基于MasteCAM多軸葉輪加工策略應(yīng)用技巧

謝正，張桂花，周亞芳，范有雄

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控編程加工中的五軸加工模塊逐漸開發(fā)成典型加工策略，并廣泛應(yīng)用在高精加工制造領(lǐng)域中，以滿足各類企業(yè)對產(chǎn)品高質(zhì)量、高效率的要求。MasterCAM加工能提供有效、精確和簡潔的多軸加工策略。有一系列的刀軸控制方法，支持在加工復(fù)雜表面時(shí)可以精確地控制機(jī)床刀軸的運(yùn)動(dòng)方式，并且同時(shí)可以進(jìn)行碰撞和干涉檢查。它擁有許多在復(fù)雜表面精確定義可控制機(jī)床刀路軌跡的機(jī)動(dòng)方法?？勺冚S銑削附帶很多驅(qū)動(dòng)方式和一系列加工刀軸的控制選項(xiàng)。

近年來，各級各類多軸數(shù)控加工實(shí)操競賽中，葉輪類零件成為多軸數(shù)控加工中的主要考點(diǎn)。葉輪零件作為一種復(fù)雜薄壁的曲面零件，一直以來都是機(jī)械加工領(lǐng)域重點(diǎn)和難點(diǎn)。葉輪是動(dòng)力機(jī)械的核心部件之一，在航空、航天、軍事、船舶、電能動(dòng)力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。葉輪加工質(zhì)量的好壞直接影響到裝備動(dòng)力裝置的機(jī)械性能。由于葉輪結(jié)構(gòu)形狀的特殊性，使得葉輪的加工成為數(shù)控加工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，因此對葉輪加工的關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要的意義。下面以某省工匠杯多軸加工實(shí)操競賽中的樣題為例，詳細(xì)闡述運(yùn)用MasterCAM2020進(jìn)行葉輪類零件的三維造型與多軸定向加工的解決方案。

1 輪轉(zhuǎn)體葉輪部位造型

零件實(shí)體造型二維圖，如圖1所示。

圖1 葉片尺寸參數(shù)

（1）該零件造型重難點(diǎn)為葉輪三葉片面的造型，葉輪葉片的葉背和葉面截面型線位于直徑20圓柱切面上，葉片實(shí)體由截面型線繞該柱切面內(nèi)的直線I旋轉(zhuǎn)形成后，再以外輪廓線繞零件軸線作回轉(zhuǎn)切割即可得到，葉根過渡圓角均為R2。

1）在實(shí)際三維造型過程中，繪圖人員時(shí)常難以讀懂零件圖形，繪制葉片時(shí)容易出現(xiàn)葉片方向反向，無法與輪轂面很好結(jié)合等問題。經(jīng)過實(shí)踐，得出繪制葉片時(shí)，葉片面更加工快捷，且不易出錯(cuò)的繪制方法如下。如圖2所示，先完成葉面、葉背型線的截面圖，截面圖形在前視圖視角完成，如圖中紅色線條所示，按圖紙要求完成截面繪制后，將視圖切換到俯視圖，采用補(bǔ)正命令，將葉背、葉面型線截面圖形往前偏置10 mm，最終得到圖2所示狀態(tài)。

圖2 葉片二維截面

注意：截面右下角要延伸到接近下底面，如圖3所示。

圖3 葉片二維截面

2）以偏置后的葉背、葉面型線作為截面，以偏置后的直線I作為中心旋轉(zhuǎn)軸，生成旋轉(zhuǎn)實(shí)體，其中旋轉(zhuǎn)起始為20度，結(jié)束為-20度，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 單葉片三維截面

3）將視圖切換至俯視圖，如圖5所示，選擇“實(shí)體”中的“依照平面修剪”功能，選擇分割實(shí)體為旋轉(zhuǎn)后所得實(shí)體，修剪直線為圖5中紅色線。

圖5 單葉片三維截面

4）將視圖切換至前視圖，按零件圖紙給出的尺寸繪制如圖6所示的封閉截面，注意，截面尺寸要能夠包容下旋轉(zhuǎn)體。以單根紅色旋轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)軸，以紅色封閉線為截面，采用旋轉(zhuǎn)實(shí)體功能，以切割主體類型，得到如圖7所示的間單個(gè)葉片。

圖6 切割封閉截面

圖7 單葉片實(shí)體

5）接著采用“轉(zhuǎn)換”功能，采用“旋轉(zhuǎn)”方法，以圖8所示直線下端點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，復(fù)制圖8所示的另兩個(gè)葉片。采用“布爾運(yùn)算”將三個(gè)葉片與主體輪轂合并成一個(gè)體。

