚拟加工仿真过程

3 GS200五轴高速机床试切加工

完成CAD/CAM预处理和虚拟仿真验证后，即可使用GS200五轴加工中心进行实际的加工操作。GS200数控机床具有功能较全面的特点，可铣削、镗削、钻削和螺纹加工等多种工序，一次装夹可实现多个面的多种工序的自动、高效、高精度连续加工，被广泛应用于3C、航空、航天、能源、电动机、精密器械、高精医疗等行业[10]，GS200五轴机床如图8所示。在GS200机床上对零件进行试切加工，加工结果如图9所示。经精度测量验证，使用NX-CAM软件编制程序和加工路径，并进行仿真加工后，与实际加工出的零件结果一致，零件精度符合零件图样的要求。

图8 GS200 五轴加工中心

图9 零件加工结果

4 结论

通过实际的加工实验，本文验证了基于NX和VERICUT 的转轮体零件五轴高效加工方案的可行性。实验结果表明，在优化后的加工程序的控制下，叶轮零件的加工效率和加工精度得到了明显提高。这是因为基于NX 和VERICUT的叶轮零件五轴高效加工方案充分发挥了CAD/CAM预处理和虚拟仿真验证的优势，确保了加工程序的正确性和安全性，从而提高了叶轮零件的加工效率和加工精度。