隨著數控加工日益普及，CAD/CAM軟件也在不斷地更新，而多軸加工數控編程一直是航空發(fā)動機葉片加工的關鍵技術。Mastercam作為一款高端CAD/CAM軟件，在實際加工中有著廣泛的應用，以下是以Mastercam在葉片的四軸聯動加工中的實際應用，對其它曲面加工也有借鑒意義。
關鍵詞 葉片 四軸聯動加工 行距 后處理 進給率控制
一、引言
數控加工是一種可編程的柔性加工方法。數控機床正向著高速、高精、高柔性、復合化的方向發(fā)展，其費用相對較高，故適用于精度高，形狀復雜的零件的加工，而葉片零件公差帶小，其型面多為復雜的空間曲面，需要制造專用的工裝夾具，成批量生產要求精確復制，一直是數控加工的應用對象。
二、 四聯動NC機床
四軸聯動加工技術主要應用于加工具有較為復雜曲面的工件，與三軸聯動加工相比，四軸聯動加工可以加工出更高質量、更復雜的曲面，主要適用于飛機、模具、汽車等行業(yè)的特殊加工，目前已經普及國產四坐標機床。如下左圖所示四坐標立式NC機床是在三個線性平動軸的基礎上增加一旋轉軸。其運動鏈為：
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三、葉片的結構特點
從葉片的結構來看，其葉身型面部分為復雜的空間曲面，各部分的曲率、扭轉變化較大，是典型的薄壁件。由于其為動力等裝置的重要部件，工作條件較為惡劣，對零件本身的精度和質量提出的很高的要求。型面的加工質量直接影響其工作性能，從而可能影響整機的性能。葉片的材料要求有很高的質量—強度比，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，進排邊緣處又較薄，加工中的形變很復雜。對數控加工提出了很高的要求。在實際加工中，多采用以下的加工流程：
四、葉片的CAD建模
Mastercam是美國CNC Software公司開發(fā)的一套CAD/CAM 軟件，最早的版本為V3.0，可用于DOS。由于其誕生較早，兼具CAD軟件和CAM軟件的重要功能，發(fā)展至今無疑是CAD/CAM軟件中的一枝奇葩，有很高的市場占有率。軟件的CAD功能可以繪制2D和3D圖形，構建自由曲面的功能更是遠遠勝于同類的CAD軟件；軟件的CAM功能方便直觀，可以直接在點、線、曲面、實體上產生刀軌，其后置處理文件是一種用戶回答式的自由修改文件，默認的后置處理文件Mpfan.pst與FANUC控制系統(tǒng)的NC機床無縫集成。
1、構建截面線
按設計給定數據繪制出各個平面上的截面線，葉盆和葉背上的型線均為自由曲線，進排氣邊緣為一段圓弧，將各曲線光滑過渡，并保證各段曲線的連續(xù)。根據給定的扭轉角將各個平面上的曲線通過Xform—Rotate命令進行旋轉，得到一組空間曲線，如下圖所示。
2、構建曲面
將所得到的截面線通過Create(創(chuàng)建)—Surface(曲面)—Loft（舉升）操作，可以得到葉片的葉身型面，截面的數量將影響曲面的光順性，調整各數據點的對齊方式，和曲面公差，得到如下圖所示的三階NUBS曲面。
五、葉片的CAM加工 4?l:.\fB:
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葉片型面加工可在三坐標、四坐標、五坐標數控機床上加工完成，所采用的刀具有球頭刀、平底刀、牛鼻刀、環(huán)形刀、鼓形刀、錐形刀等，可根據曲面陡峭程度、機床主軸自由度、加工要求選擇適合的刀具。
1、四坐標數控機床型面加工的優(yōu)勢
在以往的型面加工中多采用三坐標加工，其特征是加工軸線始終不變。
即平行于Z坐標軸。三坐標曲面加工是通過逐行走刀來完成加工的。刀具沿各切削行的運動，近似地包絡加工曲面，行距是影響加工質量和效率的主要因素。 Z)G@ahO Q
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過大的行距將使表面殘余過大，后續(xù)工序的工作量變大，過小的行距會使加工程序和時間的成倍增加。其中走刀方式和零件相對刀具的姿態(tài)是影響行距的重要因素。
