基于Mastercam的整體葉輪加工技術研究

惠相君，馬宇峰

（浙江工業職業技術學院，紹興 312000）

0 引言

整體葉輪作為動力機械的核心部件，在航空航天、能源動力等領域應用日益廣泛[1]。葉輪加工質量的好壞直接影響到葉輪的空氣動力性能和整個動力裝置的機械效率[2]。而葉輪由于其特殊的形狀結構，使得葉輪的加工成為機械機加工領域的一個難點，因此對葉輪加工的關鍵技術進行研究具有重要的意義。本文利用單位現有的五軸加工中心，借助于Mastercam X7軟件對整體式葉輪的五軸數控加工關鍵技術進行研究。

1 葉輪零件圖分析

圖1 葉輪

圖1所示葉輪的四條曲線上部分點的坐標如表1所示。從圖中可以看出該葉輪加工的難點主要體現在以下三點：1）整個葉輪包括了6個葉片，葉片相鄰的空間狹小，加工時刀具容易和被加工的葉片以及相鄰的的葉片發生干涉；2）葉片為薄壁結構，且為非可展扭曲直紋面，形狀相對比較復雜；3）拋物面和φ96的圓柱上表面的連接不是簡單的圓弧連接，有一“下凹”部分，與X方向有6°夾角，也需要利用五軸聯動加工來完成。由于零件的加工要涉及到五軸加工，因此需要借助CAD/CAM軟件來生成數控程序，本文采用Mastercam X7軟件來完成。在葉輪的加工設備上選用單位自有的配有Heidenhain_TNC530數控系統的五軸加工中心，該機床能實現X、Y、Z、A、C五軸聯動，具體的工作行程參數為：X軸730mm縱向、Y軸560mm橫向；Z軸560mm 垂向，A軸（工作臺擺動）-110°～120°，C軸（工作臺旋轉）360°。從這些參數可以看出該機床能勝任整體葉輪加工的任務。

表1 曲線上點的坐標

2 葉輪的CAD造型

利用CAD/CAM軟件來生成數控程序的首要任務就是完成零件的CAD造型[3]。通過分析葉輪的零件圖，不難發現其造型的難點在于拋物曲面和葉輪面的數字模型的創建。因此對這兩部分的數字建模過程做一重點的說明。在Mastercam X7中要進行拋物線的繪制需要用到mastercam chook dll, chooks的fplot可以依照給定曲線的公式便捷的繪制出指定的圖形，具體操作如下：利用“Alt”+“C”快捷鍵打開fplot.dll文件，隨便打開一個EQN后綴文件就可調出fplot對話框，如圖2所示。可以利用記事本編輯曲線方程式如下：

step_var1 = t

step_size1 = 0.05

lower_limit1 = -3

upper_limit1 = 3

geometry = spline

angles = radians

origin = 0, 0, 0

r=1

y=r*-22*t

z=r*-22*t*t

并保存為txt文件，點選fplot對話框的“打開文件”按鈕，打開已經編輯好的txt文件。在Mastercam X7的繪圖界面上選擇好原點，并點選fplot對話框中“繪制”按鈕上面的按鈕，將其選為“曲線”，就可繪制出需要的拋物線。將得到的拋物線進行適當的編輯，利用“旋轉”方式完成拋物面的創建。

圖2 fplot對話框

圖3 底線

葉片的造型需要通過以下步驟來完成：

1）點選“手動畫線”圖標，輸入表1的曲線上的坐標點數據，并將曲線1和曲線2連接，曲線3和曲線4連接，得到如圖3所示的曲線。

2）將這兩組曲線投影到拋物面以及葉尖外輪廓的邊界面上，如圖4所示，利用這兩組曲線生成直紋面形成葉片表面。

3 葉輪的加工過程

圖4 曲線投影

根據零件的尺寸要求，選用直徑為100mm高度為76mm的棒料作為毛坯，分以下幾道工序進行加工。工序一：運用三爪夾持棒料下端面，采用φ12的硬質合金立銑刀去除棒料上端的主要余量。在這一工序的加工中采用Mastercam X7的“高速曲面加工”方式，這種方式用立銑刀按等高面一層一層地銑削，層與層之間的高度為2mm，加工效率較高。在這一工序中主軸轉速S可以設為6000r/min，進給速度F3000mm/min，加工后得到圖5所示的“梯田臺階”形狀。

圖5 梯田臺階

圖6 工序三

工序二：將上一工序得到的部分“梯田臺階”銑掉，使曲面接近理論曲面。在這一工序的加工中依然采用φ12的立銑刀，但主要利用立銑刀的側刃進行加工，并且較上一道工序主軸轉速保持不變，將進給速度改為1000mm/min，利用Mastercam X7的“沿邊五軸加工”方式進行加工，最后得到圖6上半部分的“圓臺”形狀。

工序三：加工拋物面和φ96的圓柱上表面的連接面，從圖1（b）可以看出該連接面不是簡單的圓弧過渡，有一“下凹”部分，與X方向有6°夾角，需要利用五軸聯動加工才能達到尺寸要求。加工時A軸角度基本保持在84°，并根據加工需要進行微小調整，配合X、Y、Z和C軸進行聯動加工。加工時需要采用φ8R4的硬質合金球頭刀，并利用Mastercam X7的“兩曲線的漸變”方式進行加工。該加工方式選項位于“刀路”/“多軸刀路”的級聯菜單中，具體的加工的相關參數設置在“多軸刀路——兩曲線之間漸變”對話框中設置。下面就關鍵的幾步進行說明：1）“切削方式”設置中有“編輯曲線”欄要選擇兩組曲線，第一組要選擇拋物面，第二組選擇φ96的圓柱上表面。2）“刀具軸向控制”中的“輸出格式”要選擇五軸，“前傾角方向”設為10°，“側傾角切削方向”設為90°。除以上幾步需要進行特別設置，其他可以選用默認值。仿真的結果如圖6所示，生成的部分程序如下：

