莫嘉輝

【摘 要】整體葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的核心部件，在航空航天、能源動(dòng)力等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。葉輪加工質(zhì)量的好壞直接影響到葉輪的空氣動(dòng)力性能和整個(gè)動(dòng)力裝置的機(jī)械效率。而葉輪由于其特殊的形狀結(jié)構(gòu)，使得葉輪的加工成為機(jī)械機(jī)加工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，因此對葉輪加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。本文利用單位現(xiàn)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(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工；MasterCAM；CAD/CAM；自動(dòng)編程

1.自動(dòng)數(shù)控編程的準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作主要包括工件坐標(biāo)系、對刀點(diǎn)與換刀點(diǎn)的確定，工件坐標(biāo)系零點(diǎn)就是編程零點(diǎn)。在加工編程中，為了使工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致。葉輪加工的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：（1）整個(gè)葉輪包括了6個(gè)葉片，葉片相鄰的空間狹小，加工時(shí)刀具容易和被加工的葉片以及相鄰的的葉片發(fā)生干涉；（2）葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，且為非可展扭曲直紋面，形狀相對比較復(fù)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(lián)動(dòng)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(shù)控程序，本文采用Mastercam X7軟件來完成。在葉輪的加工設(shè)備上選用單位自有的配有Heidenhain_TNC530數(shù)控系統(tǒng)的五軸加工中心，該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、C五軸聯(lián)動(dòng)，具體的工作行程參數(shù)為：X軸730mm縱向、Y軸560mm橫向；Z軸560mm垂向，A軸（工作臺(tái)擺動(dòng)）-110°～120°，C軸（工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)）360°。從這些參數(shù)可以看出該機(jī)床能勝任整體葉輪加工的任務(wù)。

2.MasterCAM的數(shù)控加工功能與應(yīng)用

2.1零件的幾何建模

建立零件的幾何模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的基礎(chǔ)，MasterCAM四大模塊中的任何一個(gè)模塊都具有進(jìn)行二維或三維的設(shè)計(jì)功能，具有較強(qiáng)（CAD）繪圖功能?？梢赃\(yùn)用Design模塊建模，也可以根據(jù)加工要求使用Mill模塊、Lathe模塊和Wire模塊直接建模，在進(jìn)行零件的建模時(shí)，無需畫出整個(gè)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(biāo)出，這樣既節(jié)省建模時(shí)間，又能滿足數(shù)控加工的需要；建模時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的實(shí)際尺寸來繪制，以保證計(jì)算生成的刀具路徑坐標(biāo)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(nèi)，利用MasterCAM中圖層的功能，在確定刀具路徑時(shí)，加以調(diào)用或隱藏，以選擇加工需要的輪廓線。

2.2零件的模擬數(shù)控加工

設(shè)置好刀具加工路徑后，利用MasterCAM系統(tǒng)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(shù)的設(shè)置是否合理，零件在數(shù)控實(shí)際加工中是否存在干涉，設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作是否正確，實(shí)際零件是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在數(shù)控模擬加工中，系統(tǒng)會(huì)給出有關(guān)加工過程的報(bào)告。這樣可以在實(shí)際生產(chǎn)中省去試切的過程，可降低材料消耗，提高生產(chǎn)效率。

2.3生成數(shù)控指令代碼及程序傳輸

通過計(jì)算機(jī)模擬數(shù)控加工，確認(rèn)符合實(shí)際加工要求時(shí)，就可以利用MasterCAM的后置處理程序來生成NCI文件或NC數(shù)控代碼，MasterCAM系統(tǒng)本身提供了百余種后置處理PST程序。對于不同的數(shù)控設(shè)備，其數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控設(shè)備，應(yīng)選用對應(yīng)的后置處理程序，后置處理生成的NC數(shù)控代碼經(jīng)適當(dāng)修改后如能符合所用數(shù)控設(shè)備的要求，就可以輸出到數(shù)控設(shè)備，進(jìn)行數(shù)控加工使用。

3.加工過程

根據(jù)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(jìn)行加工。

工序一：運(yùn)用三爪夾持棒料下端面，采用ф12的硬質(zhì)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(zhuǎn)速S可以設(shè)為6000r/min，進(jìn)給速度F3000mm/min，加工后得到 “梯田臺(tái)階”形狀。

工序二：將上一工序得到的部分“梯田臺(tái)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(cè)刃進(jìn)行加工，并且較上一道工序主軸轉(zhuǎn)速保持不變，將進(jìn)給速度改為1000mm/min，利用Mastercam X7的“沿邊五軸加工”方式進(jìn)行加工，最后得到 “圓臺(tái)”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(lián)動(dòng)加工才能達(dá)到尺寸要求。加工時(shí)A軸角度基本保持在84°，并根據(jù)加工需要進(jìn)行微小調(diào)整，配合X、Y、Z和C軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)加工。加工時(shí)需要采用ф8R4的硬質(zhì)合金球頭刀，并利用Mastercam X7的“兩曲線的漸變”方式進(jìn)行加工。該加工方式選項(xiàng)位于“刀路”/“多軸刀路”的級(jí)聯(lián)菜單中，具體的加工的相關(guān)參數(shù)設(shè)置在“多軸刀路——兩曲線之間漸變”對話框中設(shè)置。下面就關(guān)鍵的幾步進(jìn)行說明：（1）“切削方式”設(shè)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(shè)為10°，“側(cè)傾角切削方向”設(shè)為90°。除以上幾步需要進(jìn)行特別設(shè)置，其他可以選用默認(rèn)值。

工序四：進(jìn)行葉片粗加工，這一工序需要五軸聯(lián)動(dòng)來進(jìn)行加工，加工中依然采用ф8R4的球頭刀，運(yùn)用Mastercam X7的“多軸刀路”中的“葉片專家”進(jìn)行加工，具體的加工的相關(guān)參數(shù)在“多軸刀路——葉片專家”對話框中設(shè)置。幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)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(qū)域，并且設(shè)置“分段數(shù)量”為6。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成粗加工。

工序五：葉片頂部區(qū)域的拋物線曲面精加工，這里只需要普通的三軸聯(lián)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)。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(zhuǎn)速為6000r/min進(jìn)給速度取為3000mm/min。

工序六：進(jìn)行葉片精加工，在Mastercam X7的“多軸刀路”中選擇“曲面實(shí)體”并點(diǎn)選“Swarf milling”，在相應(yīng)的對話框中設(shè)置加工參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：“切削方式”模塊的“切削曲面”選擇葉片側(cè)面，“底部曲面”選擇兩相鄰葉片之間的輪轂；“曲面公差”中設(shè)定切削公差為0.1，最大距離為0.2。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成本道工序的加工。

工序七：進(jìn)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(biāo)測量儀測量該零件葉片的弧度，均滿足規(guī)定的要求。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]何滿才.Mastercam X數(shù)控車加工實(shí)例精選[M].人民郵電出版社，2007.