基于ESPRIT 的葉輪五軸加工策略分析
——以龍巖九龍泵業(yè)公司某型葉輪為例

楊洪斌

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖，364000）

輪盤(pán)類(lèi)機(jī)械零部件，是一種典型的高難度機(jī)加工零部件。具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、精度要求高、且加工效率低下等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行高效數(shù)控多軸加工一直都是國(guó)際高端機(jī)械加工行業(yè)研究的重難點(diǎn)。本文以龍巖九龍泵業(yè)生產(chǎn)的某型泵的整體葉輪為具體研究載體，利用國(guó)際先進(jìn)的ESPRIT車(chē)銑復(fù)合編程加工的CAM 系統(tǒng)作為重點(diǎn)解析對(duì)象，高校骨干教師與企業(yè)工程師合作為研究主體，系統(tǒng)學(xué)習(xí)并借鑒國(guó)外先進(jìn)數(shù)控多軸加工策略和加工經(jīng)驗(yàn)，以達(dá)到提升高校教師和企業(yè)工作人員的實(shí)際數(shù)控多軸編程與加工的水平，并為接下來(lái)的建立“1+X 職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)制（數(shù)控多軸加工）”的人才培養(yǎng)模式做好技術(shù)鋪墊。

1 典型工件與CAM 軟件

1.1 典型工件的選擇

鑒于龍巖地區(qū)的裝備制造企業(yè)中，以給排水、排澇專(zhuān)用車(chē)發(fā)展為主要方向的主要有福建僑龍專(zhuān)用汽車(chē)有限公司（龍吸水排澇）、福龍馬特種車(chē)（各類(lèi)吸塵車(chē)、吸污車(chē)）、福建龍巖九龍泵業(yè)公司為代表，其核心零部件為各種水泵與風(fēng)機(jī)[1]。典型核心部件為各種葉輪的廣泛使用，本課題組特此選取了龍巖九龍泵業(yè)所應(yīng)用的一款整體葉輪，通過(guò)對(duì)該典型復(fù)雜范例進(jìn)行相應(yīng)數(shù)控多軸（五軸）加工研究，并將相應(yīng)的加工經(jīng)驗(yàn)給予推廣到其他相近類(lèi)型葉輪加工領(lǐng)域。

1.2 數(shù)控加工領(lǐng)域CAM軟件現(xiàn)狀

工業(yè)CAM軟件中，主流高端多軸CAM軟件主要應(yīng)用于國(guó)防科技、航空航天制造、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域，其代表有ESPRIT、hyperMILL 等；hyper-MILL 軟件由于多種因素緣故，在中國(guó)的普及率較低。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)的高端設(shè)備編程領(lǐng)域的高端五軸CAM軟件主要是ESPRIT，特別是在五軸加工及車(chē)銑復(fù)合加工領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率達(dá)70%以上[2]。

1.3 ESPRIT 概述及應(yīng)用情況

ESPRIT 是DP Technology 公司的代表作品，其亞太區(qū)總部設(shè)置在中國(guó)上海。軟件主要功能為：帶B 軸多任務(wù)車(chē)銑復(fù)合加工、2-5 軸高速銑削加工、2-22 軸車(chē)削加工和2-5 軸線切割加工等[3]。2016 年以來(lái)，迪培軟件贊助支持了連續(xù)多屆的全國(guó)數(shù)控大賽、全國(guó)職業(yè)院校技能大賽、全國(guó)智能制造大賽等重量級(jí)的教育系統(tǒng)職業(yè)賽事，該軟件的多軸編程功能強(qiáng)大，加工時(shí)間短、加工效率高、系統(tǒng)培訓(xùn)學(xué)習(xí)方便等特點(diǎn)得到了參賽企業(yè)和職業(yè)院校師生的廣泛的認(rèn)可和支持，并且注重對(duì)教育系統(tǒng)的合作教學(xué)培訓(xùn)，培養(yǎng)中國(guó)智能制造高端數(shù)控技術(shù)人才[4]。

