為提高渦輪曲面數(shù)控加工的工件減型質(zhì)量，基于UG/CAD/CAM軟件集成環(huán)境，對(duì)逆向工程中重構(gòu)出的渦輪曲面CAD模型進(jìn)行數(shù)控加工編程的方法和原則進(jìn)乎了討論，提出對(duì)渦輪的數(shù)控編程加工方法并在粗加工與精加工中獲得較高的成型質(zhì)量和加工效率。
在機(jī)械制造業(yè)中，對(duì)自由曲面的數(shù)控加工越來(lái)越多.常采用逆向工程技術(shù)，即對(duì)存在的復(fù)雜實(shí)物模型或零件進(jìn)行高精度的數(shù)字化測(cè)量，對(duì)重掏出的CAD模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)，通過(guò)CAM系統(tǒng)加工出產(chǎn)品，再對(duì)加工出的產(chǎn)品進(jìn)行撞驗(yàn)、修改和創(chuàng)新，若不滿(mǎn)意則可以重新進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再加工和檢驗(yàn)，直到滿(mǎn)意的過(guò)程。氣數(shù)控加工編程是復(fù)雜曲面數(shù)控加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，數(shù)控加工編程中切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式、編程零點(diǎn)和加工坐標(biāo)系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質(zhì)量和加工粗糙度，也關(guān)系著逆向工程的整體性能文中在Cimatron軟件CAD/CAM集成環(huán)境基礎(chǔ)上，對(duì)逆向工程中重構(gòu)出的復(fù)雜曲面CAD模型進(jìn)行數(shù)控加工編程，通過(guò)對(duì)確定數(shù)拉加工參數(shù)原則的討論，給出了一種加工效率高、成型質(zhì)量好的數(shù)控加工方法。
1 復(fù)雜曲面數(shù)控加工工藝分析
1.1數(shù)控加工曲面的方法
隨著數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，特別是加工中心的出現(xiàn)，自由曲面的加工過(guò)程可通過(guò)數(shù)控編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜型商一般采用球頭鏡刀數(shù)控鏡削，程序給出的加工軌跡也是刀頭球心的運(yùn)動(dòng)軌跡間。數(shù)控機(jī)床對(duì)自由曲面的連續(xù)鏡削加工，有行切法、環(huán)切法、層切法、等深法等幾種加工方法閘，筆者主要采用行切法和層切法兩種，行切法具有編程簡(jiǎn)單和切削效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于刀具在行切平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且曲面的曲率不同和定位等原因，會(huì)導(dǎo)致行間的殘留高度相差較大，因此常用于粗加工。層切法加工是在等高面上切除加工余量，其實(shí)質(zhì)是-種二鈾半的分層處理加工方法.在層切法加工過(guò)程中，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優(yōu)化，空刀現(xiàn)象大大減少，切削效率高。因此，層切法是一種高效的植加工方法。
1.2曲面數(shù)徨加工參數(shù)選用的原則
數(shù)控機(jī)床對(duì)自由曲面的鏡削加工中，切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式、編程零點(diǎn)和加工坐標(biāo)系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質(zhì)量和加工粗糙度。特定以下原則：
