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基于MasterCAM的曲面多轴加工实例分析

发布时间:2010-10-11
针对复杂曲面类零件编程和加工难的问题,本文采用MasterCAM的曲面多轴加工功能,阐述了五轴联动数控铣削加工工艺及方法。利用软件建模和CAM生成加工程序,有效解决了叶轮叶片曲面加工的铣削问题,提高了效率,降低了出错率,对复杂曲面加工有一定的借鉴作用。
  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。

图1

  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。

图2

  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。

图3

  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。

图4图5

  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。

图6

  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。

图7

  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。

图8图9图10

  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。

图11

图12

图13

  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。