1 引言
主油泵是汽輪機的關鍵部件，負責調節潤滑冷卻系統的油壓建立及汽輪機控制信號油壓發生，其葉片流道的精度要求很高。其制造質量直接影響汽輪機的安全可靠運行。在公司引進UG-CAM自動編程系統以前，主要采用手工編程方法進行加工，不僅要進行大量的計算，容易出錯;而且加工效率低，零件精度與光潔都無法保證，且后續鉗修量很大。為此，其加工技術一直是工藝設計人員研究的課題之一。在引進了的UGNX軟件系統后，通過利用UGNX的CAD/CAM功能對汽輪機主油泵葉輪進行數控加工技術的研究，充分體驗到UG-CAD/CA M系統功能的優點：安全、可靠，編程周期短、程序修改方便。
2 主油泵葉輪加工現狀及工藝分析
主油泵葉輪的數控加工設備是：北一大偎三坐標聯動加工中心，數控系統為：OSP-E10M-R。
主油泵葉輪加工的關鍵部位是葉輪體上的葉片型線及流道。如圖1側視示意圖，其主要要求為葉片型線準確;葉片間的喉部尺寸精度;流道的粗糙度。在采用手工編程進行數控加工時，編程計算量龐大，程序數據精度較低，其加工完成的葉型及流道不僅滿足不了技術要求，而且需要鉗修葉型與流道，鉗修的工作量很大，加工效率低，質量也無法保證，易把已加工好的面破壞。圖2所示為用手工編程進行數控加工完工后的主油泵葉輪。
圖 1：主油泵葉輪側視圖
圖 2：手工編程數控加工的主油泵葉輪（局部）
主油泵葉輪體的數控加工工藝方案。根據主油泵葉輪毛坯特點，它的凸臺部分已車好，其它部分需要在加工中心上完成，因此把凸臺的圓心作為加工基準，即對刀點。首先，進行粗加工。把葉輪體的大部分余量都要在這一步去掉，因此根據葉輪體流道的寬度，選用尺寸合適的大直徑鑲齒刀。然后，進行半精加工。為了保證葉輪的精度和粗糙度，我們在這一步先去掉一少部分余量，即加工葉片厚度及底面三維部分，同時還要注意保護已加工好的錐面，把它作成檢查體，防止過切。第三，進行精加工。這一步把葉片厚度、底平面及三維底面都要加工到圖紙尺寸，而且要調整好接刀部分。最后，進行根部清理。即利用小于等于根部倒圓角R值的球刀進行清根，達到加工完全的目的。由于葉輪葉片的特殊性，我們把精加工底平面調整到半精加工之前，這樣可使葉片厚度的加工直接達到底平面。
3 建立CAD模型
用UGNX的CAD對汽輪機主油泵葉輪體進行草圖繪制，保證幾何模型的唯一性與一致性。在構造葉輪體CAD模型時，首先要設定幾何模型的基準，好的基準能幫助我們簡化建模的過程，并方便后期的設計修改。通常大部分建模過程的開始都是從設計基準開始的，因此我們把二維CAD圖紙的設計基準也定為三維CAD模型的基準。其次，注意毛坯的信息，被加工掉的部分不能作為毛坯實體，必須詳細畫出精加工圖。第三，根據加工次序要求及加工方法的需要，添加一系列輔助線。由于零件幾何模型和刀具路徑完全相關，刀具路徑能隨幾何模型的改變而自動更新，所以在幾何模型建立時要充分考慮刀具路徑是否會干涉。幾何模型建立是以工作坐標系為基礎的，而刀位文件的生成是以加工坐標系為基礎的。在對葉輪體進行幾何建模時，考慮到有利于操作者準確對刀的位置，一般以已加工好的三維凸臺面的圓心作為基準位置。坐標軸的方向工作坐標系與機床坐標系相一致。在建立葉輪體上的葉片時利用了多層型線補面，在用面補成實體。葉輪體的CAD模型如圖2所示。
圖 3：葉輪體的CAD模型
4 主油泵葉輪CAM數控編程
UGNX-CAM具有強大的銑削加工功能，對于任何復雜曲面都能生成合理的優化的刀位軌跡，然后轉化成數控機床能夠識別的數控加工程序。
4.1建立刀具庫
作為自動化加工設備，數控機床加工對刀具有較高的要求，要求刀具具有較高的精度、剛度和耐用度。為此，應盡量采用整體硬質合金刀具或鑲不重磨機夾硬質合金刀片及涂層刀片。刀具的耐用度應該至少能保證加工一個零件或一個工作班的工作時間。因此我公司采用SECO的銑刀，設置的銑刀類型用5參數銑刀即可，并把長度補償寄存器號、刀具直徑補償寄存器號的編號排好，以指引控制器讀取這些數據。刀具號的設置用于指引控制器控制機床去使用刀具庫中相應編號的刀具。
4.2數控加工工藝分析及切削方法的確定
由于UG中的CAM銑削模塊提供了粗車、多次走刀精車，設定進給量、主軸轉速和加工余量等參數。利用UG中的CAM銑削功能，根據我公司主油泵葉輪體特點及毛坯余量的實際情況，對數控加工工藝進行分析后，采用分五步方法進行。
第一步：開槽加工，即粗加工流道。目的在于將葉片間的汽道開通，形成通道，為半精加工做好準備。對葉輪體車好的毛坯進行粗銑流道，要求底面留0.3mm余量，側面留0.5mm余量。
第二步：精加工底平面。按圖紙尺寸要求，把側面讓出，精銑底平面到圖紙尺寸。
第三步：半精加工葉片厚度及底面三維。由于所用刀具直徑很小，切削量大易磨損刀具，故采用半精加工。半精加工葉片厚度及底面三維部分，為最終圖紙尺寸每面留0.2mm余量。
