叶轮零件五轴加工的CAD/CAM

王军， 詹华西

（武汉职业技术学院，武汉430073）

1 叶轮零件结构分析

如图1 所示为叶轮零件的工程图样，该零件内圈为安装连接轴用的带键槽台肩孔，外圈为8 个叶片。基准叶片在φ150 直径柱切面（r/R=0.75）处叶截面的叶背和叶面型线及其位置关系在图中已有表达，其叶截面主要数据为：叶型中线螺旋角为45°，叶面型线至中线的距离为1.34mm，叶厚7.5mm，叶型曲面在叶根处转角半径为3mm。该零件的8 个叶片有明显重叠，必须采用五轴机床进行加工。由于结构形状较复杂，需要利用CAM 软件先进行模型构建，然后由计算机自动编制程序，本文以MasterCAM 软件环境下的CAD/CAM 为例进行说明。

图1 叶轮零件的工程图样

2 叶轮零件的CAD 建模

该叶轮零件3D 建模的难点在于基准叶片模型的构建，只要完成了基准叶片的建模，通过旋转复制即可得到其它7 个叶片。

图2 叶轮基体的构建

2.1 叶轮基体的3D 构建

叶轮基体建模时只需要按图2 所示在前视面绘制一封闭线框后，以绕旋转轴线旋转360°构建实体的方法即可。虽然内圈孔型亦可同时一次性构建得出，但由于后续叶片构建时尚需借助内圈轮廓来切除多余部分，因此先不进行内圈孔型的构建。

2.2 叶片模型的构建

（1）绘制φ150 叶截面上的叶面型线

如图3（a）所示，先找到φ150 直径柱切面与基体曲面的交线，以正前方（270°交点）处正切面为构图面（前视面Z=75 处），按图3（b）所示在新层中绘制叶截面的中线、叶背和叶面型线，同时以100mm 的距离在左上绘出中线的平行线，作为叶型建模用的回转轴心线。

（2）旋转构建叶片柱筒

关闭叶轮基体所在图层，按如图4 所示，将封闭的叶型线框绕回转轴心线旋转360°生成叶片柱筒实体。

（3）以外轮廓旋转切割获得叶片雏形

按如图5 所示绘制旋转切割用封闭的外轮廓线框，再绕叶轮轴心旋转切割已构建的叶片柱筒实体，即可得到单个叶片的雏形。切割用线框轮廓主要用于获得叶轮上部及侧面的叶型边界，线框以能将柱筒残料全部切割掉而绘制。

（4）切割叶片超出叶轮基体范围的其余部分

开启叶轮基体图层，观察叶片与基体叠合情况，以判断是否需要进行多余部分的切割处理。由叠合情况来看，可按如图6 所示，在前视面构建挤出切割用线框，对超出基体范围的另一侧和底部实施双向贯穿切割，仅保留叶片有效部分。

图3 叶轮零件叶片型线构成

图4 叶片实体构建

图5 旋转切割获得叶片雏形

图6 挤出切割超界残料

（5）旋转复制得到全部叶片

图7 全部叶片的构建及其与基体的包容重叠关系

图8 叶轮型孔的构建

在俯视构图面内，采用旋转复制的方法，将基准叶片绕叶轮轴心以45°的间隔均匀生成其余7 个叶片，如图7 所示。可以看出这些叶片间有很多重叠部分，且在开启叶轮基体图层后，大部分都将被基体所包容。

2.3 叶轮整合与型孔构建

采用布尔求并运算，可将8 个叶片与叶轮基体逐个合并成为叶轮整体。最后，可按如图8 所示先后用内圈线框旋转切割、键槽线框轴向挤出切割得到带键槽的叶轮型孔，以完成整个叶轮3D 模型的构建。

3 叶轮零件五轴加工的CAM

该叶轮零件的内孔型面和叶轮外轮廓可通过车削加工得到，键槽特征可采用铣削、插削或者线切割加工得到。这些都是常见的特征加工，总体来说，该零件的加工难点在于叶片曲面的五轴加工。

当叶轮零件建模完成后，在MasterCAM-X 版中，可以选择“高级多轴加工”刀路定义功能，并从中选择“不使用倾斜曲线”的底面加工方式，如图9 所示。刀路定义时应分别选择左右侧曲面和叶底曲面，同时还应将左右侧曲面设置为干涉曲面并开启干涉检查功能。

图9 不使用倾斜曲线的叶底曲面刀路定义

在刀路定义的参数设置时，可切换到高级设置方式以进行较为详细的参数项定义。如可指定超越曲面边缘的延伸量、设置刀具轴倾斜的角度、进退刀的引入引出方式、提刀的安全高度面等。图10（a）所示是使用相对于切削方向倾斜进给、倾斜边为沿着曲面等角方向的刀具轴控制方式，对干涉面用沿刀轴方向提刀，段间沿着曲面连接等的设置后所得到未分层时叶底的五轴加工刀路，叶间槽的粗加工刀路可在粗加工选项卡中设置深度切削的分层参数后得到，图10（b）是设置4 次粗切、2 次精切后所得到的刀路。

图10 叶轮零件单槽五轴加工的刀路设计

当单槽加工刀路定义完成并通过仿真检查认可后，可在粗加工选项卡中设置旋转变换参数项，如旋转次数8、旋转角度45°、绕Z 轴旋转等，即可得到图11 所示叶轮零件多槽五轴加工的刀路。

图11 叶轮零件多槽五轴加工刀路

4 结 语

叶轮是典型的五轴加工零件，因其结构的复杂程度，必须借助于计算机辅助建模及自动编程技术。MasterCAM 作为一个应用广泛的CAM 软件，提供了比较方便的CAD 建模及五轴加工CAM 刀路设计环境，在处理叶轮类典型零件方面具有比较成熟的模板，只要熟悉操作技巧，对于习惯于MasterCAM 的用户而言，其在零件五轴加工的实现方法上，较之其它CAM 软件更容易上手，可避免重新学习其它软件，提高工作效率。

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