在三軸數(shù)控機(jī)床加工中，規(guī)則斜面和曲面可以通過插補(bǔ)的方法來加工，但精度和效率不高，對于一些特殊的曲面，通常需要多軸聯(lián)動加工。多軸加工相對于三軸加工有許多優(yōu)勢，比如擴(kuò)大了加工范圍，提高了加工精度和效率等。目前多軸曲面加工一般都是借助各種CAM軟件進(jìn)行編程，MasterCAM 就是其中之一，它提供的曲線(Multiaxis→Curve5ax)、鉆孔(Multiaxis→Drill5ax)、拔摸角面(Multiaxis→Swarf5ax)、曲面流線(Multi-axis→Msurf5ax)、多重曲面(Multiaxis →Flow5ax)和旋轉(zhuǎn)四軸(Multiaxis→Rotary4ax)等多軸加工方法，如圖1所示。尤其是在多重曲面加工方面，MasterCAM達(dá)到了實用化的階段：Mas-terCAM能夠把CAD造型和CAM數(shù)控編程集成于一個系統(tǒng)環(huán)境中，完成零件的造型、刀具路徑的生成、加工模擬仿真、數(shù)控程序生成以及與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸，最終完成零件的加工。

　　一、問題的提出

　　葉輪在目前很多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如圖2所示。由于葉輪屬于動力元件，其成型技術(shù)往往影響到所設(shè)計產(chǎn)品的性能。加之所有葉片都比較薄，加工時易變形，導(dǎo)致最終葉片截面形狀與原設(shè)計有較大誤差。

　　葉輪的曲面特點如采用普通的三軸數(shù)控加工方法，非常困難，不僅裝夾次數(shù)多，而且在加工葉片底部時會在頂部存在干涉現(xiàn)象，因此往往要求多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工才能完成。而采用MasterCAM造型，并用曲面多軸加工方法生成走刀路徑，則刀具軸線方向可以根據(jù)曲面特點自由控制，因此刀具的實際加工角度和切削條件得到改善(圖3)，一次裝卡就可以把葉片以及葉根同時加工出來，同時能保證加工后葉片的變形小，葉片表面的光潔度高，從而提高了葉輪的加工質(zhì)量和效率。

　　二、零件造型和零件加工工藝分析

　　根據(jù)圖2所示，分析零件的結(jié)構(gòu)和特點，確定CAD造型方法，在MasterCAM 繪圖區(qū)依據(jù)零件圖生成零件模型：該零件為回轉(zhuǎn)零件，采用旋轉(zhuǎn)功能構(gòu)建基體，繪制第一曲線和第二曲線，如圖4所示，并生成掃描曲面構(gòu)建葉片，周邊葉片結(jié)構(gòu)相同，采用旋轉(zhuǎn)復(fù)制功能生成其余葉片。葉片槽中包含葉片的左右兩面、傾斜曲線和底面，如圖5所示。

　　從葉輪的結(jié)構(gòu)分析，其葉身型面部分為復(fù)雜的空間曲面，各部分的曲率和扭轉(zhuǎn)變化都較大，且為動力等裝置的重要部件，所以在制造過程中要保證葉輪的質(zhì)量性能。型面的加工質(zhì)量直接影響其工作性能，還可能影響整機(jī)性能。葉片的材料要求有很高的質(zhì)量強(qiáng)度比，加工中難切削，切削抗力大，引起的變形也大。由于其截面形狀，在葉盆和葉背方向上抵抗變形的能力也不同，進(jìn)排邊緣處又較薄，加工中的形變很復(fù)雜，對數(shù)控加工提出了很高的要求。

　　葉輪的制造工藝過程大致為：確定葉輪的基本參數(shù)→制作零件毛坯→毛坯探傷檢驗→CAM建模并生成程序→葉輪加工→檢驗。葉輪CAM系統(tǒng)數(shù)控編程流程如圖6所示。

　　三、葉輪加工實例

　　如圖7所示，該葉輪的基本參數(shù)為：葉輪直徑為425.45mm，孔徑為110mm，高度為106mm，葉片均勻分布12處，五軸聯(lián)動銑削葉片曲面理想的加工方案如下。

　　(1)去除余料，刀具沿軸線螺旋走刀，去除余料。

　　(2)銑削葉片，刀具沿軸線螺旋走刀，從一端走到另一端。

　　(3)去除殘角，精銑底面和葉片，保證精度和表面光潔度。

　　(4)銑削葉根的過渡面時，確保葉片兩端的凸臺不受損傷。

　　在CAM菜單中點擊“ToolPaths”→“Job Setup”，設(shè)置葉輪毛坯，選擇“ToolPaths”→“Multiaxis”→“Flow5ax”，系統(tǒng)顯示如圖8所示對話框。在“Output Format”(輸出模式)選項中選擇“5Aaxis”(五軸)，“Cut Pattern”(切削模式) 選項中選擇“Surfaces”(曲面)，“Tool Axis Control”(刀具軸線控制方式) 選項中選擇“Pattern Surfaces”(模式曲面)，“Cut Surfaces”(被切削曲面)選項中選擇“Comp to Surfaces”(補(bǔ)償曲面)。以上設(shè)置表示，生成刀具的路徑為五軸加工刀具路徑，用所選擇的曲面定義刀具路徑所在區(qū)域，刀具軸線與切削模式中選擇的曲面法線重合，系統(tǒng)將刀具位置投影到所選擇的被切削曲面上，并對刀具矢量進(jìn)行補(bǔ)償以防止過切。

　　對于葉片銑削，可采用近似于螺旋的走刀路徑。刀具相對于葉片繞軸線做旋轉(zhuǎn)運動，同時沿軸線作直線運動，如圖9所示。路徑仿真如圖10所示。

　　采用這種走刀路徑，葉片的變形小，質(zhì)量可靠，且葉背和葉盆刀痕勻布，余量均勻，減少了后續(xù)打磨和拋光等工序的工作量，可明顯地提高葉片的生產(chǎn)效率。

　　四、加工程序后置處理

　　操作者點擊“Operations manager”，系統(tǒng)彈出圖11所示界面，選擇“Post”選項，彈出如圖12所示對話框，點擊“OK”，生成加工程序，如圖13所示。

　　五、結(jié)束語

　　本文通過采用MasterCAM中的曲面多軸銑削功能，利用軟件建模和CAM生成加工程序，方便地解決了葉輪葉片的銑削問題。同時，也為其他類似曲面的加工提供參考，充分發(fā)揮了多軸聯(lián)動加工中心的應(yīng)用價值。曲面多軸加工，也存在一些不足，刀具選擇受零件形狀影響比較大，葉片扭曲的角度和被加工葉片的高度限制了所選刀具的長度。在多軸加工條件下，一般是選擇球頭刀行切的方法加工，刀具與加工后形成的被加工表面屬于點接觸類型，加工時間較長。