基于 NX 和 Vericut 的叶轮五轴加工与数字孪生制造技术应用
摘要 叶轮作为机械装置的核心动力部件, 已被广泛应用于航空、航天、能源、水利水电、
土木及其他工业领域，是一类最具有广泛代表性的通道类复杂薄壁曲面类零部件，其加工
制造水平的先进程度更是作为衡量一个国家综合科学技术实力的标准。目前，常常采用五
轴联动加工的加工方法对进行加工，然而在加工过程中仍然有极大可能会出现碰撞、过去
或干涉等问题。因此，研究叶轮的加工制造技术，从而提升叶轮的加工质量与加工效率，
具有极其重要的意义。
本文重点探讨叶轮的数控程序设计和虚拟模拟及其在其制造中的应用，以及在其加工
过程中需要应用到的多轴加工技术与数字孪生制造应用技术，目的是实现对叶轮五轴数控
加工程序的优化，尽量避免加工过程中发生故障，提高叶轮的加工质量与加工效率。
本课题主要以此次大学生创新创业训练项目中的某型增压装置的叶轮五轴数控加工
为例，应用 NX 软件对叶轮进行建模与加工编程的编制，分析了叶轮的加工特点，并以此
为基础而制定出合理的加工工艺流程，然后应用 VERICUT 软件对叶轮进行五轴数控加工模
拟，以保证 NC 的正确性，然后在五轴机床上进行实际的铣削，实现叶轮高效率、高质量
的加工。
关键词：叶轮 五轴加工 数字孪生制造技术
目 录
第一章 绪论...................................................... 1
1.1 课题的研究背景及意义.................................................1
1.2 多轴加工技术的概述...................................................2
1.3 本文的主要内容.......................................................4
第二章 叶轮加工工艺分析.......................................... 6
2.1 叶轮的结构分析.......................................................6
2.1.1 叶轮的结构特点.................................................6
2.1.2 叶轮的加工技术要求.............................................6
2.1.3 叶轮的加工难点分析.............................................7
2.2 叶轮车削加工工艺的分析...............................................7
2.2.1 叶轮的毛坯创建.................................................7
2.2.2 叶轮背面的创建.................................................8
2.3 叶轮五轴加工工艺的分析...............................................8
2.3.1 叶轮的夹具的选建...............................................8
2.3.2 叶轮的加工刀具的选择...........................................9
2.3.3 叶轮五轴加工余量的确定........................................10
2.3.4 叶轮五轴加工坐标系的创建......................................11
2.4 叶轮加工工艺路线的拟定..............................................11
2.5 本章小结............................................................12
第三章 基于 NX 的叶轮和螺旋叶片数控加工编程 ...................... 13
3.1 叶轮整体定向粗加工的数控编程........................................13
3.2 叶轮半精加工的数控编程..............................................14
3.2.1 叶轮主叶片半精加工的数控编程..................................14
3.2.2 叶轮分流叶片半精加工的数控编程................................15
3.2.3 叶轮轮毂半精加工的数控编程....................................16
3
3.2.4 叶轮顶部半精加工的数控编程....................................18
3.3 叶轮精加工的数控编程................................................18
3.3.1 叶轮主叶片精加工的数控编程....................................19
3.3.2 叶轮分流叶片精加工的数控编程..................................19
3.3.3 叶轮轮毂精加工的数控编程......................................19
3.3.4 叶轮顶部精加工的数控编程......................................20
3.4 离心式叶轮与螺旋叶片加工差异分析....................................20
3.4.1 不同结构的叶轮加工分析........................................20
3.4.2 螺旋叶片的数控加工编程........................................22
3.4.3 离心叶轮与螺旋叶轮加工异同点分析.............................26
3.5 本章小结............................................................27
第四章 五轴机床的应用技术....................................... 28
4.1 叶轮的实际加工......................................................28
4.1.1 加工准备工作..................................................28
4.1.2 装夹工件和刀具................................................29
4.1.3 设定加工坐标系和刀具补偿......................................30
4.2 叶轮实际加工误差分析................................................32
4.2.1 叶轮叶片曲面加工误差分析......................................32
4.2.2 叶轮流道轮毂面加工误差分析....................................32
4.3 本章小结............................................................33
第五章 五轴加工与数字孪生制造技术的应用 ......................... 34
5.1 数字孪生制造技术的概述..............................................34
5.2 叶轮的虚拟仿真......................................................35
5.3 叶轮数字孪生制造技术——实际加工与数字孪生一一映射..................39
5.4 叶轮虚拟加工误差分析................................................42
5.5 叶轮的 VERICUT 仿真优化..............................................43
5.6 本章小结............................................................44
第六章 总结和展望............................................... 45
4
6.1 总结................................................................45
6.2 展望................................................................45
致 谢........................................................... 46
参考文献： .................................................................47
参考文献：
[1] 杨飞，张虎，宋佳娜.整体叶轮五轴数控加工与仿真优化研究[J].无锡职业技术学院
学报,2018
[2] 张德胜，张启华，施卫东.叶片泵设计数值模拟基础与应用[M].北京：机械工业出版
社,2015
[3] 吴雁，吕博鑫，郑刚.径流式整体叶轮五轴高速加工工艺及参数优化[J].组合机床与
自动化加工技术，2015
[4] 卞强，张宣，杨飞，张虎.涡轮性能试验装置中叶轮的制作与研究[J].机械工程师，
2019
[5] 石庆，文怀兴.基于 UG 和 i5M8.4 智能五轴加工中心的叶轮加工[J].机械工程与自动
化，2018
[6] 伍文进.UG_NX 叶轮加工及 MCV850-5 五轴加工中心后置处理的研究[J].机床与液压，
2016
[7] 郭山国，李刚峰，王玉，武秋俊，王国章，张长军，于国英.基于 UG 和 SKY-5L14075
机床的叶轮五轴数控加工的实现[J].机床与液压，2016
[8] 陈亮，蔡安江，杨冰.整体叶轮五轴加工 NC 程序的自动生成及优化[J].组合机床与自
动化加工技术，2015
[9] 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
[10] 叶卫文，赵利平，侯贤州.发动机叶轮、叶片的五轴加工方法及参数改进研究[J].造
纸装备及材料，2021
[11] 徐丽娜，孙慧，田德.基于 NX 平台的整体式分流叶轮五轴数控加工研究[J].现代制
造工程，2019
[12] 叶卫文，Zhao Liping，Hou Xianzhou.叶轮 5 轴加工方法及制造工艺研究[J].模具
制造，2020
[13] 魏岩，韩旭，兰海，阎长罡.基于 UG8.0 的整体式叶轮五轴数控加工研究[J].大连交
通大学学报
[14] 赵中华，张水忠. 基于 UG 平台叶轮五轴加工工艺及虚拟仿真技术研究[J].制造技术
与机床，2009
