整體葉輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋推進(jìn)器等的關(guān)鍵部件，廣泛運(yùn)用于航空航天等領(lǐng)域，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響空氣動(dòng)力性能和機(jī)械效率。

由于整體葉輪是葉片和輪轂在同一個(gè)毛坯上，葉片的形狀又是由復(fù)雜的曲面構(gòu)成，相鄰葉片之間的導(dǎo)流槽空間較小，加工時(shí)容易產(chǎn)生干涉碰撞，難以規(guī)劃刀具的加工軌跡。如采用三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床先加工單葉片，再將旋轉(zhuǎn)分度頭附加在三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上來(lái)實(shí)現(xiàn)其他葉片的加工，這種加工方法使得整體葉輪葉片的一致性無(wú)法保證，加工精度和效率也比較低。但是若采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，就能一次完成整體葉輪全部葉片的加工，不僅有效地提高了葉輪的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也極大地提高了設(shè)備的利用率，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)今使用較廣泛的多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床是四軸或五軸數(shù)控機(jī)床，而利用多軸機(jī)床來(lái)加工零件，必須要使用由CAM 軟件自動(dòng)生成的數(shù)控加工程序。在國(guó)外常用的葉輪類五軸加工專用軟件有Powermill、Hypermil、MAX-5、MAX-AB 等，通用的軟件如UG、CATIA、PRO/E、Cimatron 也能進(jìn)行加工，這些較為高端的CAD/CAM 軟件功能強(qiáng)大，在數(shù)控加工中發(fā)揮了巨大的作用，但是這些軟件價(jià)格比較昂貴，掌握和使用相對(duì)困難，導(dǎo)致在我國(guó)大量中小型企業(yè)中的使用受到限制。

　　MasterCAM是由美國(guó)CNC Software公司開(kāi)發(fā)的基于PC平臺(tái)的兼有CAD/CAM功能的軟件系統(tǒng)，其對(duì)硬件要求不高，易學(xué)易用，能夠滿足2-5軸的聯(lián)動(dòng)加工，具有良好的性價(jià)比，深受我國(guó)廣大中小型企業(yè)和工程技術(shù)人員的歡迎。本文結(jié)合整體葉輪數(shù)控加工實(shí)例，利用MasterCAM軟件強(qiáng)大的CAD/CAM功能，在一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中，完成從零件造型、刀軌創(chuàng)建、仿真加工、數(shù)控程序生成到與數(shù)控機(jī)床通訊，最后進(jìn)行整體葉輪加工的整個(gè)過(guò)程。本文探討運(yùn)用MasterCAM 軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的多軸數(shù)控加工。

1 實(shí)體建模

　　根據(jù)整體葉輪的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，確定建模的方法。在MasterCAM中可以通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模。

　　1)MasterCAM軟件在CAD設(shè)計(jì)方面提供了強(qiáng)大的二維和三維建模方法?？梢岳肕asterCAM所具備的造型功能直接在繪圖區(qū)生成零件模型，采用該方法分兩步進(jìn)行。

　　第一步，葉輪曲面造型：因?yàn)樵撊~輪為回轉(zhuǎn)體零件，故首先采用曲面功能中的旋轉(zhuǎn);命令創(chuàng)建輪轂基體，分別繪制構(gòu)建大小葉片的共四條曲線，然后通過(guò)掃描曲面功能生成單個(gè)大小葉片，由于其余的葉片結(jié)構(gòu)相同，只需采用旋轉(zhuǎn)復(fù)制功能來(lái)構(gòu)建，這樣即可完成葉輪的曲面造型。

　　第二步，葉輪實(shí)體造型：通過(guò)&由曲面生成實(shí)體功能將葉輪曲面轉(zhuǎn)換成實(shí)體，然后對(duì)輪轂曲面和每個(gè)葉片曲面采用“薄片加厚”功能進(jìn)行加厚，就生成了整體葉輪模型，導(dǎo)流槽中包含葉片的左右兩面和輪轂底面。

2)MasterCAM軟件具有非常強(qiáng)的交互性，系統(tǒng)本身提供了DXF、STL、IGES、DWG、VDA、PARASLD 等標(biāo)準(zhǔn)圖形轉(zhuǎn)換接口。通過(guò)這些接口，可將其它CAD 軟件生成的圖形文件轉(zhuǎn)變?yōu)镸asterCAM 系統(tǒng)的圖形文件，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

2 工藝分析

　　零件工藝分析是根據(jù)零件的工程圖或三維造型圖所提供的各種特征信息，選擇最合理的加工設(shè)備、刀具、夾具等工藝裝備來(lái)確定最佳的加工方案，包括工序的劃分、加工順序的安排、走刀路線的確定、切削用量的選擇、刀具的補(bǔ)償?shù)?，只有選擇合適的工藝參數(shù)及切削策略才能獲得理想的加工效果。

　　從葉輪的結(jié)構(gòu)分析，該葉輪直徑為100mm、孔徑為20mm、高度為50mm，葉片有大小兩種，均勻分布12處。按照葉輪曲面形狀的不同，加工葉輪的方法通常有兩種：一種是側(cè)銑法，適用于直紋曲面型葉片的加工；另一種是點(diǎn)銑法，在自由曲面型葉片的加工中較為普遍，可采用銑刀沿著葉片的流線方向逐行走刀，逐漸加工出葉片型面。利用點(diǎn)銑法加工出的葉片精度較高，與葉片設(shè)計(jì)型面的要求更為相符，而且加工時(shí)的走刀方向和設(shè)計(jì)的流線方向一致，有利于葉輪運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力性能。