圖8 三葉片實(shí)體

結(jié)合常見葉片結(jié)構(gòu)，需對葉片上端邊進(jìn)行工藝倒圓角，圓角半徑為R0.2。根據(jù)圖紙尺寸要求，以及考慮葉片根部強(qiáng)度等問題，對葉片根部進(jìn)行倒圓角處理，圓角半徑R2，最終完成葉輪三維造型部分，圖形如圖9所示。

圖9 葉輪三維造型

（2）此類葉片繪圖時(shí)，一定要注意葉片面的扭曲方向，以這個(gè)零件為例，在造型過程中，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤三處地方：

1）繪制輪轉(zhuǎn)體葉片面的葉背、葉面型線截面時(shí)，易出現(xiàn)錯(cuò)誤。要在不同視角下進(jìn)行3D繪圖，這就要求繪圖人員對零件結(jié)構(gòu)，軟件應(yīng)用等提出了更高的要求。解決該問題的方法，熟讀零件圖，掌握零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理運(yùn)用軟件相應(yīng)功能。

2）輪轉(zhuǎn)體葉片多余材料的去除封閉截面繪制時(shí)，易出現(xiàn)錯(cuò)誤。繪制的截面大小要能夠完全將葉片多余材料包圍，否則進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)體切割時(shí)，會出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象。解決該問題的方法，繪圖時(shí)，要仔細(xì)檢查是否有多于的重復(fù)線條存在，旋轉(zhuǎn)截面范圍一定要大于切割實(shí)體最大范圍。

3）輪轉(zhuǎn)體葉片與輪轂體合并時(shí)，易出現(xiàn)錯(cuò)誤。在進(jìn)行布爾運(yùn)算時(shí)，不知道如何進(jìn)行選擇，或者忘記進(jìn)行此步驟。解決該問題方法，要仔細(xì)觀察上下實(shí)體間的相互關(guān)系。

2 葉片面加工策略

葉片類零件多為扭曲曲面，普通三軸數(shù)控銑床無法滿足加工要求，通常會采用多軸聯(lián)動(dòng)加工方式來完成。根據(jù)輪轉(zhuǎn)體零件結(jié)構(gòu)特征分析，輪轉(zhuǎn)體葉片數(shù)量較少，葉片之間間距較大，除葉面根部少部分區(qū)域在三軸粗加工過程中無法加工外，其余大部分材料能去除，再通過調(diào)整合適的刀軸方向，采用合理的刀具，將葉片面根部少部分材料去除，這樣可以大大提高加工效率。為保證該零件加工精度，定軸加工時(shí)分為粗加工-半精加工-精加工3道工序完成。

MasterCAM2020多軸加工策略中的加工方法有曲線、側(cè)刃銑削、平行、沿面、漸變等9種方法。實(shí)例采用多軸加工策略中的沿面銑加工策略，其策略是在加工過程中通過控制刀具軸、切削方向和非切削參數(shù)等方法來生成復(fù)雜零件的加工刀軌，即刀具軸可以隨著零件的法線方向不同面相應(yīng)改變。本文就最常用的“沿面”加工策略做詳細(xì)介紹。

2.1 三軸開粗

粗加工工序主要是為了去除輪轉(zhuǎn)體葉輪部分大部分余量，此時(shí)可選用較大平底銑刀較快的去除毛坯的大部分材料。其操作步驟如下：

（1）創(chuàng)建工件坐標(biāo)系，以工件上端面中心為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。

（2）選擇“優(yōu)化動(dòng)態(tài)粗切”后，單擊“模型圖形”拾取加工圖形。

（3）刀路控制，切削范圍設(shè)置，單擊“選擇箭頭”，選擇加工范圍，動(dòng)態(tài)粗切是Mastercam最高效的粗加工方法之一，切削較平穩(wěn)，采用小“步距”較大切深方法，能高效去除材料的粗加工。

（4）刀具的選擇，單擊刀具選擇“創(chuàng)建刀具”，選擇刀具的類型，設(shè)置刀具的基本參數(shù)和切削速度。

（5）切削參數(shù)的選擇，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合適的切削參數(shù)，在“切削間距”和“分層深度”兩項(xiàng)需要結(jié)合刀具材料、工件材料、機(jī)床性能進(jìn)行合理設(shè)置?！?/p>

