整体叶轮五轴加工技术应用问题研究

莫嘉辉

【摘 要】整体叶轮作为动力机械的核心部件，在航空航天、能源动力等领域应用日益广泛。叶轮加工质量的好坏直接影响到叶轮的空气动力性能和整个动力装置的机械效率。而叶轮由于其特殊的形状结构，使得叶轮的加工成为机械机加工领域的一个难点，因此对叶轮加工的关键技术进行研究具有重要的意义。本文利用单位现有的五轴加工中心，借助于Mastercam X7软件对整体式叶轮的五轴数控加工关键技术进行研究。

【关键词】数控加工；MasterCAM；CAD/CAM；自动编程

1.自动数控编程的准备工作

准备工作主要包括工件坐标系、对刀点与换刀点的确定，工件坐标系零点就是编程零点。在加工编程中，为了使工艺基准与设计基准保持一致。叶轮加工的难点主要体现在以下三点：（1）整个叶轮包括了6个叶片，叶片相邻的空间狭小，加工时刀具容易和被加工的叶片以及相邻的的叶片发生干涉；（2）叶片为薄壁结构，且为非可展扭曲直纹面，形状相对比较复杂；（3）抛物面和ф96的圆柱上表面的连接不是简单的圆弧连接，有一“下凹”部分，与X方向有6°夹角，也需要利用五轴联动加工来完成。由于零件的加工要涉及到五轴加工，因此需要借助CAD/CAM软件来生成数控程序，本文采用Mastercam X7软件来完成。在叶轮的加工设备上选用单位自有的配有Heidenhain_TNC530数控系统的五轴加工中心，该机床能实现X、Y、Z、A、C五轴联动，具体的工作行程参数为：X轴730mm纵向、Y轴560mm横向；Z轴560mm垂向，A轴（工作台摆动）-110°～120°，C轴（工作台旋转）360°。从这些参数可以看出该机床能胜任整体叶轮加工的任务。

2.MasterCAM的数控加工功能与应用

2.1零件的几何建模

建立零件的几何模型是实现数控加工的基础，MasterCAM四大模块中的任何一个模块都具有进行二维或三维的设计功能，具有较强（CAD）绘图功能。可以运用Design模块建模，也可以根据加工要求使用Mill模块、Lathe模块和Wire模块直接建模，在进行零件的建模时，无需画出整个零件的模型来，只需要画出其加工部分的轮廓线即可，加工尺寸、形位公差及配合公差可以不标出，这样既节省建模时间，又能满足数控加工的需要；建模时，应根据零件的实际尺寸来绘制，以保证计算生成的刀具路径坐标的正确性；并可将不同的加工工序分别绘制于不同的图层内，利用MasterCAM中图层的功能，在确定刀具路径时，加以调用或隐藏，以选择加工需要的轮廓线。

2.2零件的模拟数控加工

设置好刀具加工路径后，利用MasterCAM系统提供的零件加工模拟功能，能够观察切削加工的过程，可用来检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉，设备的运行动作是否正确，实际零件是否符合设计要求。同时在数控模拟加工中，系统会给出有关加工过程的报告。这样可以在实际生产中省去试切的过程，可降低材料消耗，提高生产效率。

2.3生成数控指令代码及程序传输

通过计算机模拟数控加工，确认符合实际加工要求时，就可以利用MasterCAM的后置处理程序来生成NCI文件或NC数控代码，MasterCAM系统本身提供了百余种后置处理PST程序。对于不同的数控设备，其数控系统可能不尽相同，选用的后置处理程序也就有所不同。对于具体的数控设备，应选用对应的后置处理程序，后置处理生成的NC数控代码经适当修改后如能符合所用数控设备的要求，就可以输出到数控设备，进行数控加工使用。

3.加工过程

根据零件的尺寸要求，选用直径为100mm高度为76mm的棒料作为毛坯，分以下几道工序进行加工。

工序一：运用三爪夹持棒料下端面，采用ф12的硬质合金立铣刀去除棒料上端的主要余量。在这一工序的加工中采用Mastercam X7的“高速曲面加工”方式，這种方式用立铣刀按等高面一层一层地铣削，层与层之间的高度为2mm，加工效率较高。在这一工序中主轴转速S可以设为6000r/min，进给速度F3000mm/min，加工后得到 “梯田台阶”形状。

工序二：将上一工序得到的部分“梯田台阶”铣掉，使曲面接近理论曲面。在这一工序的加工中依然采用ф12的立铣刀，但主要利用立铣刀的侧刃进行加工，并且较上一道工序主轴转速保持不变，将进给速度改为1000mm/min，利用Mastercam X7的“沿边五轴加工”方式进行加工，最后得到 “圆台”形状。

工序三：加工抛物面和φ96的圆柱上表面的连接面，该连接面不是简单的圆弧过渡，有一“下凹”部分，与X方向有6°夹角，需要利用五轴联动加工才能达到尺寸要求。加工时A轴角度基本保持在84°，并根据加工需要进行微小调整，配合X、Y、Z和C轴进行联动加工。加工时需要采用ф8R4的硬质合金球头刀，并利用Mastercam X7的“两曲线的渐变”方式进行加工。该加工方式选项位于“刀路”/“多轴刀路”的级联菜单中，具体的加工的相关参数设置在“多轴刀路——两曲线之间渐变”对话框中设置。下面就关键的几步进行说明：（1）“切削方式”设置中有“编辑曲线”栏要选择两组曲线，第一组要选择抛物面，第二组选择ф96的圆柱上表面。（2）“刀具轴向控制”中的“输出格式”要选择五轴，“前倾角方向”设为10°，“侧倾角切削方向”设为90°。除以上几步需要进行特别设置，其他可以选用默认值。

工序四：进行叶片粗加工，这一工序需要五轴联动来进行加工，加工中依然采用ф8R4的球头刀，运用Mastercam X7的“多轴刀路”中的“叶片专家”进行加工，具体的加工的相关参数在“多轴刀路——叶片专家”对话框中设置。几个关键参数设置如下：“切削方式”模块的“加工方式”选为粗加工，“排序方式”选择“双向，由前边缘开始”以提高加工的效率；在“定义组件”模块中“叶片”选择两相邻的叶片，“轮毂”选择刚选中的两相邻叶片的中间区域，并且设置“分段数量”为6。其他参数可以选择默认，就可出程序完成粗加工。

工序五：叶片顶部区域的抛物线曲面精加工，这里只需要普通的三轴联动就可实现。采用Mastercam X7的“刀路”—“曲面精加工”—“流线加工”来生成程序完成加工，这里采用的刀具选用ф8R4的球头刀，主轴转速为6000r/min进给速度取为3000mm/min。

工序六：进行叶片精加工，在Mastercam X7的“多轴刀路”中选择“曲面实体”并点选“Swarf milling”，在相应的对话框中设置加工参数。关键参数设置如下：“切削方式”模块的“切削曲面”选择叶片侧面，“底部曲面”选择两相邻叶片之间的轮毂；“曲面公差”中设定切削公差为0.1，最大距离为0.2。其他参数可以选择默认，就可出程序完成本道工序的加工。

工序七：进行轮毂的精加工，本道工序的加工出程序的方法与工序四采用的方法基本一直，只需要在“切削方式”模块的“加工方式”将工序四中的粗加工改成“精修轮毂”即可。通过以上步骤最终完成叶轮零件的加工。通过三坐标测量仪测量该零件叶片的弧度，均满足规定的要求。 [科]

【参考文献】

[1]何满才.Mastercam X数控车加工实例精选[M].人民邮电出版社，2007.