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——CNC數(shù)控編程智造——

一個(gè)數(shù)控達(dá)人聚焦的平臺(tái)

作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，整體式葉輪廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是機(jī)械制造中的一個(gè)關(guān)鍵課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的機(jī)械效率和動(dòng)力性能，CNC數(shù)控加工是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的加工整體三元葉輪的方法。

整體葉輪的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1. 三元整體葉輪的形狀復(fù)雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面。 

2. 整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上設(shè)有半徑的減小通道越來(lái)越窄，因此加工葉輪葉片曲面時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉。

3. 刀位規(guī)劃時(shí)的約束條件多，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。

   目前國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專(zhuān)用軟件，如美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專(zhuān)用軟件等。國(guó)內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多數(shù)采用國(guó)外大型CAD/CAM 軟件，如NX、PM、CATIA、MasterCAM等來(lái)加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的MASTERCAM 2017 來(lái)對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行數(shù)控編程及加工仿真。

準(zhǔn)備工作主要包括工件坐標(biāo)系建立、工件對(duì)刀點(diǎn)與機(jī)床換刀點(diǎn)的確定，在加工編程中，為了使工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致，將工件坐標(biāo)系零點(diǎn)與編程零點(diǎn)重合。

本整體葉輪零件加工的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以?xún)牲c(diǎn)：

(1)整個(gè)葉輪包括了11個(gè)葉片，葉片相鄰的空間狹小，加工時(shí)刀具容易和被加工的葉片以及相鄰的的葉片發(fā)生干涉；

(2)葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，且為非可展扭曲直紋面，形狀相對(duì)比較復(fù)雜，加工易變形；

在葉輪的加工設(shè)備上選用配有Heidenhain 數(shù)控系統(tǒng)的五軸加工中心，該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、C五軸聯(lián)動(dòng)，具體的工作行程參數(shù)為：X軸850mm縱向、Y軸660mm橫向；Z軸460mm垂直向，B軸(工作臺(tái)擺動(dòng))-120°～120°，C軸(工作臺(tái)旋轉(zhuǎn))360°。從這些參數(shù)可以看出該機(jī)床能輕松勝任該整體葉輪加工的任務(wù)。

3.1 整體葉輪零件的幾何建模

運(yùn)用CAD建立幾何模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的基礎(chǔ)，MasterCAM四大模塊中的任何一個(gè)模塊都具有三維的設(shè)計(jì)功能?？梢赃\(yùn)用Design模塊建模，也可以根據(jù)加工要求使用Mill模塊、Lathe模塊和Wire模塊直接建模，在進(jìn)行零件的建模時(shí)，無(wú)需畫(huà)出整個(gè)零件的模型來(lái)，只需要畫(huà)出其加工部分的輪廓線即可，形位公差及配合公差可以不標(biāo)出，應(yīng)根據(jù)零件的實(shí)際尺寸來(lái)繪制圖形，以保證計(jì)算生成的刀具路徑坐標(biāo)點(diǎn)位的正確性；并注意將不同的加工工序分別繪制于不同的圖層內(nèi)，利用MasterCAM中圖層的功能，在確定刀具路徑時(shí)，加以調(diào)用或隱藏，作圖清晰，編程明了方便。

3.2  整體葉輪零件的模擬數(shù)控加工

設(shè)置好刀具加工路徑后，利用MasterCAM系統(tǒng)提供的零件加工仿真模擬功能，觀察切削加工的過(guò)程，可用來(lái)檢測(cè)工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理，零件在數(shù)控實(shí)際加工中是否存在干涉，設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)作是否正確，實(shí)際零件是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在數(shù)控模擬加工中，系統(tǒng)還會(huì)給出相關(guān)加工過(guò)程的參數(shù)報(bào)表，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中省去試切的過(guò)程，可降低材料消耗，節(jié)約成本。

3.3 生成數(shù)控指令代碼及程序傳輸

通過(guò)MASTERCAM模擬數(shù)控加工，確認(rèn)符合實(shí)際加工要求時(shí)，就可以利用MasterCAM的后置處理程序來(lái)生成NC數(shù)控代碼，MasterCAM系統(tǒng)本身提供了多種后置處理PST程序。對(duì)于不同的數(shù)控設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)選用相應(yīng)的后置處理程序。后置處理生成的NC數(shù)控代碼經(jīng)適當(dāng)手動(dòng)修改后如能符合所用數(shù)控設(shè)備的要求，就可以輸出到數(shù)控設(shè)備，進(jìn)行DNC加工。

根據(jù)零件的尺寸要求，選用材料為AULUMNUM5052直徑為100mm高度為50mm的棒料在數(shù)控車(chē)床上加工成階梯弧形狀作為毛坯，然后分以下幾道工序進(jìn)行加工。

1.運(yùn)用三爪夾持棒料下端面，采用φ4的硬質(zhì)合金立銑刀去除流道間的主要余量。這種方式用立銑刀按等高面一層一層地銑削，層與層之間的高度為2mm，加工效率較高。在這一工序中主軸轉(zhuǎn)速S可以設(shè)為8000r/min，進(jìn)給速度F3000mm/min。

2.進(jìn)行葉片粗加工，這一工序需要五軸聯(lián)動(dòng)來(lái)進(jìn)行加工，加工中依然采用φ4R2的球頭刀，運(yùn)用Mastercam 的“多軸刀路”中的“葉片專(zhuān)家”進(jìn)行加工，具體的加工的相關(guān)參數(shù)在“多軸刀路--葉片專(zhuān)家”對(duì)話框中設(shè)置。幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：“切削方式”模塊的“加工方式”選為粗加工，“排序方式”選擇“雙向，由前邊緣開(kāi)始”以提高加工的效率：在“定義組件”模塊中“葉片”選擇兩相鄰的葉片，“輪轂”選擇剛選中的兩相鄰葉片的中間區(qū)域，并且設(shè)置“分段數(shù)量”為6。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成粗加工。

3.進(jìn)行輪轂的精加工，葉片專(zhuān)家中的“精修輪轂”即可，采用φ3R1.5錐度銑刀加工，轉(zhuǎn)速S12000,進(jìn)給F4000。

4.進(jìn)行葉片精加工，在Mastercam 的“多軸刀路”中選擇“曲面實(shí)體”并點(diǎn)選“Swaff milling”。在相應(yīng)的對(duì)話框中設(shè)置加工參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：“切削方式”模塊的“切削曲面”選擇葉片側(cè)面，“底部曲面”選擇兩相鄰葉片之間的輪轂；“曲面公差”中設(shè)定切削公差為0.01，最大距離為0.2。其他參數(shù)可以選擇默認(rèn)，就可出程序完成本道工序的加工。

5.實(shí)體模擬仿真切削。

通過(guò)以上步驟最終完成整體葉輪零件的加工。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量該零件葉片的弧度，均滿(mǎn)足規(guī)定的要求。

在此次整體葉輪的加工中，并沒(méi)有采用費(fèi)用高昂、功能高端的CAD/CAM軟件。熟用MasterCAM使得整個(gè)編程工藝過(guò)程如行云流水般酣暢淋漓 ，在該五軸CNC機(jī)床加工此零件也是龍飛鳳舞，氣貫長(zhǎng)虹 ，一個(gè)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)出是人、機(jī)、物，優(yōu)化配置和良好協(xié)調(diào)的結(jié)果，不僅僅是某一方面。

MC x6中的葉輪模塊：一直在進(jìn)步