基于MAX-PAC的閉式葉盤數(shù)控加工技術(shù)

中航工業(yè)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司（江蘇 213022）彭 晨

葉盤是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶及其他工業(yè)領(lǐng)域，它的設(shè)計(jì)合理與否和加工質(zhì)量優(yōu)劣直接影響空氣動(dòng)力性能和機(jī)械效率。為提升性能，葉盤的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，其葉型由可展直紋面到不可展直紋面，乃至完全自由曲面組成。從結(jié)構(gòu)上看，葉盤通常設(shè)計(jì)成整體式，加之流道是閉合的，刀具位置受影響比較大，其葉片的加工難度非常大。

1.加工現(xiàn)狀

葉輪葉盤類零件的加工問題一直是困擾廣大科技人員的技術(shù)難題，也倍受各國工業(yè)界的關(guān)注。為此，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后使用多種加工方法，如最初的采用鑄造成型后修光法、石蠟精密鑄造法、電火花加工法、三坐標(biāo)仿形銑削法等。這些早期的加工方法，不僅加工效率較低，而且葉輪質(zhì)量也比較差，直到數(shù)控技術(shù)被應(yīng)用到葉輪的加工中，葉輪的加工技術(shù)才得到了跨越性的發(fā)展。

然而，數(shù)控加工程序一般都是依靠常用繪圖工具中的加工模塊生成的，如UG、MasterCAM等，這些模塊具有通用性，但對于葉輪這一類零件數(shù)控程序的生成卻顯得不盡如人意。在這些通用軟件多軸加工模塊中，加工曲面的劃分、檢查體的選取、驅(qū)動(dòng)方式的選擇、刀軸和投影矢量的選用、切削曲面刀軌的控制都是難以順利完成的。

因此，程序編制的時(shí)間比較長，程序比較多，特別是對局部加工曲面程序的調(diào)整更是無能為力，這嚴(yán)重影響了零件加工周期和生產(chǎn)效率。開發(fā)一款針對葉輪葉盤類零件加工的專用軟件已顯得尤為必要。于是，諸如HyperMILL、MAX-PAC等軟件順勢誕生了。

2.軟件簡介

MAX-PAC?是美國Concepts NREC開發(fā)的一款面向透平機(jī)械（Turbine）專用的CAM軟件，它具備先進(jìn)的側(cè)刃銑削和點(diǎn)位加工技術(shù)，只需要按粗精加工工序選擇相應(yīng)的加工方法，就能夠用于直紋面和自由曲面的加工，能夠進(jìn)行干涉檢查和碰撞提示，適用于開式和閉式葉輪葉盤類零件，諸如離心壓氣機(jī)葉輪、自由曲面軸流壓氣機(jī)葉盤、風(fēng)扇級葉盤、逆向工程的葉輪葉盤、閉式離心壓氣機(jī)葉輪等。

該軟件共有四個(gè)模塊：PREMAX、MAXPAC、MAX-PP和P3MAX，各模塊有自己獨(dú)特的作用。

PREMAX是數(shù)據(jù)前處理模塊，按一定方式處理UG等數(shù)據(jù)格式來源的葉輪葉盤CAD模型數(shù)據(jù)，保證工程精度；以及一些常用的點(diǎn)格式葉片數(shù)據(jù)，例如，設(shè)計(jì)單位提供的Word或Excel格式的數(shù)據(jù)點(diǎn)文件；或者逆向工程測量得到的一定規(guī)律的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

MAX-PAC是加工編程主要模塊，它提供三種加工類型MAX-5、MAX-AB和MAX-SI，分別針對直紋面開式、自由曲面開式和自由曲面閉式葉輪葉盤類零件的加工。它提供了多種刀位軌跡模板和加工策略，用于適應(yīng)不同的編程工藝，如粗加工、輪轂精加工、葉片精加工、進(jìn)出口邊加工、圓角精加工和輪蓋加工等工序。它能自動(dòng)選刀，根據(jù)葉片間流道的寬度尺寸選擇最理想的加工刀具，供使用者參考。

MAX-PP是后處理模塊，是為各種不同的機(jī)床量身定做各種后處理程序，以便生成的數(shù)控程序能夠順利導(dǎo)入機(jī)床且不用進(jìn)行任何修改即能完成零件的整個(gè)加工過程。

P3MAX是刀路軌跡仿真模塊，對生成的刀路軌跡能夠模擬出來，便于隨時(shí)對不理想的刀軌進(jìn)行再修改。

3.操作流程

在MAX-PAC輸入數(shù)控程序前，要根據(jù)具體情況進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容和參數(shù)的設(shè)置，諸如加工機(jī)床的操作系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的后處理器設(shè)置，VERICUT仿真毛坯模型的導(dǎo)出等。相關(guān)內(nèi)容和參數(shù)的正確設(shè)置是保證機(jī)床加工準(zhǔn)確性和生產(chǎn)周期縮短的先決條件。如果參數(shù)設(shè)置不正確，將會增加后期處理的麻煩，有可能還會出現(xiàn)錯(cuò)誤問題。

圖1是MAXPAC操作流程圖，圖中虛線框中為各項(xiàng)內(nèi)容，一般自上而下進(jìn)行設(shè)置。

4.應(yīng)用實(shí)例

某型號發(fā)動(dòng)機(jī)整流器軸流葉盤如圖2所示。在工藝規(guī)程的工序安排中，其中粗銑葉型和精銑葉型（包含半精銑、精銑和清根加工）工序加工的程序由MAX-PAC來生成。由于該零件為整體閉式結(jié)構(gòu)，我們將選取其中的MAXSI類型進(jìn)行自由曲面點(diǎn)位加工操作。

