基于MasterCAM的曲面多轴加工实例分析

  在三轴数控机床加工中，规则斜面和曲面可以通过插补的方法来加工，但精度和效率不高，对于一些特殊的曲面，通常需要多轴联动加工。多轴加工相对于三轴加工有许多优势，比如扩大了加工范围，提高了加工精度和效率等。目前多轴曲面加工一般都是借助各种CAM软件进行编程，MasterCAM 就是其中之一，它提供的曲线(Multiaxis→Curve5ax)、钻孔(Multiaxis→Drill5ax)、拔摸角面(Multiaxis→Swarf5ax)、曲面流线(Multi-axis→Msurf5ax)、多重曲面(Multiaxis →Flow5ax)和旋转四轴(Multiaxis→Rotary4ax)等多轴加工方法，如图1所示。尤其是在多重曲面加工方面，MasterCAM达到了实用化的阶段：Mas-terCAM能够把CAD造型和CAM数控编程集成于一个系统环境中，完成零件的造型、刀具路径的生成、加工模拟仿真、数控程序生成以及与数控机床进行通讯，完成数据传输，最终完成零件的加工。

　　一、问题的提出

　　叶轮在目前很多行业中得到了广泛的应用，如图2所示。由于叶轮属于动力元件，其成型技术往往影响到所设计产品的性能。加之所有叶片都比较薄，加工时易变形，导致最终叶片截面形状与原设计有较大误差。

　　叶轮的曲面特点如采用普通的三轴数控加工方法，非常困难，不仅装夹次数多，而且在加工叶片底部时会在顶部存在干涉现象，因此往往要求多轴数控机床进行加工才能完成。而采用MasterCAM造型，并用曲面多轴加工方法生成走刀路径，则刀具轴线方向可以根据曲面特点自由控制，因此刀具的实际加工角度和切削条件得到改善(图3)，一次装卡就可以把叶片以及叶根同时加工出来，同时能保证加工后叶片的变形小，叶片表面的光洁度高，从而提高了叶轮的加工质量和效率。

　　二、零件造型和零件加工工艺分析

　　根据图2所示，分析零件的结构和特点，确定CAD造型方法，在MasterCAM 绘图区依据零件图生成零件模型：该零件为回转零件，采用旋转功能构建基体，绘制第一曲线和第二曲线，如图4所示，并生成扫描曲面构建叶片，周边叶片结构相同，采用旋转复制功能生成其余叶片。叶片槽中包含叶片的左右两面、倾斜曲线和底面，如图5所示。

　　从叶轮的结构分析，其叶身型面部分为复杂的空间曲面，各部分的曲率和扭转变化都较大，且为动力等装置的重要部件，所以在制造过程中要保证叶轮的质量性能。型面的加工质量直接影响其工作性能，还可能影响整机性能。叶片的材料要求有很高的质量强度比，加工中难切削，切削抗力大，引起的变形也大。由于其截面形状，在叶盆和叶背方向上抵抗变形的能力也不同，进排边缘处又较薄，加工中的形变很复杂，对数控加工提出了很高的要求。

　　叶轮的制造工艺过程大致为：确定叶轮的基本参数→制作零件毛坯→毛坯探伤检验→CAM建模并生成程序→叶轮加工→检验。叶轮CAM系统数控编程流程如图6所示。

　　三、叶轮加工实例

　　如图7所示，该叶轮的基本参数为：叶轮直径为425.45mm，孔径为110mm，高度为106mm，叶片均匀分布12处，五轴联动铣削叶片曲面理想的加工方案如下。

　　(1)去除余料，刀具沿轴线螺旋走刀，去除余料。

　　(2)铣削叶片，刀具沿轴线螺旋走刀，从一端走到另一端。

　　(3)去除残角，精铣底面和叶片，保证精度和表面光洁度。

　　(4)铣削叶根的过渡面时，确保叶片两端的凸台不受损伤。

　　在CAM菜单中点击“ToolPaths”→“Job Setup”，设置叶轮毛坯，选择“ToolPaths”→“Multiaxis”→“Flow5ax”，系统显示如图8所示对话框。在“Output Format”(输出模式)选项中选择“5Aaxis”(五轴)，“Cut Pattern”(切削模式) 选项中选择“Surfaces”(曲面)，“Tool Axis Control”(刀具轴线控制方式) 选项中选择“Pattern Surfaces”(模式曲面)，“Cut Surfaces”(被切削曲面)选项中选择“Comp to Surfaces”(补偿曲面)。以上设置表示，生成刀具的路径为五轴加工刀具路径，用所选择的曲面定义刀具路径所在区域，刀具轴线与切削模式中选择的曲面法线重合，系统将刀具位置投影到所选择的被切削曲面上，并对刀具矢量进行补偿以防止过切。

　　对于叶片铣削，可采用近似于螺旋的走刀路径。刀具相对于叶片绕轴线做旋转运动，同时沿轴线作直线运动，如图9所示。路径仿真如图10所示。

　　采用这种走刀路径，叶片的变形小，质量可靠，且叶背和叶盆刀痕匀布，余量均匀，减少了后续打磨和抛光等工序的工作量，可明显地提高叶片的生产效率。

　　四、加工程序后置处理

　　操作者点击“Operations manager”，系统弹出图11所示界面，选择“Post”选项，弹出如图12所示对话框，点击“OK”，生成加工程序，如图13所示。

　　五、结束语

　　本文通过采用MasterCAM中的曲面多轴铣削功能，利用软件建模和CAM生成加工程序，方便地解决了叶轮叶片的铣削问题。同时，也为其他类似曲面的加工提供参考，充分发挥了多轴联动加工中心的应用价值。曲面多轴加工，也存在一些不足，刀具选择受零件形状影响比较大，叶片扭曲的角度和被加工叶片的高度限制了所选刀具的长度。在多轴加工条件下，一般是选择球头刀行切的方法加工，刀具与加工后形成的被加工表面属于点接触类型，加工时间较长。