整體葉輪五軸加工技術應用問題研究

莫嘉輝

【摘 要】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。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。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。

【關鍵詞】數控加工；MasterCAM；CAD/CAM；自動編程

1.自動數控編程的準備工作

準備工作主要包括工件坐標系、對刀點與換刀點的確定，工件坐標系零點就是編程零點。在加工編程中，為了使工藝基準與設計基準保持一致。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ф96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。

2.MasterCAM的數控加工功能與應用

2.1零件的幾何建模

建立零件的幾何模型是實現數控加工的基礎，MasterCAM四大模塊中的任何一個模塊都具有進行二維或三維的設計功能，具有較強（CAD）繪圖功能。可以運用Design模塊建模，也可以根據加工要求使用Mill模塊、Lathe模塊和Wire模塊直接建模，在進行零件的建模時，無需畫出整個零件的模型來，只需要畫出其加工部分的輪廓線即可，加工尺寸、形位公差及配合公差可以不標出，這樣既節省建模時間，又能滿足數控加工的需要；建模時，應根據零件的實際尺寸來繪制，以保證計算生成的刀具路徑坐標的正確性；并可將不同的加工工序分別繪制于不同的圖層內，利用MasterCAM中圖層的功能，在確定刀具路徑時，加以調用或隱藏，以選擇加工需要的輪廓線。

2.2零件的模擬數控加工

設置好刀具加工路徑后，利用MasterCAM系統提供的零件加工模擬功能，能夠觀察切削加工的過程，可用來檢測工藝參數的設置是否合理，零件在數控實際加工中是否存在干涉，設備的運行動作是否正確，實際零件是否符合設計要求。同時在數控模擬加工中，系統會給出有關加工過程的報告。這樣可以在實際生產中省去試切的過程，可降低材料消耗，提高生產效率。

2.3生成數控指令代碼及程序傳輸

通過計算機模擬數控加工，確認符合實際加工要求時，就可以利用MasterCAM的后置處理程序來生成NCI文件或NC數控代碼，MasterCAM系統本身提供了百余種后置處理PST程序。對于不同的數控設備，其數控系統可能不盡相同，選用的后置處理程序也就有所不同。對于具體的數控設備，應選用對應的后置處理程序，后置處理生成的NC數控代碼經適當修改后如能符合所用數控設備的要求，就可以輸出到數控設備，進行數控加工使用。

3.加工過程

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ф12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 “梯田臺階”形狀。

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ф12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 “圓臺”形狀。

工序三：加工拋物面和φ96的圓柱上表面的連接面，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ф8R4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ф96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。

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ф8R4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。

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ф8R4的球頭刀，主軸轉速為6000r/min進給速度取為3000mm/min。

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。

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。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。 [科]

【參考文獻】

[1]何滿才.Mastercam X數控車加工實例精選[M].人民郵電出版社，2007.