王軍， 詹華西

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430073）

1 葉輪零件結(jié)構(gòu)分析

如圖1 所示為葉輪零件的工程圖樣，該零件內(nèi)圈為安裝連接軸用的帶鍵槽臺肩孔，外圈為8 個(gè)葉片?；鶞?zhǔn)葉片在φ150 直徑柱切面（r/R=0.75）處葉截面的葉背和葉面型線及其位置關(guān)系在圖中已有表達(dá)，其葉截面主要數(shù)據(jù)為：葉型中線螺旋角為45°，葉面型線至中線的距離為1.34mm，葉厚7.5mm，葉型曲面在葉根處轉(zhuǎn)角半徑為3mm。該零件的8 個(gè)葉片有明顯重疊，必須采用五軸機(jī)床進(jìn)行加工。由于結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，需要利用CAM 軟件先進(jìn)行模型構(gòu)建，然后由計(jì)算機(jī)自動編制程序，本文以MasterCAM 軟件環(huán)境下的CAD/CAM 為例進(jìn)行說明。

圖1 葉輪零件的工程圖樣

2 葉輪零件的CAD 建模

該葉輪零件3D 建模的難點(diǎn)在于基準(zhǔn)葉片模型的構(gòu)建，只要完成了基準(zhǔn)葉片的建模，通過旋轉(zhuǎn)復(fù)制即可得到其它7 個(gè)葉片。

圖2 葉輪基體的構(gòu)建

2.1 葉輪基體的3D 構(gòu)建

葉輪基體建模時(shí)只需要按圖2 所示在前視面繪制一封閉線框后，以繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)360°構(gòu)建實(shí)體的方法即可。雖然內(nèi)圈孔型亦可同時(shí)一次性構(gòu)建得出，但由于后續(xù)葉片構(gòu)建時(shí)尚需借助內(nèi)圈輪廓來切除多余部分，因此先不進(jìn)行內(nèi)圈孔型的構(gòu)建。

2.2 葉片模型的構(gòu)建

（1）繪制φ150 葉截面上的葉面型線

如圖3（a）所示，先找到φ150 直徑柱切面與基體曲面的交線，以正前方（270°交點(diǎn)）處正切面為構(gòu)圖面（前視面Z=75 處），按圖3（b）所示在新層中繪制葉截面的中線、葉背和葉面型線，同時(shí)以100mm 的距離在左上繪出中線的平行線，作為葉型建模用的回轉(zhuǎn)軸心線。

（2）旋轉(zhuǎn)構(gòu)建葉片柱筒

關(guān)閉葉輪基體所在圖層，按如圖4 所示，將封閉的葉型線框繞回轉(zhuǎn)軸心線旋轉(zhuǎn)360°生成葉片柱筒實(shí)體。

（3）以外輪廓旋轉(zhuǎn)切割獲得葉片雛形

按如圖5 所示繪制旋轉(zhuǎn)切割用封閉的外輪廓線框，再繞葉輪軸心旋轉(zhuǎn)切割已構(gòu)建的葉片柱筒實(shí)體，即可得到單個(gè)葉片的雛形。切割用線框輪廓主要用于獲得葉輪上部及側(cè)面的葉型邊界，線框以能將柱筒殘料全部切割掉而繪制。

（4）切割葉片超出葉輪基體范圍的其余部分

開啟葉輪基體圖層，觀察葉片與基體疊合情況，以判斷是否需要進(jìn)行多余部分的切割處理。由疊合情況來看，可按如圖6 所示，在前視面構(gòu)建擠出切割用線框，對超出基體范圍的另一側(cè)和底部實(shí)施雙向貫穿切割，僅保留葉片有效部分。