具體操作過程如下：

（1）啟動(dòng)MAXPAC，在模塊界面上選擇MAX-SI類型，進(jìn)入軟件操作界面。

圖1 MAX-PAC操作流程圖

圖2 整流器軸流葉盤

（2）在菜單“File”中選擇“Input File…”，進(jìn)入輸入文件界面，選擇“File type”，其中有多種類型，如空間三維坐標(biāo)點(diǎn)類型和柱坐標(biāo)點(diǎn)輸入類型等，再輸入事先處理好的數(shù)據(jù)文件，如Blade definition、Splitter definition、Blade edge、Boundary definition等。其中Blade definition是必需輸入的，如果有副葉片，則Splitter definition也是必需輸入的。其余的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要選擇性輸入。

本例中選擇“File type”為“Open 3D（.imp）”，即空間三維坐標(biāo)點(diǎn)輸入類型，再在數(shù)據(jù)文件中分別在Blade definition、Blade edge、Boundary definition輸入zlq.imp、zlq.edg、zlq.bnd的路徑（zlq為零件整流器的拼音首字母），選擇好各數(shù)據(jù)文件后確定。

（3）在菜單“Model”中選擇“General parameters…”，進(jìn)入輸入?yún)?shù)界面，依據(jù)具體操作情況進(jìn)行相關(guān)的全局參數(shù)設(shè)置。

（4）在菜單“File”中選擇“Output File…”，進(jìn)入導(dǎo)出文件界面，選擇需要導(dǎo)出的文件。為了后期在P3MAX中檢驗(yàn)加工刀具路徑，一般都需要選擇“P3MAX(main)”，以便輸出.sf1文件。其余的可選擇性輸出。為了后期將程序?qū)氲絍ERICUT中進(jìn)行實(shí)體仿真，本例另外還輸出了“Vericut stock”的zlq.stk文件。

（5）在菜單“Setup”中選擇“Postprocessor…”，進(jìn)入后處理器選擇界面，依據(jù)具體操作情況選擇相應(yīng)機(jī)床所需的處理器。本零件加工用的是HERMLE C40U機(jī)床，用的控制系統(tǒng)是HEIDENHAIN iTNC 530，雙擊選擇好后確定。

（6）進(jìn)行以上各項(xiàng)操作后，就可以進(jìn)行葉盤的加工工序安排了。依次選擇“Edit”→“Add Operation”→“Roughing…”，進(jìn)入葉片粗加工界面，進(jìn)行Cutter、Method、Passes、Clearance、Orientation等各項(xiàng)設(shè)置，設(shè)置好后，依次選擇“Run”→“Run”，對粗加工刀軌進(jìn)行計(jì)算。如果在信息窗口中出現(xiàn)“MAX has successfully terminated”，表明參數(shù)設(shè)置正確，刀軌計(jì)算順利完成，并輸出了刀軌文件。否則提示錯(cuò)誤信息，操作者可以依據(jù)窗口錯(cuò)誤信息的提示再返回修改相關(guān)參數(shù)。

（7）在菜單“Run”中選擇“Send Geometry to P3MAX”，啟動(dòng)P3MAX模塊，可以看到零件的幾何體模型，再選擇“Send Toolpath to P3MAX”，模塊自動(dòng)將程序?qū)隤3MAX中，點(diǎn)“播放”安鈕，即可以看到刀具加工零件時(shí)走刀軌跡的全過程。如果走刀軌跡不太理想，可以返回粗加工界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改。

（8）按照步驟（6）依次進(jìn)行葉片的半精加工、精加工、圓角清根等工序安排和參數(shù)設(shè)置，并啟動(dòng)P3MAX進(jìn)行仿真觀察。由于流道長且狹窄，本零件分正面和反面兩次加工，葉片的正面粗、半精、精加工和圓角清根加工仿真如圖3所示。

圖3 葉片正面各工序加工仿真圖

（9）為了保證實(shí)際加工尺寸的準(zhǔn)確性，將數(shù)控程序?qū)氲絍ERICUT中進(jìn)行實(shí)體切削仿真，這一步是非常必要的。VERICUT實(shí)體仿真不同于P3MAX仿真，前者能構(gòu)建機(jī)床，加載與機(jī)床相匹配的控制系統(tǒng)，模擬更直觀，更接近實(shí)際加工，且能與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對比分析，更易于發(fā)現(xiàn)實(shí)際加工中存在的諸如過切、欠切和干涉等情況。而后者只能觀察到刀具的刀具路徑。本例零件在VERICUT模擬加工幾個(gè)葉片后的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 葉盤加工實(shí)體仿真圖

5.結(jié)語

經(jīng)過VERICUT實(shí)體仿真切削驗(yàn)證正確后，毛坯在5軸機(jī)床上進(jìn)行試切加工，加工后的零件經(jīng)尺寸、位置度檢驗(yàn)和葉型的三坐標(biāo)計(jì)量符合圖樣要求，確定為合格零件。事實(shí)證明，MAX-PAC生成的數(shù)控程序精簡，生產(chǎn)周期縮短，該軟件在簡化加工程序和提高產(chǎn)品生產(chǎn)周期方面起到了有效的作用，對葉輪葉盤類零件的數(shù)控加工是可行的。