第四步：精加工葉片厚度及底面三維。精銑葉片厚度及底面三維部分，進行最終精加工。其走刀路徑與半精加工完全相同，只是余量不同。
第五步：清根。主要利用小于等于根部倒角值的球刀進行根部清理。
圖 4：精加工葉片型面(部分)
圖 5：清根(部分)
4.3刀具的選擇
刀具選擇的原則，要根據零件材料的性能、加工工序的類型、機床的加工能力及準備選用的切削用量來合理地選擇刀具。在可能的情況下，盡量選擇較大的刀具直徑，以保證刀具有足夠的剛度，減少震動或刀具折斷等。同時在可能的情況下，刀具的安裝長度要盡量選擇短，以增強刀具的剛度。根據葉輪體的輪廓形狀加工需要，設置好不同的刀具參數，作為編程用刀具。對于銑削平面，采用端銑刀;對于銑削三維部分和根部，采用球刀。
4.4走刀路線的選擇
選擇合理的走刀路線，以保證零件的加工精度與光潔度，盡量減少空刀，選擇較短的走刀路線，對于葉輪體能用一把刀具編程加工的部分盡量連在一起做，節省對刀時間，以提高生產率。UGNX中的CAM具有豐富的刀具軌跡編輯功能，可以控制切削方向及軌跡形狀的任意細節，可以指定垂直、直線相切、圓弧相切等各種進、退刀方式，也可以選擇單向、往復式、仿形外輪廓、仿形零件及輪廓等切削方式，以適應不同的要求，得到高品質的加工效果。針對葉輪體加工，粗加工時選擇底部與側面同時加工;精加工時選擇底部與側面分別進行加工。而進退刀方式選擇以圓弧相切進行，以保證葉輪體的加工精度。
4.5編點位程序
對已畫的精加工圖進行UGNX中的CAM銑削自動編程，經過以上主油泵葉輪體毛坯余量的實際情況加工工藝分析后，選擇合理的走刀路線;設置合理的刀具參數;采用合理的進、退刀方式;控制進給量、主軸轉速和加工余量參數及設置前處理各參數等，進行點位文件生成。(點位文件又稱CLS刀位文件)然后在圖形方式下觀察刀具沿軌跡運動的情況，并進行圖形化修改：如對刀具軌跡進行延伸、縮短或修改等。針對葉輪體加工工藝要求先編制底面程序，再編制各葉片兩個側面程序，最后編制底面三維部分和葉片前面R2.5部分的程序。有時根據實際余量情況需要進行交叉編制點位于程序。
4.6點位程序模擬仿真
為了減少在實際數控加工中心加工上對刀具的調整，保證生成的點位程序可靠性，應在UGNX中的CAM銑削點位程序中對刀具軌跡盡可能廣泛地作有效性檢查，以便對點位程序進行細節分析及觀察刀具的干涉情況。從刀具路徑顯示菜單中調用刀具庫相對應的銑刀，在屏幕上模擬顯示刀具路徑，可檢測參數設置是否正確，如果點位程序顯示刀具模擬仿真不理想，則返回銑削加工模塊對一些參數進行重新修改，直至生成的點位程序模擬仿真結果完全符合加工實際要求。仿真的過程對我們分析編制的程序正確性將提供非常大的幫助。
4.7后置處理的設定
我們使用UG POST后處理方法，輸出NC程序。在UG中做刀軌文件的后處理，生成機床可接收的NC程序，后處理必須具備兩個要素：刀軌和后處理器。刀具軌跡數據在UG-CAM中自動生成，UG后置處理器由事件管理器和定義文件構成。加工中心數控系統為OSP-E10M-R，因此由我公司專人利用UG/POST Builder后處理編輯器開發了這一數控系統的后處理，生成的數控加工程序無須手工修改就可以直接輸入數控機床進行產品加工，從而解決了通用后置處理器產生的數控程序需人工進行二次修改的繁瑣過程。
4.8加工程序的生成
UGNX中的CAM銑削自動編制的點位程序，經過后置程序處理后，最終生成機床能識別的加工程序。生成的程序如下形式：
( Part Name : F:2005051920050526.prt )
( Created By : Angelina )
( Creation Date: Fri May 27 14:12:42 2005 )
( Start Of Path: D25 )
( Tool : D25 D=25.0 R=0.8 )
( FEEDRATE : 300 )
( RPM : 1500 )
G15H1
G00G90G40X-83.238Y27.170
M03S1500
G56Z50.000H01M08
G17G01 ……
…………
G01……
( End Of Path : D25 )
( End Of Task : F:2005051920050526.prt )
( Cycle Time : 380.96MIN )
M30
%
以上"……"代號部分是數控程序中自動計算的坐標點。而開始和結束部分是數控編程中前置處理設置后生成的。
5 結論
實踐表明，UG NX-CAD/CAM軟件在主油泵葉輪體數控自動編程上的應用，提高了主油泵葉輪體加工質量，自動編程時，只要選擇合理的工藝控制參數，結合編程經驗，使得加工過程得到充分的體現。同時對自動生成的程序進行工藝參數的逐步改進，逐步提高，可大大提高加工效率及加工精度，縮短研制與生產周期。