圖3 葉輪零件葉片型線構(gòu)成

圖4 葉片實(shí)體構(gòu)建

圖5 旋轉(zhuǎn)切割獲得葉片雛形

圖6 擠出切割超界殘料

（5）旋轉(zhuǎn)復(fù)制得到全部葉片

圖7 全部葉片的構(gòu)建及其與基體的包容重疊關(guān)系

圖8 葉輪型孔的構(gòu)建

在俯視構(gòu)圖面內(nèi)，采用旋轉(zhuǎn)復(fù)制的方法，將基準(zhǔn)葉片繞葉輪軸心以45°的間隔均勻生成其余7 個(gè)葉片，如圖7 所示?？梢钥闯鲞@些葉片間有很多重疊部分，且在開啟葉輪基體圖層后，大部分都將被基體所包容。

2.3 葉輪整合與型孔構(gòu)建

采用布爾求并運(yùn)算，可將8 個(gè)葉片與葉輪基體逐個(gè)合并成為葉輪整體。最后，可按如圖8 所示先后用內(nèi)圈線框旋轉(zhuǎn)切割、鍵槽線框軸向擠出切割得到帶鍵槽的葉輪型孔，以完成整個(gè)葉輪3D 模型的構(gòu)建。

3 葉輪零件五軸加工的CAM

該葉輪零件的內(nèi)孔型面和葉輪外輪廓可通過車削加工得到，鍵槽特征可采用銑削、插削或者線切割加工得到。這些都是常見的特征加工，總體來說，該零件的加工難點(diǎn)在于葉片曲面的五軸加工。

當(dāng)葉輪零件建模完成后，在MasterCAM-X 版中，可以選擇“高級多軸加工”刀路定義功能，并從中選擇“不使用傾斜曲線”的底面加工方式，如圖9 所示。刀路定義時(shí)應(yīng)分別選擇左右側(cè)曲面和葉底曲面，同時(shí)還應(yīng)將左右側(cè)曲面設(shè)置為干涉曲面并開啟干涉檢查功能。

圖9 不使用傾斜曲線的葉底曲面刀路定義

在刀路定義的參數(shù)設(shè)置時(shí)，可切換到高級設(shè)置方式以進(jìn)行較為詳細(xì)的參數(shù)項(xiàng)定義。如可指定超越曲面邊緣的延伸量、設(shè)置刀具軸傾斜的角度、進(jìn)退刀的引入引出方式、提刀的安全高度面等。圖10（a）所示是使用相對于切削方向傾斜進(jìn)給、傾斜邊為沿著曲面等角方向的刀具軸控制方式，對干涉面用沿刀軸方向提刀，段間沿著曲面連接等的設(shè)置后所得到未分層時(shí)葉底的五軸加工刀路，葉間槽的粗加工刀路可在粗加工選項(xiàng)卡中設(shè)置深度切削的分層參數(shù)后得到，圖10（b）是設(shè)置4 次粗切、2 次精切后所得到的刀路。

圖10 葉輪零件單槽五軸加工的刀路設(shè)計(jì)

當(dāng)單槽加工刀路定義完成并通過仿真檢查認(rèn)可后，可在粗加工選項(xiàng)卡中設(shè)置旋轉(zhuǎn)變換參數(shù)項(xiàng)，如旋轉(zhuǎn)次數(shù)8、旋轉(zhuǎn)角度45°、繞Z 軸旋轉(zhuǎn)等，即可得到圖11 所示葉輪零件多槽五軸加工的刀路。

圖11 葉輪零件多槽五軸加工刀路

4 結(jié) 語

葉輪是典型的五軸加工零件，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，必須借助于計(jì)算機(jī)輔助建模及自動編程技術(shù)。MasterCAM 作為一個(gè)應(yīng)用廣泛的CAM 軟件，提供了比較方便的CAD 建模及五軸加工CAM 刀路設(shè)計(jì)環(huán)境，在處理葉輪類典型零件方面具有比較成熟的模板，只要熟悉操作技巧，對于習(xí)慣于MasterCAM 的用戶而言，其在零件五軸加工的實(shí)現(xiàn)方法上，較之其它CAM 軟件更容易上手，可避免重新學(xué)習(xí)其它軟件，提高工作效率。

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