基于CAXA制造工程师的多轴加工技术研究

曹著明 马永旺

摘要：CAXA制造工程师2008是数控加工、模具设计与加工中应用广泛的CAD/CAM软件。该软件与其他软件相比，大幅提高了零件设计与加工的质量和效率。文章介绍了如何应用CAXA制造工程师2008设置叶轮轴中叶片加工的走刀路线，包括加工工艺、操作流程、辅助线设计等，同时文章阐述了CAXA制造工程师2008的特点、刀具路径设计流程及优势。

关键词：CAXA制造工程师2008；叶片；刀具路径；流程；辅助线

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0025-03

随着现代装备制造业的快速发展，零件的形状变得更加复杂，零件加工的效率要求越来越高，高速、高效加工的重要性欲显突出，作为当今先进加工技术——多轴加工技术在机械加工技术领域中的作用越来越重要。多轴加工与一般的三坐标（X、Y、Z）铣削加工和普通的两坐标（X、Z）车削加工不同，不仅要计算出加工位置的坐标点数据，而且还得计算出坐标点上的矢量方向数据，这个矢量方向在数控加工中通常称为刀具的刀轴方向，计算刀轴矢量数据方向对所有编程者来说都是个难题。目前这项工作最高效的解决方法是通过CAD/CAM软件来完成。大多数的CAD/CAM软件都具有坐标、矢量计算能力，比如UG、PROE、powermill、mastercam等，但是这些软件都是按国外人员的思维习惯来设置的，在使用和学习上难度比较大，编程过程中需要考虑的问题较多，参数设置量大，培养熟练操作多轴CAD/CAM软件编程的技术人员成为多轴加工中的一个瓶颈。

基于多轴加工、高速加工在当今制造业中的重要性，作为培养企业高技能人才的地方——高等职业院校应主动适应，在教学中引入多轴加工、高速加工相关知识，在实训教学中选择多轴加工零件作为实训项目，以适应企业的需求。全国数控技能大赛作为职业院校教学教改的方向标，近些年已经把多轴加工作为大赛的比赛方案。本文对“风力驱动器”（2010年全国高职院校技能大赛“复杂部件造型多轴联动编程与加工”样题）中的叶轮轴中叶片的走刀路线进行了设计和研究。

1 CAXA制造工程师2008

CAXA制造工程师软件易学、高效，是一款高效的CAD/CAM软件，它为数控加工提供了从造型、建模、设计到数控加工代码生成、仿真加工、数控加工代码验证等一体化的解决方案，该软件同时也被称为数控机床的“大脑”。CAXA制造工程师软件不仅融合了多轴加工技术以及很多国外高速加工技术，而且它在数控代码的转换和反读方面有非常强的功能，如将FANUC数控代码转换为SIMENS代码、HEIDENHAIN代码、华中数控代码等。

CAXA制造工程师2008新增了多种曲面、特征实体造型手段及2轴到5轴数控加工等重要功能。在基于CAXA制造工程师2006的基础上，CAXA制造工程师2008对原有功能做了提升，尤其是实现手工编程、使用宏程序和转换代码的编程助手模块；针对五轴数控加工模块还新增了曲线加工、五轴侧铣、曲面区域加工、五轴G01钻孔、五轴轨迹转换为四轴轨迹等功能；针对四轴模块增强了铣槽加工功能，更新了四轴加工后置处理，支持360°连续旋转角度；改进了系统的License检测，适应大规模生产场景。CAXA制造工程师2008被全国数控技能大赛组委会指定为第三届全国总决赛软件平台。

2 叶片加工工艺分析

本文研究加工的零件——叶轮轴中的叶片，如图1所示，就是要完成叶片的走刀路线的设计。由于该叶片是拉伸增料造型获得的，所以在加工该叶片时可以在三轴的模式下完成一个叶片的刀路设置，然后在立式四轴联动加工中心中，通过A轴旋转60°完成第二个叶片的加工，再依次类推直到把第六个叶片加工出来。所以叶轮轴中叶片的刀路设置，就转换成在三轴模式下一个叶片的刀具路径设置了。

在加工该零件时，叶片部位已被加工成Φ60的圆柱，使用的机床为四轴联动加工中心（VDF-850D型）；使用的刀具是：粗加工时用Φ8的立铣刀，精加工时用Φ4的球刀。同时应注意的是在刀路设置时应已完成了零件的造型，现在是在造型的基础上应用CAXA制造工程师2008完成叶片走刀路线的设计；设计完后该软件能自动生成数控加工程序，然后导入数控机床完成零件的加工。这里所谓走刀路径也就是走刀路线。为完成叶片的加工，共用到三个刀路设置策略，分别是用“等高线粗加工”开粗，去除毛坯周边余量；然后用曲线式铣槽刀路对叶片侧面进行精加工；最后用曲面区域式加工刀路对叶片根部的圆柱表面进行精加工，其作用如图2所示：

