五轴叶轮加工：刀具路径生成、RTCP 和 CNC 优化指南

叶轮是一种发电机械装置，它将流动工作介质的能量转化为机械功；它是飞机发动机、燃气轮机和蒸汽轮机中涡轮增压器的关键部件之一。

工作叶片具有复杂的形状和独特的流道，其加工质量直接影响机器的运行效率和产品性能。

在工程实践中，工程师通常使用五轴机床加工整体式毛坯。

首先，CAD/CAM 软件生成叶轮的加工路径，然后通过特定的后处理程序对这些路径进行处理，之后再在五轴机床上进行加工。

尽管相关研究已经持续多年，但诸如无法共享制造商信息、专业门槛高、新手操作人员难以入门等问题仍然存在。

因此，在推进装备制造业转型升级的过程中，对涡轮机和叶轮加工及后处理仿真技术的研究仍然具有重要意义，因为它有助于提高相关领域的技能水平。 CNC多轴加工.

叶轮的数控加工和刀具路径生成

图 1 显示了一个带有导流叶片的叶轮。

在初始阶段，NX 中用于变轴叶片加工的“mill-multiblade”模块生成刀具路径。

然后，工程师创建后处理程序以生成加工程序，使用 Vericut 通过仿真进行验证，最后在五轴机床上进行加工。

• 生成加工毛坯

在实际加工叶轮时，首先要通过车削加工出毛坯。

在 UG 加工环境中，在 [创建几何体] 下，选择“车削”作为类型，选择“MCSSPINDLE”作为几何体子类型。

在 [工件] 对话框中，将叶轮工件指定为组件，然后单击“车削工件”图标。

然后，系统将自动生成一个旋转实体，该实体包围叶轮的最大外轮廓，如图 3 所示。

如图 4 所示，使用此轮廓进行旋转建模，在加工之前创建叶轮的车削毛坯，并将其导出为 STL 格式模型，以便在 Vericut 仿真中使用。

• 创建叶轮加工几何形状

在 UG 加工环境中，转到 [创建几何体]，选择“铣削-多叶片”，然后从子类型“MCS”、“工件”和“多叶片几何体”中进行选择。

1）MCS 创建

打开 MCS 对话框，并在叶轮顶面的中心建立机器坐标系 (MCS)，如图 1 所示。

在数控机床上进行实际加工时，机床坐标系（MCS）也用作工件坐标系。

2）作品创作

在 [工件] 对话框中，将组件几何形状指定为叶轮，将毛坯几何形状指定为 1.1 节中创建的车削毛坯，以完成工件几何形状的创建。

3）多刃几何体创建

在 [多叶片几何形状] 对话框中，分别指定轮毂、包络、叶片、叶根圆角和分流叶片的几何形状。

信封代表大叶片的外表面；叶片包括左表面和右表面以及前表面和后表面；导流叶片是小叶片。

指定这些参数时，只需选择一个几何形状并输入叶片总数，如图 5 所示。

• 工具选择

根据叶轮流道几何形状和叶片曲率程度，选择锥形球头立铣刀进行加工。

球体直径为 2 毫米，锥度为 3.5 毫米，切削刃长度为 30 毫米，刀具总长度为 50 毫米。

• 创建叶轮加工操作

选择“mill-multi-blade”操作类型进行多轴叶轮铣削；子类型包括多叶片粗加工、轮毂精加工、叶片精加工和圆角精加工。

在“创建操作”对话框中，指定程序位置，选择创建的锥形球头铣刀作为刀具，并确保几何体继承先前创建的 MCS、WORKPIECE 和 MULTI-BLADE-GEOM。加工方法选择“粗铣”。