BEGIN PGM 0088 MM

BLK FORM 0.1 Z X-55 Y-40 Z+0

BLK FORM 0.2 X+55 Y+40 Z+0

M126 M129

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1 A+0 C+0

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1

L A+Q120 C+Q122 FMAX

; CANCEL CYCL19

L Z-42 R0 FMAX M91

CYCL DEF 247 DATUM SETTING ～

Q339=+1 ; DATUM NUMBER

;

TOOL CALL 1 Z S6000

CYCL DEF 32.0 TOLERANCE

CYCL DEF 32.1 T0.003

CYCL DEF 32.2 HSC-MODE:0

; TOLERANCE HCS MODE SETTING

L A+83.745 C+141.281 FMAX M3

M128

L X+48.37 Y+45.936 Z+50 FMAX

L X+48.37 Y+45.936 Z+24.702 A+83.745 C+141.281 FMAX

L X+42.153 Y+38.18 Z+23.612 A+83.745 C+141.281 FMAX

L X+35.935 Y+30.424 Z+22.523 A+83.745 C+141.281 F1000

L X+35.468 Y+30.96 Z+22.522 A+83.741 C+142.011 F3000

L X+34.549 Y+31.977 A+83.74 C+143.735

……

我開始忽悠，每個時代都有每個時代的困頓，也許在歷史的進程里野蠻會戰勝文明，但是要相信，文明的種子在這些市井之輩、讀書之人甚至妓女乞丐的心中代代傳承，文明不會消亡，總有一天它會變得更有力量。

L X+39.112 Y+37.791 Z+23.286 A+84.092 C+141.162 FMAX

L X+39.112 Y+37.791 Z+50 A+84.092 C+141.162 FMAX

M129

M140 MB MAX

M5

L Z-42 R0 FMAX M91

CYCL DEF 32.0 TOLERANCE

CYCL DEF 32.1

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1 A+0 C+0

CYCL DEF 19.0 WORKING PLANE

CYCL DEF 19.1

L A+0 C+0 FMAX M91

M30

END PGM 0088 MM

工序四：進行葉片粗加工，這一工序需要五軸聯動來進行加工，加工中依然采用φ8R4的球頭刀，運用Mastercam X7的“多軸刀路”中的“葉片專家”進行加工，具體的加工的相關參數在“多軸刀路——葉片專家”對話框中設置。幾個關鍵參數設置如下：“切削方式”模塊的“加工方式”選為粗加工，“排序方式”選擇“雙向，由前邊緣開始”以提高加工的效率；在“定義組件”模塊中“葉片”選擇兩相鄰的葉片，“輪轂”選擇剛選中的兩相鄰葉片的中間區域，并且設置“分段數量”為6。其他參數可以選擇默認，就可出程序完成粗加工，加工的仿真結果如圖7所示。

圖7 工序四

工序五：葉片頂部區域的拋物線曲面精加工，這里只需要普通的三軸聯動就可實現。采用Mastercam X7的“刀路”—“曲面精加工”—“流線加工”來生成程序完成加工，這里采用的刀具選用φ8R4的球頭刀，主軸轉速為6000r/min進給速度取為3000mm/min，加工仿真的結果如圖8所示。

圖8 工序五

工序六：進行葉片精加工，在Mastercam X7的“多軸刀路”中選擇“曲面實體”并點選“Swarf milling”,在相應的對話框中設置加工參數。關鍵參數設置如下：“切削方式”模塊的“切削曲面”選擇葉片側面，“底部曲面”選擇兩相鄰葉片之間的輪轂；“曲面公差”中設定切削公差為0.1，最大距離為0.2。其他參數可以選擇默認，就可出程序完成本道工序的加工，加工的刀具路徑如圖9所示。

圖9 葉片粗加工刀具路徑

工序七：進行輪轂的精加工，本道工序的加工出程序的方法與工序四采用的方法基本一直，只需要在“切削方式”模塊的“加工方式”將工序四中的粗加工改成“精修輪轂”即可。

通過以上步驟最終完成葉輪零件的加工，成品如圖10所示。通過三坐標測量儀測量該零件葉片的弧度，均滿足規定的要求。

4 結束語

圖10 葉輪實物圖

本文在分析整體葉輪的結構特性和加工難點的基礎上，確立了加工的總體思路和具體的工藝流程。利用通用的CAD/CAM軟件Mastercam完成了葉輪零件的數字模型創建和加工程序編制，在此基礎上利用本單位現有的五軸加工中心完成了整體葉輪零件的加工。本文采用的加工方法能很好的兼顧零件加工的質量和效率，對類似結構的整體葉輪加工也具有一定的借鑒作用。

[1]曾巧蕓.整體葉輪五軸數控加工刀具軌跡規劃與仿真[D].南京航空航天大學,2012,1-3.

[2]張劍.整體葉輪五軸數控銑削技術研究[D].湖南大學,2012,1-3.

[3]惠相君,柯良,馬宇峰.一變槽深變槽寬的塑料擠出機螺桿的加工技術研究[J].2014(3),44-46.