3 叶片的刀路设置

为完成叶片刀具路径的设置，首先要已完成辅助线的设置，为刀路设置提供走刀方向以及为设置加工区域提供图素；其次要设置加工区域，也就是在加工叶片时限定它的加工范围，否则生成的刀路就有可能把相邻叶片切除；这两项设置完后就可以开始进行刀路设置了。整个刀路设置流程如图3所示：

辅助线设计是整个刀路设置过程的重点、核心。这里一共需要设置5条辅助线，如图4所示。第一条辅助线是在叶片的上表面，我们通过选择软件中的“曲面边界线”工具，然后选择叶片上表面，这样在叶片的上边面曲面的周边就自动生成一条辅助线了，第一条辅助线是基础，是为做其他辅助线提供源图素用的。第二条辅助线是在第一条的基础上做一个等距线，使其往外扩张。第二条辅助线是为第二个刀路——曲线式铣槽提供走刀方向的。也就是说在精加工叶片侧面时，刀具的中心将沿着这条曲线一层一层地往下铣削。因为加工时是刀具的侧刃进行加工，所以第一条和第二条辅助线之间距离应该由加工时使用的刀具的半径来确定。

第三条辅助线是在第一条辅助线的基础上做投影线，投影到叶片根部的圆柱表面的。选择软件中的“曲面投影线”工具，然后系统提示选择要投影的线（这里选择辅助线1），然后系统提示选择投影面（这里选择圆柱面），这样软件就能自动生成投影曲线——辅助线3。这条辅助线是在曲面区域式加工时限定加工区域用的。第四、第五条曲线是在第三条的基础上旋转60°获得第四条，旋转

-60°获得第五条，这两条曲线是为做加工区域曲线而准备的。五条辅助线都是有其特定作用的，有的是限定加工范围用的，有的是提供走刀方向用的，有的是提供源图素，做好这五条辅助线是完成刀路设置的前提。

辅助线设计好后还需设计加工区域，给生成的走刀路线限定范围，保证加工叶片时生成的刀路不会切到相邻的叶片。如图5所示，首先在俯视图中，在相邻的两个叶片靠近待加工叶片的一侧画两条样条线，然后画一个矩形将整个圆柱面包围起来，然后通过修剪就能获得加工区域曲线。在设置刀路时，设定加工区域，把刀路限定在加工区域范围，就能保证加工叶片时刀路是安全的，刀具不会干涉到零件的其他部位。

辅助线、加工区域设计好后，就可以设置刀路了。第一个刀路策略是等高线粗加工，该加工模式意思是指加工时一层一层地由外往内进行加工。设置刀路时软件先提示选择加工对象（全选），然后系统提示选择加工区域（选择刚才做的加工区域曲线），把这两个选择后，系统就自动能生成等高线粗加工刀路。第二个刀路策略是曲线式铣槽加工，该加工模式意思是指加工时刀具沿着一条曲线一层一层地由上往下进行挖槽加工。在设置刀路时软件先提示选择“曲线路径”（这里我们选择第二条辅助线），然后系统提示选择“加工对象”，也就是说沿曲线铣槽铣到什么位置（这里选择圆柱面）。把这两个选择后，系统就自动能生成曲线式铣槽刀路。第三个刀路策略是曲面区域式加工，该加工模式意思是指加工时刀具贴着曲面的表面进行加工。在设置刀路时软件先提示选择刀工对象，这里因为是精加工叶片根部的，所以选择叶片根部的圆柱面，然后系统提示选择加工区域（选择之前做的加工区域曲线），最后系统提示选择“岛屿”（不允许加工的区域，这里选择第三条辅助线），把这三项选择后，系统就自动能生成曲面区域式加工刀路。刀路设置操作如图6所示。

4 结语

作为具有卓越工艺性能的优秀三维设计与制造软件——CAXA制造工程师2008在数控加工中能够提供曲面和实体的3D造型、模具设计功能，并且具有高效的数控自动编程手段和强大的数据接口功能，在现代制造领域有非常广泛的应用。随着CAXA制造工程师的广泛应用，其数控加工功能将得到进一步拓展，同时将变得更加可靠。

本文介绍了在CAXA制造工程师中如何完成叶轮轴中的叶片的走刀路线的设置。该方法实现了用三轴软件完成对多轴零件的刀路设置。该方法简便、适用，加工出的零件能达到设计要求。对于一些特殊的叶轮叶片加工，我们完全可以运用三轴加工方式来解决。CAXA制造工程师多样化的加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路线理念；对于四轴加工零件提供了曲线加工、平切面加工、参数线加工、侧刃铣削加工等，使加工更加简便、更有效率。

参考文献

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[2] 杨成.基于CAXA制造工程师2008的旋钮型腔模的加工[J].考试周刊，2011，（29）.

[3] 陈艳艳，谢玉彬.基于CAXA制造工程师的叶轮三轴加工[J].制造业信息化，2012，（2）.

[4] 崔彦彬，姚志岗.基于Pro/E、Fluent软件的风机叶片造型及分析[J].煤矿机械，2009，（2）.

基金项目：本项目获得北京市优秀人才培养资助

作者简介：曹著明（1981-），福建宁化人，北京电子科技职业学院讲师，研究方向：数控加工技术。

（责任编辑：黄银芳）