趙炎

摘 要：本文以一個典型葉輪加工的案例詳細介紹了PowerMILL軟件在葉輪四軸加工中的應用，利用該軟件可以以形象直觀的方式實現(xiàn)對葉輪零件的編程，可以將過切與干涉等不安全因素消除在機床加工之前，對于保證NC程序的正確性具有重要意義，為廣大用戶編制四軸程序提供了盡可能多的經(jīng)驗和參考。

關鍵詞：PowerMILL；葉輪的編程；加工仿真

1 前言

整體葉輪是一類具有代表性且造型比較規(guī)范、典型的復雜零件，其形狀特征明顯，工作型面的設計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質量對其性能參數(shù)都有很大影響。在數(shù)控銑削中，四軸、五軸數(shù)控加工因具備有效避免干涉、可側銑直紋面、切削狀態(tài)良好等優(yōu)點，從而成為提高整體葉輪加工效率和質量的首選。

本文基于整體葉輪的幾何特征，利用PowerMILL10.0軟件對其進行加工軌跡規(guī)劃，詳細闡敘了葉輪加工的要點及加工的參數(shù)，對于編制葉輪四軸加工程序有詳細的介紹，為讀者今后加工同類型零件提供了一定的借鑒。

2 PowerMILL的工作流程

PowerMILL是由英國Delcam Plc公司開發(fā)的一個獨立運行、世界領先的專業(yè)數(shù)控加工編程軟件。它的功能齊備，加工策略極其豐富，適用于廣泛的工業(yè)領域。PowerMILL獨有的5軸加工策略、高效粗加工策略以及高速精加工策略，可生成最有效的加工路徑，確保最大限度地發(fā)揮機床潛能。它功能強大，易學易用，可快速、準確地產(chǎn)生能最大限度發(fā)揮CNC數(shù)控機床生產(chǎn)效率的、無過切的粗加工和精加工刀具路徑，確保生產(chǎn)出高質量的零件。

3 葉輪的編程

3.1 檢查分析模型

整體葉輪的關鍵體素是葉片，葉片曲面可以分為直紋曲面和自由曲面（非直紋曲面），其中直紋面又可分為可展直紋面和非可展直紋面。此外，為合理選擇刀具并生成加工軌跡，也要確定流道的進水口寬度、出水口寬度等參數(shù)值。對葉輪零件進行測量可知葉片根部的R為1.5MM，葉片最厚處為1MM、最薄處為0.6MM，出水口處寬度為15MM、進水口處寬度為9MM。葉片的側面為可展直紋面、葉輪流道的底面為自由曲面（非直紋曲面）。根據(jù)葉輪的幾何結構特點和使用要求，我們可以發(fā)現(xiàn)葉片的壁薄易發(fā)生變形，開粗時應留出足夠多的余量給精加工，葉片表面要求光滑，刀路必須順滑、刀路中間不能有接刀痕。

由于不是所有葉輪都可以用四軸加工中心加工，所以我們還要分析一下零件的可加工性。四軸加工中心是通過零件沿旋轉軸方向作勻速進給，同時繞旋轉軸作勻速旋轉運動，使刀具在空間形成運動軌跡為阿基米德螺旋線等空間復雜曲線，沿徑向由外向內逐層切削從而完成零件的加工。分析圖形我們可以發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片的扭曲度不大，葉片間的間隙較寬，當零件繞旋轉軸慢慢旋轉，我們沿著零件的直徑方向看過去，產(chǎn)生的試加工刀路所有的刀軸都平行于曲面的經(jīng)線，也就是說所有的曲面都可以加工到，由此我們可以確定此葉輪可以使用四軸加工中心加工。

3.2 葉輪的加工工藝方案

通過對整個模型的分析，我們可以確定基本的加工工藝流程為：a.在POM塑料上車削加工回轉體的基本形狀；b.參考線精加工策略開粗葉輪的流道；c.曲面精加工策略精加工葉片內側曲面；d.曲面精加工策略精加工葉片外側曲面；e.曲面投影精加工策略精加工葉輪的流道；f.曲面精加工策略清1.5MMR角。整個零件采用PowerMILL10.0軟件編程，選用普通的合金涂層刀具加工，加工機床為日本MAZAK NEXUS 6000_Ⅱ臥式加工中心。