(1)合理選擇切削用量的原則：粗加工時(shí)，-般以提高生產(chǎn)效率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本3半精加工和精加工時(shí)，在保證加工質(zhì)量的前握下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。用三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床鏡削曲面時(shí)，在機(jī)床和刀具允許的范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速盡量選寓些，以提高加工效率。
(2)加工步長(zhǎng)確定的原則：加工形狀復(fù)雜的曲面時(shí)采用殘留刀痕高度法來(lái)確定加工步長(zhǎng)@殘留高度是指沿加工表團(tuán)的法向矢量方向，兩相鄰切削行之間的波峰與波谷的高度差，如圖1所示，以球頭鏡刀加工凸曲面來(lái)討論它們之間的關(guān)系。圖1中，AB=2a(刀具中心間的距離)，PE=h(殘留刀痕高度)，p為曲率半徑，0為曲率中心，r為刀具半徑。當(dāng)曲線(xiàn)弧CD的弧長(zhǎng)很小時(shí)，可以把其近似認(rèn)為是以P為半徑的一段圓弧，因此，可得殘留刀痕高度h和加工步伏的關(guān)系如式 (1)所示。
(1)
圖1 殘留刀痕高度法控制加工步長(zhǎng)
這樣可以通過(guò)殘留刀痕高度h的值，來(lái)控制加工步長(zhǎng)，以此來(lái)確保工件的加工精度。
(3)確定加工余量的基本原則：在保證復(fù)雜型面加工完整的前提下盡量減少加工余量。
(4)走刀方式與切削方向選擇原則：根據(jù)被加工零件表面的幾何形狀，在保證加工精度的前提下，使切削加工時(shí)間盡可能短，且在切削加工過(guò)程中，刀具受力平穩(wěn)。在三維曲面區(qū)域加工的刀具運(yùn)動(dòng)就跡生成技術(shù)中，可采用如下三種走刀方式：往復(fù)型走刀方式、單方向走刀方式、環(huán)切走刀方式。
(5)進(jìn)刀方式與退刀方式的選擇方法：加工精度要求按高的曲面，為不在工件的進(jìn)刀或退刀處留下駐刀痕跡，應(yīng)選擇沿曲面的切矢方向或沿圓弧方向的進(jìn)刀、退刀方式。
(6)編程零點(diǎn)的選擇原則：應(yīng)使編程零點(diǎn)與工件的尺寸基準(zhǔn)重合；應(yīng)使編制數(shù)控程序時(shí)的運(yùn)算最為簡(jiǎn)單.避免出現(xiàn)尺寸鏈計(jì)算誤差：引起的加工誤差最小；編程零點(diǎn)應(yīng)選在容易找正，在加工過(guò)程中便于測(cè)量的位置。
2 基于UG的渦流曲面數(shù)控加工
曲面的數(shù)控加工是逆向工程的重要步驟之一，只有通過(guò)編程加工出按"點(diǎn)云"數(shù)據(jù)重掬的自由曲面，逆向工程才在實(shí)際價(jià)值。下面研究渦輪閻麗的數(shù)控加工方法。
2.1定義加工坐標(biāo)系
為了使編程人員系統(tǒng)而又方便地管理產(chǎn)品的整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程，在編程前首先需定義一個(gè)加工坐標(biāo)系。在逆向工程中加工某一復(fù)雜曲面時(shí)，由于幽面的具體尺寸無(wú)法得到，因此建議采用系統(tǒng)自動(dòng)生成的新坐標(biāo)系，并把編程零點(diǎn)設(shè)在此加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)。
2.2建立刀具資料庫(kù)和選擇加工類(lèi)別
建立刀具資料庫(kù)是根據(jù)本單位數(shù)控機(jī)床刀具庫(kù)的刀具以及加工曲面所要選用的刀具種類(lèi)，建立一個(gè)刀具庫(kù)，把刀具的有關(guān)參數(shù)，如切削刃長(zhǎng)度、切削角以及刀桿長(zhǎng)度輸入刀具庫(kù)中。文中加工用的φ8mm球鏡刀。由于UG軟件能夠進(jìn)行二至五鈾的鏡削加工、數(shù)控車(chē)和線(xiàn)切割等數(shù)控加工的編程，所以編程前要選擇加工類(lèi)別，這里在粗加工中選擇三軸的鏡削加工，在精細(xì)工中選擇五袖的鏡削加工以提高效率。
2.3編程毛坯的建立