2 ESPRIT 葉輪模塊及加工策略

2.1 ESPRIT 五軸葉輪加工模塊介紹

ESPRIT CAM 系統(tǒng)中，五軸葉輪加工是ESPRIT 開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)用模塊，使用了多種加工策略進(jìn)行葉輪的粗、精加工。ESPRIT 具備了基于特征的加工方式，以及特有的、成熟的特征自動(dòng)識(shí)別功能，可以做到優(yōu)化刀具軌跡，減少加工過(guò)程中循環(huán)時(shí)間和機(jī)床的不必要的損耗。

2.2 葉輪加工規(guī)程研究

ESPRIT CAM系統(tǒng)界面中，先進(jìn)行加工前準(zhǔn)備工作，即建立通過(guò)三維造型特征命令-- 自由特征鏈，構(gòu)建加工所需的自由曲面特征。再調(diào)用葉輪加工模塊，分別進(jìn)行開(kāi)粗—輪轂精加工—葉片精加工的加工工藝規(guī)程。詳細(xì)如下流程圖1 所示。

圖1 葉輪五軸加工流程總圖

2.2.1 葉輪工藝結(jié)構(gòu)分析及加工特點(diǎn)

本課題所選取的龍巖九龍泵業(yè)所應(yīng)用的一款S 型葉輪，其結(jié)構(gòu)為整體式葉輪，主要結(jié)構(gòu)為輪轂、導(dǎo)流葉片、分流葉片三特征部分組成，葉片的特點(diǎn)是直紋葉片。該型葉輪同時(shí)具備了全流道和分流流道兩種典型的流道模式，為本文更好地研究適合的加工策略提供了良好的對(duì)比觀測(cè)條件。相應(yīng)的曲面結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用了Solidworks 三維造型軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。薄壁類(lèi)的導(dǎo)流葉片因其曲面扭曲角度大，展弦比適中，葉根部位采用圓角過(guò)渡的情況下導(dǎo)致其整體剛性較弱。加工過(guò)程中極容易受到殘余應(yīng)力等多因素影響而導(dǎo)致塑性變形，嚴(yán)重影響機(jī)加精度及成品率[7]。加工策略的選擇和適合刀具合理有效的選擇極為關(guān)鍵。本文依據(jù)以上零件特點(diǎn)和ESPRIT CAM系統(tǒng)的特性來(lái)制定該葉輪的完整加工工藝方案。

2.2.2 編程前準(zhǔn)備工作

CAM系統(tǒng)中所使用的三維實(shí)體模型，是CAD三維設(shè)計(jì)軟件利用各種特征造型命令生成的數(shù)字組合體。在數(shù)控編程過(guò)程中如何獲取這些特征，進(jìn)行相應(yīng)的編程操作，是各種CAM系統(tǒng)的常規(guī)編程手段。但其缺陷也是很明顯：各種CAM系統(tǒng)獲取模型特征的能力各不相同。ESPRIT 內(nèi)核架構(gòu)中的專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)特征識(shí)別術(shù)，動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)CAD系統(tǒng)的三維實(shí)體模型信息，對(duì)零件自動(dòng)進(jìn)行特征的提取、識(shí)別，計(jì)算出可靠、實(shí)用的數(shù)控加工程序[8]。這是進(jìn)行編程準(zhǔn)備工作—“建立自由特征鏈—規(guī)則特征”的主要依據(jù)，為接下來(lái)的輪轂、葉片、流道加工鋪墊良好的基礎(chǔ)。

數(shù)控編程準(zhǔn)備工作具體過(guò)程為：使用自動(dòng)鏈特征命令建立葉片外輪廓正面（以及背面）封閉輪廓線框，再利用其生成葉片的完整規(guī)則特征。其目的是將葉片的三維外形輪廓線形成完整的封閉輪廓線框，以備CAM 系統(tǒng)進(jìn)行葉片特征的自動(dòng)拾取、識(shí)別。

2.2.3 粗加工策略使用與研究

葉輪模塊總加工參數(shù)對(duì)話框采用了扁平式結(jié)構(gòu)、參數(shù)化設(shè)計(jì)的模式。包含了“一般設(shè)定、刀具路徑、鏈接、碰撞檢查、用戶參數(shù)”四個(gè)子模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)話框。具體過(guò)程為：