3.3 葉輪的編程

a.參考線精加工策略開粗葉輪流道

葉輪流道出水口處寬度為15MM、進水口處寬度為9MM。開粗葉輪流道只能選擇直徑小于￠9MM的平底刀，為了給精加工留有足夠的余量，我們現(xiàn)在選取盡可能大的刀具￠5MM的平底刀進行加工。我們先在葉輪底面中心處繪制一條線作為刀路的軌跡線；設定刀具的刀軸朝向原點為（X0.Y0.Z0.）平行于X軸的直線；運用參考線精加工策略設置各個加工參數(shù)，產(chǎn)生如圖1顯示的刀路。參考線精加工策略產(chǎn)生的刀路，特點是所有刀路將按照所畫參考線軌跡，沿著刀軸的方向，向上或向下以設定的步距偏置出多條刀路。由于零件是由6片形狀完全相同且均布在圓周上的葉片構成，所以我們可以通過復制旋轉的方法產(chǎn)生其他5個槽的程序。

b.曲面精加工策略精加工葉輪內側曲面

開粗完葉輪流道后，每片葉片都留有單邊2MM以上的余量。根據(jù)余量的分布和根部R角大小，我們選擇￠6R1的牛鼻刀對內側葉片進行精加工。分析模型時我們發(fā)現(xiàn)，整個葉片的側面是由一整塊可展直紋面構成，因此我們選擇曲面精加工策略加工葉片。曲面精加工策略是按曲面的UV方向對單一的模型曲面進行加工的加工策略，它不受投影方向的限制，只按所選曲面的經(jīng)緯線方向產(chǎn)生出刀路軌跡。選取葉片的內側曲面，設定完加工參數(shù)后，通過計算我們可以得到圖2刀路。

c.曲面精加工策略精加工葉輪外側曲面

同樣，我們使用曲面精加工策略，選取葉片的外側曲面，可以得到如圖3所示刀路。

d.曲面投影精加工策略精加工葉輪的流道

對于葉輪的流道，我們選用￠4MM的球頭刀，運用曲面投影精加工策略加工。曲面投影精加工是以所選曲面作為投影源，對單一的模型曲面按UV方向進行軌跡投影的加工策略。曲面投影精加工只能對單一的模型曲面進行編程，而葉輪底面有3塊自由曲面，因此我們只能分別選取曲面，計算出3個刀路后，將刀路疊加成一個精加工的程序。我們設好刀軸，先選取中間的一塊曲面，設定加工參數(shù)，計算出第一條刀路（注意UV方向的設置），以相同的方法分別將其他的底面生成刀路，用刀路疊加功能得到圖4刀路。

e.曲面精加工策略清1.5MMR角

因為加工葉片時￠6R1的牛鼻刀會與葉輪槽底部的曲面發(fā)生干涉，所以葉輪根部的R角需要進行清角加工。我們選用￠2MM的球頭刀，設置好刀軸，選擇葉輪根部內側R1.5MM的曲面，用曲面精加工策略計算出第一條清角刀路，以相同的方法，計算出清外側R角的另一條清角刀路，將兩條刀路疊加獲得如圖5的刀路。

3.4 葉輪的加工仿真

PowerMILL軟件為我們提供了集成一體的加工切削實體仿真功能，我們可用它仿真模擬完整的加工切削過程，檢查過切、碰撞、順銑/逆銑和加工質量等切削情況，節(jié)省上機床實際試切加工的成本。PowerMILL的加工切削實體仿真模塊還可從任何方向局部放大察看、旋轉察看仿真過程中和仿真完畢后的加工情況，提高了加工切削實體仿真的效率。對于四軸、五軸加工僅僅是加工切削實體仿真是不夠的，由于其運動方式不單有X、Y、Z軸的直線運動，還同時存在了A、B、C 軸的旋轉運動，加工時很容易發(fā)生零件與機床、刀具與機床、夾具與機床發(fā)生干涉的情況，不裝載機床仿真，后續(xù)加工時在機床上就必須花費大量的時間進行校核以避免碰撞的發(fā)生。PowerMILL的機床運動仿真和碰撞檢查模塊既適用于已定義的標準類型的機床，也可根據(jù)需要定義自己的機床模型。我們可以在屏幕上看到實際加工中將出現(xiàn)的機床運動的真實情況，可以發(fā)現(xiàn)使用不同加工策略時機床運動的合理性，可以發(fā)現(xiàn)機床在運轉時與運動中的各個部位是否碰撞，只有通過了機床運動仿真，我們才可以放心的將程序發(fā)送至機床進行加工。

4 結束語

四軸加工中心因有旋轉軸的運動，所以其運動軌跡的計算較為復雜，編程時能用到的加工策略也不多。本文介紹的加工與編程方法，不僅適用于葉輪的加工，對于圓柱凸輪、少齒轉子、異形螺桿等零件的加工也有一定的借鑒作用。PowerMILL是一款集多種功能于一體的加工編程軟件，它功能強大對于四軸、五軸零件的加工很有幫助，它易學易用初學者能很快掌握它的用法，但我們要想編制出高效優(yōu)質的四軸加工程序，單單靠強大的編程工具是遠遠不夠的，它還需要我們不斷的鉆研新的加工工藝、改進加工方法，不斷的積累經(jīng)驗教訓，在一次次的實際加工中完善我們的程序。

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