POWERMILL在葉輪四軸加工中的應(yīng)用

趙炎

摘 要：本文以一個(gè)典型葉輪加工的案例詳細(xì)介紹了PowerMILL軟件在葉輪四軸加工中的應(yīng)用，利用該軟件可以以形象直觀的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪零件的編程，可以將過切與干涉等不安全因素消除在機(jī)床加工之前，對(duì)于保證NC程序的正確性具有重要意義，為廣大用戶編制四軸程序提供了盡可能多的經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞：PowerMILL；葉輪的編程；加工仿真

1 前言

整體葉輪是一類具有代表性且造型比較規(guī)范、典型的復(fù)雜零件，其形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計(jì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對(duì)其性能參數(shù)都有很大影響。在數(shù)控銑削中，四軸、五軸數(shù)控加工因具備有效避免干涉、可側(cè)銑直紋面、切削狀態(tài)良好等優(yōu)點(diǎn)，從而成為提高整體葉輪加工效率和質(zhì)量的首選。

本文基于整體葉輪的幾何特征，利用PowerMILL10.0軟件對(duì)其進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃，詳細(xì)闡敘了葉輪加工的要點(diǎn)及加工的參數(shù)，對(duì)于編制葉輪四軸加工程序有詳細(xì)的介紹，為讀者今后加工同類型零件提供了一定的借鑒。

2 PowerMILL的工作流程

PowerMILL是由英國Delcam Plc公司開發(fā)的一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行、世界領(lǐng)先的專業(yè)數(shù)控加工編程軟件。它的功能齊備，加工策略極其豐富，適用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。PowerMILL獨(dú)有的5軸加工策略、高效粗加工策略以及高速精加工策略，可生成最有效的加工路徑，確保最大限度地發(fā)揮機(jī)床潛能。它功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，可快速、準(zhǔn)確地產(chǎn)生能最大限度發(fā)揮CNC數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的、無過切的粗加工和精加工刀具路徑，確保生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件。

3 葉輪的編程

3.1 檢查分析模型

整體葉輪的關(guān)鍵體素是葉片，葉片曲面可以分為直紋曲面和自由曲面（非直紋曲面），其中直紋面又可分為可展直紋面和非可展直紋面。此外，為合理選擇刀具并生成加工軌跡，也要確定流道的進(jìn)水口寬度、出水口寬度等參數(shù)值。對(duì)葉輪零件進(jìn)行測量可知葉片根部的R為1.5MM，葉片最厚處為1MM、最薄處為0.6MM，出水口處寬度為15MM、進(jìn)水口處寬度為9MM。葉片的側(cè)面為可展直紋面、葉輪流道的底面為自由曲面（非直紋曲面）。根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，我們可以發(fā)現(xiàn)葉片的壁薄易發(fā)生變形，開粗時(shí)應(yīng)留出足夠多的余量給精加工，葉片表面要求光滑，刀路必須順滑、刀路中間不能有接刀痕。

由于不是所有葉輪都可以用四軸加工中心加工，所以我們還要分析一下零件的可加工性。四軸加工中心是通過零件沿旋轉(zhuǎn)軸方向作勻速進(jìn)給，同時(shí)繞旋轉(zhuǎn)軸作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使刀具在空間形成運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線等空間復(fù)雜曲線，沿徑向由外向內(nèi)逐層切削從而完成零件的加工。分析圖形我們可以發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片的扭曲度不大，葉片間的間隙較寬，當(dāng)零件繞旋轉(zhuǎn)軸慢慢旋轉(zhuǎn)，我們沿著零件的直徑方向看過去，產(chǎn)生的試加工刀路所有的刀軸都平行于曲面的經(jīng)線，也就是說所有的曲面都可以加工到，由此我們可以確定此葉輪可以使用四軸加工中心加工。

3.2 葉輪的加工工藝方案

通過對(duì)整個(gè)模型的分析，我們可以確定基本的加工工藝流程為：a.在POM塑料上車削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀；b.參考線精加工策略開粗葉輪的流道；c.曲面精加工策略精加工葉片內(nèi)側(cè)曲面；d.曲面精加工策略精加工葉片外側(cè)曲面；e.曲面投影精加工策略精加工葉輪的流道；f.曲面精加工策略清1.5MMR角。整個(gè)零件采用PowerMILL10.0軟件編程，選用普通的合金涂層刀具加工，加工機(jī)床為日本MAZAK NEXUS 6000_Ⅱ臥式加工中心。

3.3 葉輪的編程

a.參考線精加工策略開粗葉輪流道

葉輪流道出水口處寬度為15MM、進(jìn)水口處寬度為9MM。開粗葉輪流道只能選擇直徑小于￠9MM的平底刀，為了給精加工留有足夠的余量，我們現(xiàn)在選取盡可能大的刀具￠5MM的平底刀進(jìn)行加工。我們先在葉輪底面中心處繪制一條線作為刀路的軌跡線；設(shè)定刀具的刀軸朝向原點(diǎn)為（X0.Y0.Z0.）平行于X軸的直線；運(yùn)用參考線精加工策略設(shè)置各個(gè)加工參數(shù)，產(chǎn)生如圖1顯示的刀路。參考線精加工策略產(chǎn)生的刀路，特點(diǎn)是所有刀路將按照所畫參考線軌跡，沿著刀軸的方向，向上或向下以設(shè)定的步距偏置出多條刀路。由于零件是由6片形狀完全相同且均布在圓周上的葉片構(gòu)成，所以我們可以通過復(fù)制旋轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生其他5個(gè)槽的程序。