（1）“一般設(shè)定”對(duì)話框，主要參數(shù)是切削刀具的選擇。我們選擇了R1.5 TA3 的球刀，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率等參數(shù)，除了依據(jù)刀具廠商提供的切削參數(shù)計(jì)算對(duì)照表進(jìn)行計(jì)算和選取之外，還可以參考ESPRIT CAM獨(dú)有的系統(tǒng)自備刀具切削數(shù)控庫(kù)管理內(nèi)核模塊，系統(tǒng)集成了多種刀具的刀庫(kù)數(shù)據(jù)方便調(diào)用。這是ESPRIT 相比于CAM軟件的獨(dú)特之處之一。

（2）“刀具路徑”如圖2 所示，其中的“加工精度”主要參數(shù)為設(shè)定粗加工的加工公差、輪轂和葉片加工余量、限制點(diǎn)的距離。“幾何”參數(shù)為設(shè)定加工的基準(zhǔn)軸及加工前做好的規(guī)則特征，以便CAM系統(tǒng)準(zhǔn)確快速地識(shí)別到正確的加工位置和相應(yīng)的坐標(biāo)。該項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，充分體現(xiàn)了ESPRIT 基于特征的加工方式以及特征的自動(dòng)識(shí)別功能，可優(yōu)化刀具軌跡，減少循環(huán)時(shí)間和機(jī)床損耗[9]。

圖2 刀具路徑對(duì)話框

（3）“加工策略”中，系統(tǒng)提供了四種粗加工方式：五軸粗加工；中心分層粗加工；帶分流葉片粗加工；4 軸/5 軸粗加工（流道無(wú)分流葉片）。以上四種方式要依據(jù)零件的具體形式來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

2.2.3.1 粗加工策略一：五軸粗加工

葉輪粗加工策略中，“五軸粗加工”模式是最常用的。最主要參數(shù)的設(shè)定為“粗加工方向、殘留加工限制、走刀方式、葉片R 角加工”，相應(yīng)的具體參數(shù)設(shè)置合理與否，則直接影響加工質(zhì)量和效率。

“粗加工方向”是最關(guān)鍵的加工因素：開(kāi)粗時(shí)刀具與毛坯劇烈擠壓切割過(guò)程所產(chǎn)生的大量的加工應(yīng)力等因素極易導(dǎo)致工件變形，該模塊依據(jù)各種葉輪構(gòu)造的不同而設(shè)置了三種加工方式：“由下向上、由上到下、上下逼近”。本例中毛坯為整體式，呈現(xiàn)上尖下寬的傘形塔件，故采用了“由下向上”，從尺寸最大最厚的多余材料層開(kāi)始逐層銑削去除，加工應(yīng)力變化平穩(wěn)可控，有效避免加工應(yīng)力導(dǎo)致的工件變形。該方式在編程前創(chuàng)建規(guī)則特征鏈的時(shí)候，已經(jīng)將葉片輪廓線的起始方向改成“由下向上”，便于配合該走刀方式。刀具跳刀軌跡較少，加工程序緊湊，加工效率高。這是與其他CAM軟件的主要區(qū)別之處。

圖3 “殘留加工限制”四選項(xiàng)

圖4 “葉片R 角加工”四選項(xiàng)

“殘留加工限制”如圖3 所示，是指該道加工工序所選用的刀具的加工范圍。本例中葉輪整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，一把刀具即可完成一道工序，因此選擇“全部加工”。其他大尺寸大深度的葉輪需要調(diào)用多把不同刀具配合加工，可以選擇其他三種“部分加工”選項(xiàng)。

“走刀方式”具有五種走刀方式：數(shù)控銑削常見(jiàn)的五種方式都具備；基于本例零件流道的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，開(kāi)粗采用了“螺旋加工”，其加工速度最快，加工應(yīng)力殘留最少，加工效率最高，一次抬刀即可完成。

“葉片R 角加工”如圖4 所示，具備四種方式：頂?shù)拙鶡o(wú)R 角、頂?shù)锥糝 角、頂部角、底部角。本例中只有頂部有過(guò)渡R 角。此方式的設(shè)立是ESPRIT特色配合走刀方式，盡可能的優(yōu)化刀具走刀軌跡和路徑安排。以避免如某些CAM軟件是單獨(dú)設(shè)置該方式，效率低下，耗時(shí)費(fèi)事。

