MasterCAM在多轴联动数控技术加工中的应用

　　整体叶轮作为航空发动机、螺旋推进器等的关键部件，广泛运用于航空航天等领域，其加工质量的优劣直接影响空气动力性能和机械效率。由于整体叶轮是叶片和轮毂在同一个毛坯上，叶片的形状又是由复杂的曲面构成，相邻叶片之间的导流槽空间较小，加工时容易产生干涉碰撞，难以规划刀具的加工轨迹。如采用三坐标数控机床先加工单叶片，再将旋转分度头附加在三坐标数控机床上来实现其他叶片的加工，这种加工方法使得整体叶轮叶片的一致性无法保证，加工精度和效率也比较低。但是若采用多轴联动机床，就能一次完成整体叶轮全部叶片的加工，不仅有效地提高了叶轮的加工质量和生产效率，也极大地提高了设备的利用率，减轻了操作者的劳动强度。当今使用较广泛的多轴联动机床是四轴或五轴数控机床，而利用多轴机床来加工零件，必须要使用由CAM 软件自动生成的数控加工程序。在国外常用的叶轮类五轴加工专用软件有Powermill、Hypermil、MAX-5、MAX-AB 等，通用的软件如UG、CATIA、PRO/E、Cimatron 也能进行加工，这些较为高端的CAD/CAM 软件功能强大，在数控加工中发挥了巨大的作用，但是这些软件价格比较昂贵，掌握和使用相对困难，导致在我国大量中小型企业中的使用受到限制。

　　MasterCAM是由美国CNC Software公司开发的基于PC平台的兼有CAD/CAM功能的软件系统，其对硬件要求不高，易学易用，能够满足2-5轴的联动加工，具有良好的性价比，深受我国广大中小型企业和工程技术人员的欢迎。本文结合整体叶轮数控加工实例，利用MasterCAM软件强大的CAD/CAM功能，在一个系统环境中，完成从零件造型、刀轨创建、仿真加工、数控程序生成到与数控机床通讯，最后进行整体叶轮加工的整个过程。本文探讨运用MasterCAM 软件实现复杂曲面的多轴数控加工。

1 实体建模

　　根据整体叶轮的结构和特点，确定建模的方法。在MasterCAM中可以通过两种途径实现实体建模。

　　1)MasterCAM软件在CAD设计方面提供了强大的二维和三维建模方法。可以利用MasterCAM所具备的造型功能直接在绘图区生成零件模型，采用该方法分两步进行。

　　第一步，叶轮曲面造型：因为该叶轮为回转体零件，故首先采用曲面功能中的“旋转”命令创建轮毂基体，分别绘制构建大小叶片的共四条曲线(如图1 所示)，然后通过“扫描曲面”功能生成单个大小叶片，由于其余的叶片结构相同，只需采用“旋转复制”功能来构建，这样即可完成叶轮的曲面造型。

图1 叶轮曲面造型

　　第二步，叶轮实体造型：通过“由曲面生成实体…”功能将叶轮曲面转换成实体，然后对轮毂曲面和每个叶片曲面采用“薄片加厚”功能进行加厚，就生成了整体叶轮模型(如图2 所示)，导流槽中包含叶片的左右两面和轮毂底面。

图2 叶轮实体造型

2)MasterCAM软件具有非常强的交互性，系统本身提供了DXF、STL、IGES、DWG、VDA、PARASLD 等标准图形转换接口。通过这些接口，可将其它CAD 软件生成的图形文件转变为MasterCAM 系统的图形文件，实现资源的共享。

2 工艺分析

　　零件工艺分析是根据零件的工程图或三维造型图所提供的各种特征信息，选择最合理的加工设备、刀具、夹具等工艺装备来确定最佳的加工方案，包括工序的划分、加工顺序的安排、走刀路线的确定、切削用量的选择、刀具的补偿等，只有选择合适的工艺参数及切削策略才能获得理想的加工效果。

　　从叶轮的结构分析，该叶轮直径为100mm、孔径为20mm、高度为50mm，叶片有大小两种，均匀分布12处。按照叶轮曲面形状的不同，加工叶轮的方法通常有两种：一种是侧铣法，适用于直纹曲面型叶片的加工；另一种是点铣法，在自由曲面型叶片的加工中较为普遍，可采用铣刀沿着叶片的流线方向逐行走刀，逐渐加工出叶片型面。利用点铣法加工出的叶片精度较高，与叶片设计型面的要求更为相符，而且加工时的走刀方向和设计的流线方向一致，有利于叶轮运行时的动力性能。

3 刀轨创建

　　零件建模后，根据零件的要求安排加工工艺，选择毛坯类型，确定工件坐标原点，建立合适的工件坐标系，选择相应工序所使用的刀具，并进行各种工艺参数的设置，最终得到零件加工的刀具轨迹。

　　在 MasterCAM 软件的主菜单中点击“机床类型”选择“默认”，即可在刀具路径状态栏中出现“加工群组”信息，继续在主菜单中选择“刀具路径”→“多轴加工”→“多曲面五轴”，系统显示如图3 所示的多曲面五轴加工对话框。可按照系统提示的默认选项进行设置，即在“OutputFormat(输出模型)”的选项中选择“5 Aaxis”，“CutPattern(切削模式)”的选项中选择“Surfaces”，“Tool Axis Control(刀轴控制)”的选项中选择“Pattern Surfaces”，“Cut Surfaces”选项中选择“Use Cut Pattern”，在选取加工曲面之后，系统弹出“多曲面五轴刀具参数”对话框，在“刀具管理器”中选择直径为6mm 的球头铣刀，并设置刀具进给速度为500mm/min ， 主轴转速为2500r/min；在“多轴参数”中设置“Tip(刀尖)”补偿形式，补偿方向为“Left”；在“曲面参数”中设置切削步距和步长均为0.8mm。通过以上设置，用选择的曲面来定义五轴加工刀具路径所在的区域，刀轴与切削模式曲面的法线重合，系统将刀具位置投影到所选择的被加工曲面上，并对刀具矢量进行补偿以防止出现过切，产生如图4所示的刀具轨迹。

图3 多曲面五轴对话框 

图4 生成的刀具轨迹