确认后，系统将进入【多刀片粗加工】设置界面。

系统自动将驱动方式设置为“刀片粗加工”。

配置了步长、切削层数和切削余量等参数，并生成了如图 6 所示的粗加工刀具路径。

使用相同的方法生成轮毂精加工、叶片精加工和圆角精加工的刀具路径。

叶轮后处理设置和G代码生成

• 五轴机床上 RTCP 功能的概述

在工程学中，五轴机床按结构可分为几种类型，包括双转台、双旋转头或转台加旋转头配置。

无论五轴机床的类型如何，由于刀具旋转中心（对于回转头机床）或工件旋转中心（对于转台机床）与刀具位置点不重合，旋转运动会导致刀具位置点出现误差。

如图 7-1 所示，旋转头机床加工工件上的点 p，固定刀具位置坐标，旋转旋转头角度 θ，进行点对点矢量变换，使刀具位置到达点 q，产生误差 YO 和 ZO。

类似地，如图 7-2 所示，对于旋转工作台机床，系统使用线性坐标定位刀具中心点，当执行刀具轴矢量插补（即，将 A 轴旋转角度 θ）时，也会出现误差。

如果工件旋转中心与刀具中心点 TO 重合，则不会发生误差，如图 7-2 中的虚线所示。

大多数现代五轴数控系统都具有自动计算和补偿上述误差的功能。

旋转头机床将其用作 RTCP（旋转刀具中心点）功能，而旋转工作台机床将其用作 RPCP（围绕零件中心点旋转）功能，也称为五轴刀具中心点跟踪功能。

• 双刀塔五轴机床后处理及G代码生成方法的开发

如上所述，具有 RTCP 功能的后处理器生成的 G 代码能够准确地记录上述 MCS 下的刀具位置坐标以及 A 轴和 C 轴矢量。

基于RTCP的G代码和通用程序适应性

该程序依靠控制系统进行坐标变换计算，以指导机床轴执行插补运动，是一个通用程序，能够适应各种配备 RTCP 功能的数控机床。

该后处理器能够正确输出五轴刀具位置点，并能激活五轴联动和多曲面定轴加工功能；此类后处理程序通常由机床制造商提供给用户使用。

非RTCP机器的后处理策略

对于不具备 RTCP 功能的五轴机床，必须根据机床参数配置专门的后处理设置。

软件后处理器计算机床执行的刀具位置和刀具矢量；控制系统不进行二次计算，数控机床执行的刀具位置坐标与 G 代码坐标一致。

如果机器参数、工件毛坯或原点设置发生变化，则必须再次执行后处理以生成 G 代码程序。

本文通过建立双转台五轴机床的非RTCP后处理器进行研究。

如图 8 所示，双转台五轴机床的结构如下：距离 Z_f 从A轴旋转中心到C轴转台面的距离为22.5毫米，Y轴偏移量为22.5毫米。_P C 轴转台与 A 轴旋转中心之间的距离为 10 毫米。

关键参数计算和偏移配置

将叶轮的编程原点定位在工件顶面底面以上 45 毫米处，并在加工过程中将其放置在 C 轴旋转工作台上，从而得到 67.5 毫米的摆动长度，如图 9 所示。

在后处理器中，将第四轴到第五轴中心的 Y 偏移量设置为 10，将 Z 偏移量设置为 67.5。

后处理器还需要配置起始序列、刀具路径、程序结束序列和其他相关内容。

保存后生成了三个后处理文件——.def、.Pui 和 .tcl。

对叶轮的每个加工工序进行后处理后，保存生成的 G 代码程序以供将来使用。

叶轮加工仿真

本节模拟上述非 RTCP 后处理。

• 仿真过程和参数设置

Vericut 是由美国 CGTECH 公司开发的 CNC 加工仿真系统。

它能够进行 NC 程序验证、尺寸测量，并检测过切和超出行程等错误，且具有逼真的 3D 实体渲染功能。

模拟叶轮加工的主要步骤如下：

1）加载系统控制和机床；也可以根据需要创建机床模块。

2）加载生成的 STL 格式叶轮毛坯。

3) 加载 STL 格式的叶轮模型以进行检查和自动比较。

4) 制作一个锥度为 3.5 的球头立铣刀。

5）建立工件坐标系并加载坐标偏移量。

6）加载CNC G代码。

对于不使用 RTCP 的加工仿真，创建的机床组件必须满足 Z 轴方向的要求。_f=22.5 和 Y_P= 10。

夹紧工件时，工件的底面必须与 C 轴工作台面重合。

坐标原点（旋转中心）必须与机床的 C 轴旋转中心重合，以确保工件坐标中心到 A 轴旋转中心的距离为 67.5 毫米。

最终的仿真结果如图 10 所示，从中可以观察到 C 轴旋转工作台的偏移量。

• 仿真结果的分析与比较

在 VT 中启动碰撞分析，设置刀具与坯料之间的碰撞距离，系统未发出碰撞警告。

显示导入的叶轮毛坯设计，将底切和过切公差都设置为 0.03，并进行自动比较。

对比结果如图 11 所示，其中红色区域表示过切区域，蓝色区域表示剩余材料区域。

误差结果在可接受的范围内，表明初始加工编程路径和已建立的后处理器是可用的。

• 五轴机床上叶轮的加工

在配备海德汉 iTNC530 CNC 系统的 DMG DMU100P 五轴机床上对叶轮进行了实际加工，该系统具有自动刀具设置和刀具位置跟踪功能。

将工件坯料放置在 C 轴旋转工作台上，加工过程中无需定心。

夹紧后，根据编程中心自动设置坯料上的坐标原点。

使用机器内置的后处理软件处理生成的刀具路径，并生成要执行的加工程序。

该机器也可以在不进行刀具位置跟踪或非RPCP状态下运行；在这种情况下，机器执行五轴插补而不进行刀具位置跟踪。

将后处理参数设置与机器的实际规格相匹配，并在夹紧过程中将坯料居中。

使用非RPCP功能验证了上述原理和参数设置。

图 12 显示了粗加工后叶轮的状态，图 13 显示了精加工后的叶轮。

加工过程的成功完成验证了上述理论分析和参数设置的正确性。

结语

本文重点研究使用五轴机床加工叶轮。

它描述了为五轴叶轮加工生成自动编程路径的方法，解释了五轴机床的 RTCP 功能和后处理结构背后的原理，并通过实验确定了五轴机床上非 RTCP 后处理的关键参数设置。

使用 VERICUT 验证了非 RTCP 后处理的功能。

在 DMG Mori 五轴机床上进行了实际加工，以验证编程刀具路径和后处理的准确性，从而为该领域的专业人士提供了宝贵的经验和见解。