以上參數(shù)設(shè)置后，生成具體的刀路軌跡。并對(duì)不合理的刀路軌跡進(jìn)行優(yōu)化，所應(yīng)用的命令框是“連接—進(jìn)給連接”，選用“毛坯外光順”方式優(yōu)化連刀軌跡。優(yōu)化前和優(yōu)化后的刀路優(yōu)化圖如圖5所示：抬刀軌跡明顯減少至最低。

2.2.3.2 粗加工策略二：中心分層粗加工

上一個(gè)粗加工策略中，我們選用的是帶分流葉片的流道進(jìn)行開(kāi)粗加工。流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工效率和過(guò)程比較慢。現(xiàn)在對(duì)另外一個(gè)無(wú)分流葉片的流道進(jìn)行加工。該流道全通透無(wú)阻擋，最適合的加工策略為“中心分層粗加工”：即在流道毛坯正中先下刀分層切削一個(gè)凹槽直至輪廓外輪廓底部，然后利用刀具側(cè)刃的切削能力，一次螺旋形走刀切削剩余所有的存量，加工效率成倍提高。

具體過(guò)程為：點(diǎn)擊葉輪模塊，如上個(gè)策略一般，在不更換刀具的情況下，只是更換加工策略，相應(yīng)的對(duì)話框只需選擇新流道的規(guī)則特征鏈，再把加工策略更改為“中心分層粗加工”即可，其他參數(shù)沿用上一策略。結(jié)果如圖6 所示。這就是ESPRIT 有別于其他CAM軟件的最特別處：“工藝重用”功能[8]。該功能使得編程員可避免大量重復(fù)的參數(shù)設(shè)置工作，編程翻倍提高。

圖5 粗加工刀路軌跡優(yōu)化圖

圖6 中心分層粗加工刀路軌跡圖

無(wú)分流葉片的流道粗加工，建議最優(yōu)使用該策略：因?yàn)镋SPRIT 新增的Profit Milling 模塊，是基于3D 模型規(guī)則特征來(lái)進(jìn)行優(yōu)化刀具路徑，與傳統(tǒng)的Offset 刀具路徑相比，減少了編程過(guò)程中大量的重復(fù)操作，效率提高五到六倍[8]。

2.2.4 精加工策略研究

2.2.4.1 精加工策略一：輪轂精加工

基于前章節(jié)所述的ESPRIT“工藝重用”的特色功能，可在中心分層粗加工工序后，接續(xù)進(jìn)行的輪轂精加工過(guò)程變得非常簡(jiǎn)便，在使用同一刀號(hào)刀具的時(shí)候，只需新建一個(gè)輪轂精加工工序，只改變“連接—光順連接”參數(shù)，直接確定生成精加刀路軌跡。如圖7 所示。

圖7 輪轂精加工刀路圖

2.2.4.2 精加工策略二：直紋葉片精加工（SWARF 方式）

通過(guò)前述構(gòu)分析可知，該葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為直紋葉片，葉片扭曲角度較小。因此非常適合ESPRIT 五軸加工策略的一個(gè)專(zhuān)用特效加工模式（SWARF），即采用適當(dāng)?shù)牡毒撸闷鋫?cè)刃銑削功能，貼合加工葉片輪廓，將殘留精加工余量一刀完整切削去除。加工效率極高，加工表面質(zhì)量非常好。具體的操作如下：先建立葉片的規(guī)則特征、葉片輪廓匹配線。再調(diào)用SWARF 策略，將“刀具位置—規(guī)則特征：選定所做特征”“刀軸方向—輪廓匹配：使用規(guī)則匹配線、刀軸光順：是”參數(shù)設(shè)定完整即可。最后，點(diǎn)擊確定生成刀具路徑圖，如圖8所示。

圖8 SWARF 一刀切策略路徑

2.2.4.3 精加工策略三：非直紋葉片精加工（五軸螺旋精加工）

在整體葉輪的葉片精加工中，最常用的策略是五軸螺旋精加工，也是我們研究的重點(diǎn)。基于前章節(jié)所述的ESPRIT“工藝重用”的特色功能，在我們做完SWARF 模式后，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定均已保存在加工數(shù)據(jù)庫(kù)中，故在調(diào)用該模塊的時(shí)候，無(wú)需對(duì)所有的參數(shù)重新設(shè)置，只需對(duì)需要更改的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)即可。因此可見(jiàn)ESPRIT 軟件的易操作、高效編程方面與其他CAM軟件的區(qū)別所在。具體過(guò)程為：調(diào)用模塊，重點(diǎn)設(shè)置相關(guān)子菜單：