（6）合理設(shè)置進(jìn)刀方式和進(jìn)刀參數(shù)

（7）“陡斜/淺灘”參數(shù)一定要正確設(shè)置，關(guān)系到切削加工深度。

（8）“平面”平面設(shè)置是多軸定向加工時(shí)，最重要的參數(shù)之一，如何正確設(shè)置平面，需要結(jié)合加工部位、加工區(qū)域、零件特征進(jìn)行設(shè)置，它直接關(guān)系到加工刀具路徑是否可靠合理。

（9）生成粗加工刀具軌跡并進(jìn)行仿真模擬。

2.2 五軸定向半精加工

半精加工工序是將輪轂頂球面多于材料和葉片面精加工后留下的殘余材料去除掉，整體輪廓基本加工出來，在進(jìn)行葉面、葉背及流道面加工時(shí)，需要根據(jù)加工區(qū)域設(shè)置合理的刀軸方向，這是定向加工葉片幾個(gè)面最重要的設(shè)置之一，其次要選擇合理的加工策略和刀具路徑。在進(jìn)行葉片面加工時(shí)，采用“沿面”銑削策略來加工葉片面，選擇上葉片面，選擇“刀軸控制”為“直線”選擇如圖10（a）所示的紅色線為刀軸，生成出的刀具路徑。

進(jìn)行流道加工時(shí)，采用“漸變”銑削策略，選擇流道加工面及控制曲線，選擇“刀軸控制”為“直線”選擇如圖10（b）所示的紅色線為刀軸，生成出的刀具路徑。

圖10 葉面與流道面半精加工刀軌

葉背面加工時(shí)，采用“沿面”加工策略，刀軸選擇圖11（a）所示的紅色曲線為刀軸，加工曲面選擇葉背面。

將葉面、葉背面、流道三個(gè)半精加工程序選中，進(jìn)行刀路“轉(zhuǎn)換”通過旋轉(zhuǎn)得到另外兩個(gè)葉片的半粗加工程序。最后半精加工程序如圖11（b）所示。

圖11 葉背面半精加工刀軌與仿真結(jié)果

2.3 五軸定向精加工

精加工，是在半精加工的基礎(chǔ)上，選擇合適的刀具，合理的切削參數(shù)進(jìn)行葉片面與流道面的精加工。葉片面與流道面精加工策略與半精加工策略一致，只需要對切削參數(shù)中的切削間距進(jìn)一步細(xì)化，設(shè)置的更小一些，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，切削刀軌行距要小于0.02獲得的表面質(zhì)量更優(yōu)。效果如圖12所示。

圖12 葉輪精加工刀軌與仿真結(jié)果

3 VERICUT仿真效果

復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工時(shí)，上機(jī)加工前應(yīng)該采用VERICUT軟件進(jìn)行仿真加工，可有效消除機(jī)床碰撞、延長刀具壽命、避免了零件試切、減少機(jī)床的加工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)新零件一次加工成功，縮短了生產(chǎn)周期、提高CNC生產(chǎn)效率。故在此將上述經(jīng)MasterCAM軟件生成的加工刀具路徑在VERIUCT中仿真核驗(yàn)后，確定經(jīng)后處理生成的加工程序的可靠性。經(jīng)過仿真軟件模擬葉輪粗、精加工后效果如圖13所示，圖14為五軸加工中心實(shí)際加工零件。

圖13 仿真加工結(jié)果

圖14 加工實(shí)物

4 結(jié) 論

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的葉輪加工需要更高自由度的數(shù)控加工機(jī)床和更優(yōu)化的加工工藝。本文根據(jù)該零件幾何特點(diǎn)及多軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，采用定向加工完成葉輪，定向加工是一種高效去除多余材料方式，且復(fù)雜零件多軸數(shù)控銑削加工中定向加工是相對更加穩(wěn)妥，更加安全的加工方法之一。本文是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用過程中的一些技巧，結(jié)合此類零件特征，闡述在MasterCAM2020三維造型中的繪圖技巧和方法，總結(jié)出相對簡單實(shí)用的繪圖技巧和注意事項(xiàng)。結(jié)合零件特征和加工工藝詳細(xì)例舉和總結(jié)了在MasterCAM中如何編制類似零件的加工程序及注意事項(xiàng)。實(shí)際運(yùn)用中要結(jié)合零件特點(diǎn)、CAD/CAM提供的解決方法、加工工藝及仿真軟件等知識來解決生產(chǎn)中的問題，從而提高工作效率。