b.曲面精加工策略精加工葉輪內(nèi)側(cè)曲面

開粗完葉輪流道后，每片葉片都留有單邊2MM以上的余量。根據(jù)余量的分布和根部R角大小，我們選擇￠6R1的牛鼻刀對(duì)內(nèi)側(cè)葉片進(jìn)行精加工。分析模型時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，整個(gè)葉片的側(cè)面是由一整塊可展直紋面構(gòu)成，因此我們選擇曲面精加工策略加工葉片。曲面精加工策略是按曲面的UV方向?qū)我坏哪Ｐ颓孢M(jìn)行加工的加工策略，它不受投影方向的限制，只按所選曲面的經(jīng)緯線方向產(chǎn)生出刀路軌跡。選取葉片的內(nèi)側(cè)曲面，設(shè)定完加工參數(shù)后，通過計(jì)算我們可以得到圖2刀路。

c.曲面精加工策略精加工葉輪外側(cè)曲面

同樣，我們使用曲面精加工策略，選取葉片的外側(cè)曲面，可以得到如圖3所示刀路。

d.曲面投影精加工策略精加工葉輪的流道

對(duì)于葉輪的流道，我們選用￠4MM的球頭刀，運(yùn)用曲面投影精加工策略加工。曲面投影精加工是以所選曲面作為投影源，對(duì)單一的模型曲面按UV方向進(jìn)行軌跡投影的加工策略。曲面投影精加工只能對(duì)單一的模型曲面進(jìn)行編程，而葉輪底面有3塊自由曲面，因此我們只能分別選取曲面，計(jì)算出3個(gè)刀路后，將刀路疊加成一個(gè)精加工的程序。我們設(shè)好刀軸，先選取中間的一塊曲面，設(shè)定加工參數(shù)，計(jì)算出第一條刀路（注意UV方向的設(shè)置），以相同的方法分別將其他的底面生成刀路，用刀路疊加功能得到圖4刀路。

e.曲面精加工策略清1.5MMR角

因?yàn)榧庸と~片時(shí)￠6R1的牛鼻刀會(huì)與葉輪槽底部的曲面發(fā)生干涉，所以葉輪根部的R角需要進(jìn)行清角加工。我們選用￠2MM的球頭刀，設(shè)置好刀軸，選擇葉輪根部內(nèi)側(cè)R1.5MM的曲面，用曲面精加工策略計(jì)算出第一條清角刀路，以相同的方法，計(jì)算出清外側(cè)R角的另一條清角刀路，將兩條刀路疊加獲得如圖5的刀路。

3.4 葉輪的加工仿真

PowerMILL軟件為我們提供了集成一體的加工切削實(shí)體仿真功能，我們可用它仿真模擬完整的加工切削過程，檢查過切、碰撞、順銑/逆銑和加工質(zhì)量等切削情況，節(jié)省上機(jī)床實(shí)際試切加工的成本。PowerMILL的加工切削實(shí)體仿真模塊還可從任何方向局部放大察看、旋轉(zhuǎn)察看仿真過程中和仿真完畢后的加工情況，提高了加工切削實(shí)體仿真的效率。對(duì)于四軸、五軸加工僅僅是加工切削實(shí)體仿真是不夠的，由于其運(yùn)動(dòng)方式不單有X、Y、Z軸的直線運(yùn)動(dòng)，還同時(shí)存在了A、B、C 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加工時(shí)很容易發(fā)生零件與機(jī)床、刀具與機(jī)床、夾具與機(jī)床發(fā)生干涉的情況，不裝載機(jī)床仿真，后續(xù)加工時(shí)在機(jī)床上就必須花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行校核以避免碰撞的發(fā)生。PowerMILL的機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真和碰撞檢查模塊既適用于已定義的標(biāo)準(zhǔn)類型的機(jī)床，也可根據(jù)需要定義自己的機(jī)床模型。我們可以在屏幕上看到實(shí)際加工中將出現(xiàn)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)的真實(shí)情況，可以發(fā)現(xiàn)使用不同加工策略時(shí)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的合理性，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與運(yùn)動(dòng)中的各個(gè)部位是否碰撞，只有通過了機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真，我們才可以放心的將程序發(fā)送至機(jī)床進(jìn)行加工。

4 結(jié)束語

四軸加工中心因有旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，所以其運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算較為復(fù)雜，編程時(shí)能用到的加工策略也不多。本文介紹的加工與編程方法，不僅適用于葉輪的加工，對(duì)于圓柱凸輪、少齒轉(zhuǎn)子、異形螺桿等零件的加工也有一定的借鑒作用。PowerMILL是一款集多種功能于一體的加工編程軟件，它功能強(qiáng)大對(duì)于四軸、五軸零件的加工很有幫助，它易學(xué)易用初學(xué)者能很快掌握它的用法，但我們要想編制出高效優(yōu)質(zhì)的四軸加工程序，單單靠強(qiáng)大的編程工具是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，它還需要我們不斷的鉆研新的加工工藝、改進(jìn)加工方法，不斷的積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在一次次的實(shí)際加工中完善我們的程序。

[參考文獻(xiàn)]

[1]呂程輝，導(dǎo)師：郝一舒.整體葉輪的五軸高速銑削加工工藝優(yōu)化.[學(xué)位論文]博士，2000.

[2]楊書榮，周敏.深入淺出PowerMILL數(shù)控編程.中國電力出版社，2008.

[3]彭芳瑜，鄒孝明，丁繼東，李斌.《中國制造業(yè)信息化：學(xué)術(shù)版》.2007，第1期.