（1）（幾何）參數(shù)“幾何—刀軸控制面：選擇葉片表面，開(kāi)始輪廓：葉輪頂部規(guī)則特征鏈（加延長(zhǎng)線），結(jié)束輪廓：葉輪根部規(guī)則特征鏈（加延長(zhǎng)線）”。加延長(zhǎng)線的目的是因?yàn)榈毒叩都鈭A點(diǎn)與工件頂端輪廓的細(xì)微誤差導(dǎo)致過(guò)切欠切，還容易在加工過(guò)程中，零件輪廓外端產(chǎn)生殘留毛刺，故延長(zhǎng)加工路線，保證完全切除殘留量。

（2）（刀具）參數(shù) 路徑位置：全部加工，起始和結(jié)束路徑優(yōu)化：是、添加螺旋路徑：是。

（3）（刀軸方向）參數(shù) 側(cè)傾角：70°。

結(jié)合上ESPRIT 軟件所具備的HSM（高速加工）功能：即高速加工策略，其尤其適合于復(fù)雜曲面高速精加工的特點(diǎn)，可點(diǎn)擊確定生成如圖9 所示刀具軌跡圖。

從刀具軌跡圖和虛擬仿真走刀過(guò)程圖可以清楚地觀察到，與其他CAM軟件相比，在同工況下，其刀路軌跡十分準(zhǔn)確、快捷、高效，數(shù)控程序段短小精煉，加工時(shí)間更短，效率翻倍。其原因是ESPRIT CAM系統(tǒng)核心模塊采用了基于NURBS 曲線的刀路軌跡計(jì)算內(nèi)核[9]。可依據(jù)刀具尺寸、曲面加工效率、表面加工質(zhì)量三者之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)自適應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的編程軌跡，還在避免干涉方面具備了自適應(yīng)刀軸控制能力。

圖9 五軸螺旋精加工軌跡圖

2.3 加工仿真模塊的應(yīng)用

加工編程完成后，基于五軸加工的曲面零件的構(gòu)造復(fù)雜性，必須檢驗(yàn)該程序的安全可行性：主要體現(xiàn)在是否有效地避免機(jī)加過(guò)程中常見(jiàn)的干涉、碰撞以及過(guò)切等安全故障問(wèn)題。ESPRIT 軟件商通過(guò)收購(gòu)某德國(guó)公司（DMG 仿真系統(tǒng)的合作伙伴）完善了ESPRIT 自身的仿真功能模塊，不僅是刀路軌跡的仿真，還具備了對(duì)G 代碼的仿真[9]。

使用該功能可以消除G 代碼中的錯(cuò)誤所導(dǎo)致的刀具與工件和機(jī)臺(tái)的碰撞損毀、工件報(bào)廢、刀具損壞等問(wèn)題，減少實(shí)際的機(jī)床試切加工驗(yàn)證。這是與其他不具備該功能的CAM 軟件相比最為突出的特點(diǎn)。例如國(guó)內(nèi)使用較多的UG NX CAM 軟件，編程產(chǎn)生的刀軌需要后置處理器處理后生成具體機(jī)床型號(hào)的G 代碼，借助專(zhuān)門(mén)的仿真軟件VERICUT 才能實(shí)現(xiàn)對(duì)G 代碼的仿真[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

文中以龍巖九龍泵業(yè)公司的某型葉輪為例，詳細(xì)闡述了如何應(yīng)用ESPRIT 軟件的葉輪模塊進(jìn)行五軸編程的多種加工策略的研究。通過(guò)對(duì)ESPRIT 軟件的多種策略精準(zhǔn)研究，充分學(xué)習(xí)和掌握世界先進(jìn)的多軸（五軸）加工技術(shù)，為接下來(lái)的基于1+X 職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)制的數(shù)控加工行業(yè)的高端制造人才培養(yǎng)模式的研究和推廣，夯實(shí)了充足的教學(xué)研究技術(shù)儲(chǔ)備。