3 刀軌創(chuàng)建

　　零件建模后，根據(jù)零件的要求安排加工工藝，選擇毛坯類型，確定工件坐標(biāo)原點(diǎn)，建立合適的工件坐標(biāo)系，選擇相應(yīng)工序所使用的刀具，并進(jìn)行各種工藝參數(shù)的設(shè)置，最終得到零件加工的刀具軌跡。

　　在 MasterCAM 軟件的主菜單中點(diǎn)擊;機(jī)床類型;選擇;默認(rèn);，即可在刀具路徑狀態(tài)欄中出現(xiàn);加工群組;信息，繼續(xù)在主菜單中選擇;刀具路徑；多軸加工多曲面五軸”，系統(tǒng)顯示如圖3 所示的多曲面五軸加工對(duì)話框?？砂凑障到y(tǒng)提示的默認(rèn)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，即在OutputFormat(輸出模型;的選項(xiàng)中選擇;5 Aaxis”CutPattern(切削模式;的選項(xiàng)中選擇，Tool Axis Control(刀軸控制)”的選項(xiàng)中選擇;Pattern Surfaces;Cut Surfaces;選項(xiàng)中選擇;Use Cut Pattern;，在選取加工曲面之后，系統(tǒng)彈出;多曲面五軸刀具參數(shù);對(duì)話框，在刀具管理器中選擇直徑為6mm 的球頭銑刀，并設(shè)置刀具進(jìn)給速度為500mm/min ， 主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min；在多軸參數(shù)中設(shè)置Tip(刀尖;補(bǔ)償形式，補(bǔ)償方向?yàn)?amp;ldquo;Left”；在“曲面參數(shù)”中設(shè)置切削步距和步長(zhǎng)均為0.8mm。通過(guò)以上設(shè)置，用選擇的曲面來(lái)定義五軸加工刀具路徑所在的區(qū)域，刀軸與切削模式曲面的法線重合，系統(tǒng)將刀具位置投影到所選擇的被加工曲面上，并對(duì)刀具矢量進(jìn)行補(bǔ)償以防止出現(xiàn)過(guò)切。

4 仿真加工

　　產(chǎn) 生整體葉輪的刀具軌跡后， 可利用MasterCAM 軟件的實(shí)體加工仿真功能來(lái)驗(yàn)證刀軌的正確性。運(yùn)用實(shí)體加工仿真功能，首先要設(shè)置毛坯，根據(jù)零件的尺寸，在“實(shí)體驗(yàn)證配置”選項(xiàng)中設(shè)置一個(gè)直徑為100mm、高度為50mm的軸向?yàn)閆向的圓柱體作為葉輪毛坯，即可在屏幕上模擬零件的實(shí)際加工過(guò)程，檢查刀位計(jì)算是否正確，所選用的刀具、走刀路線、進(jìn)退刀的方式是否合理，加工過(guò)程是否發(fā)生過(guò)切，刀具與型面是否產(chǎn)生干涉與碰撞等。MasterCAM系統(tǒng)為刀軌的生成提供了顏色區(qū)分，若發(fā)生過(guò)切或碰撞，在模型上會(huì)顯示出不同的顏色，方便用戶清楚地了解到模型零件上各個(gè)位置的加工情況。

5 NC后處理及代碼生成

　　用MasterCAM軟件建立刀具路徑后，選擇“刀具路徑”狀態(tài)欄上的“后處理操作”功能，即可由刀具路徑產(chǎn)生NCI文件，但是NCI文件并不能直接控制數(shù)控機(jī)床，必須要進(jìn)行后處理，實(shí)際上就是一個(gè)文字處理過(guò)程。根據(jù)所用機(jī)床的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制指令格式，將刀具路徑的計(jì)算數(shù)據(jù)變換成機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，原先的NCI文件就轉(zhuǎn)換成了能被不同數(shù)控機(jī)床識(shí)別的NC程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，完成自動(dòng)加工。通過(guò)后處理操作，系統(tǒng)生成的NC數(shù)控加工程序如下(部分)：

　　對(duì)以上程序分析可知，機(jī)床以500mm/min的進(jìn)給速度同時(shí)控制X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動(dòng)，這樣能準(zhǔn)確捕捉葉片上每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值，最終完成整體葉輪的自動(dòng)加工。由于程序較長(zhǎng)，可以通過(guò)MasterCAM中的“通訊”功能，利用數(shù)控機(jī)床上的RS232 通訊接口將NC 程序直接傳入工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的五軸加工中心，葉輪坯件在一次裝夾以后就可高效高質(zhì)量地完成加工。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)利用 MasterCAM軟件中的造型功能進(jìn)行建模并運(yùn)用曲面多軸加工功能建立刀具路徑、進(jìn)行仿真加工并生成NC數(shù)控程序，解決了一次完成整體葉輪葉片型面加工的問(wèn)題，充分發(fā)揮了多軸聯(lián)動(dòng)加工的應(yīng)用價(jià)值，也為提高其他同類零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供了參考。