實(shí)際加工毛坯的尺寸是依據(jù)編程毛坯的大小來(lái)確定的。要編程加工出渦輪外表幽面，必須先建立渦輪的編程毛坯。由于是空間陽(yáng)面.不僅其麥麗尺寸難以確定，而且在加工坐標(biāo)系中的位置也不好確定，所以需要解決確定所需編程毛坯的大小及其所在的位置。為此，先按曲面大小，用軟件建立編程毛坯的方法自動(dòng)建立一個(gè)加工出曲面所需的最小加工毛坯，查看其尺寸及在加工坐標(biāo)系中的位置，然后建立編程毛坯。建立的編程毛坯如圖2所示。
圖2 渦輪毛胚圖
2.4粗加工編程
數(shù)控加工分為粗加工和精加工。在加工復(fù)雜曲面時(shí)，約70%的余量在粗加工時(shí)切除.因而大量的加工工時(shí)被消耗于粗細(xì)工過(guò)程。為此要選用一種合理的、高效的租加工方法進(jìn)行編程加工。由于渦輪的外表面的麥麗幽率半徑某些地方比較小，而且幽率變化也大，為了能夠用一把刀加工出其表面且滿(mǎn)足精度要求，球銳刀直徑選擇小些，其值為8；進(jìn)刀和退刀方式也選用切矢方向切人和離開(kāi)，以利于提高表面的加工質(zhì)量；切削用量為：主軸轉(zhuǎn)速是4000r/min，每層加工步長(zhǎng)為 lmm，層內(nèi)加工步長(zhǎng)也是1mm，粗加工的余量是1.6mm，表面粗糙度是0.05mm。圖3為渦輪模擬租加工后的效果圖。
圖3 渦輪外褒面的粗加工模擬圈
2.5精加工編程
數(shù)控精加工必須滿(mǎn)足圖紙要求的精度，所以精加工編程的原則是在保證加工精度的前提下盡可能提高加工效率。而編程時(shí)的加工方法選擇和加工參數(shù)的設(shè)定則應(yīng)根據(jù)所加工曲面的具體幾何拓?fù)潢P(guān)系來(lái)確定。
渦輪的外表面比較復(fù)雜，有凹有凸，表面曲率大小不一。從租加工模擬圖看，層間加工步長(zhǎng)是lmm，層內(nèi)行切削的步長(zhǎng)也是lmm時(shí)，加工效果不是很好。所以為了提高加工精度，主刀方式由往復(fù)式改為單向走刀式，雖然加工時(shí)間妖一些，但加工精度較高，這符合精加工編程精度優(yōu)先的原則。切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速 5000r/min，刀具直徑為φ6mm、進(jìn)退刀方式和粗加工樣，表面粗糙度0.01mm，行切削的行間加工步長(zhǎng)則根據(jù)前述的殘留刀痕高度法來(lái)確定。將各相關(guān)參數(shù)選定，加工步長(zhǎng)設(shè)定為0.01mm。圖4是按上述方式和參數(shù)進(jìn)行編程的渦輪的外表面精加工模擬圖，可見(jiàn)用殘留刀痕高度法來(lái)控制加工步候，可以獲得較高的表面加工質(zhì)量。
圖4 渦輪外表面的精加工模擬圖
2.6數(shù)控加工輻序的后處理
要使編制的程序在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn).還得把在UG里編制好的的刀具軌跡文件轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼文件。通過(guò)UG/CAM的加工管理環(huán)境把對(duì)應(yīng)的渦輪的外表面的刀具軌跡文件，經(jīng)后處理求解器轉(zhuǎn)換為NC代碼文件。在數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上完成工件毛坯的安裝、詞試后，將生成的NC代碼文件通過(guò)討算機(jī)輸人到數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，就能在工件毛坯上上復(fù)制出通過(guò)逆向工程反求出的渦輪的外表面的復(fù)雜型面。
3 結(jié)論
在幾何模型自由曲面的逆向工程中.需要對(duì)零件復(fù)雜曲面進(jìn)行數(shù)控加工編程，是逆向工程的重要環(huán)節(jié)之一，只有選擇舍理的加工方法、切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式等工藝參數(shù)才可以以較高的切削加工效率，好的成型質(zhì)量和最佳的加工粗糙度的曲面。根據(jù)所加工曲面的具體幾何拓?fù)潢P(guān)系，在UG的 CAD/CAM集成環(huán)境下，選擇合適的刀具加工路徑的規(guī)劃進(jìn)行租、精加工，這是一種既可提高加工效率，又可獲得較好的表面加工質(zhì)量的途徑。