以下是三坐標常用的幾種走刀方式，如下圖所示：圖一是沿截面方向走刀，這種走刀方式可以獲得較好的輪廓度，行距受到的影響也小，但是刀具切削點是不斷地劇烈變化的，加工余量相對也處下不斷的變化，對刀具和機床都產生不利影響。
圖二是沿切削方向走刀的，有較高的效率，在實際中應用較多。但是隨著曲面切削點的法矢和刀具軸線（Z坐標軸）的夾角增大，表面殘余增大，曲面的陡峭程度和其在夾具上的安裝方位對行距很敏感。
圖三是環(huán)切方式，是前兩種方式的綜合，主要應用于邊界受限的型面加工，從內到外環(huán)切時，刀具切削部位的四周可以受到毛坯的剛性支持，有利減少變形。
四軸聯動加工則可解決上述問題，有效地控制刀具和曲面切削點法矢的夾角，從而使切削余量相對均勻，在型面扭轉較大的葉片加工中有明顯的優(yōu)勢；同時一次完成了葉盆、葉背、進排氣邊緣的加工，具有較高的加工精度。
2、葉片的型面加工
葉片的型面為自由曲面，毛坯為模鍛件，需要進行半精加工和精加工。在半精加工中可以根據被加工的面生成偏置面。利用Mastercam中Toolpaths(刀具路徑)—Multiaxis（多軸加工）—Msurf5ax（五軸曲面加工）,選用曲面驅動，Cut Pattern(切削模式)、Tool Axis Control(刀軸控制)、Cut Surfaces（切削曲面）都選擇被加工曲面。 選用直徑為12的球刀加工，半精加工步距取1mm，精加工步距取0.3mm，余量為0.2mm，螺旋式走刀。精加工的刀軌路徑如下圖：
3、加工仿真
為了檢驗刀軌的正確性，防止加工中過切現象，Mastercam提供了強大仿真校驗功能。先通過Jobstup(毛坯設置)設置毛坯尺寸，利用Verify(校驗)功能仿真切削，如下圖：
4、后置處理
Mastercam系統(tǒng)分為主處理程序和后置處理程序兩大部分。主處理程序針對加工對象，加工系統(tǒng)建立3D模型，計算刀具軌跡，生成NCI文件（刀具路徑文件）。NCI文件是一個用ASCII碼編寫包括NC程序的全部資料的文件。后置處理系統(tǒng)配置了適應單一類型控制系統(tǒng)的通用后處理，該后置處理提供了一種功能數據庫模型，用戶根據數控機床和數控系統(tǒng)的具體情況，可以對其數據庫進行修改和編譯，定制出適應某一數控機床的專用后置處理程序。其文件的擴展名為PST，定義了切削加工參數、NC程式格式、輔助指令，接口功能等。默認的MPFAN.PST是內定成適應FANUC控制器的通用格式，如FANUC3M、FANUC6M、FANUC0-M等。
通過Post processing （后置處理）操作，系統(tǒng)自動產生NC程式，如下：
M$2lK^2L
n4
J*04 K
5、進給速度的修正
進給速度對葉片加工質量、加工精度、表面質量有著重要作用。精加工時希望能保持恒定的切削速度，由于葉片型面的變化，切削點的速度也處于不斷變化，如下圖所示：
根據葉片的截面可以分析葉片的曲率變化規(guī)律：葉盆和葉背方向上的曲率變化平坦，加工中，旋轉軸A軸的轉動就慢，XYZ軸的行程也短，這時的運動速度就很快；進排氣邊處的曲率變化劇烈，加工中A軸旋轉的很快，XYZ的行程也很大，這樣會導致飼服系統(tǒng)驅動功率不足，使系統(tǒng)整體速度下降。數控編程往往只給出加工速度的參考值，理想情況下由數控系統(tǒng)自動完成，使數控編程可以不考慮速度的變化情況，適應實際的加工。但由于葉片曲面的加工程序均為微小直線段，實現速度平滑要提前預讀多段，這就要求控制系統(tǒng)有很高的處理速度，高檔系統(tǒng)已具有這樣的能力。當數控系統(tǒng)具有G93進給率控制指令時（速度倒數，執(zhí)行該程序段所用的時間），可直接用G93方式實現恒表面進給速度。（可以修改Mastercam后處理文件Mpfan.pst生成含G93指令格式的NC程式），在系統(tǒng)不具備G93指令時可以編制合適的后處理文件對機床速度動態(tài)修正，使之在曲率變化小的葉盆葉背處降低切削進給速度，在曲率變化大的進排氣邊處提高切削速度 ，來補償機床功率不足。
6、 DNC（直接控制）加工
由于葉片型面程序量大，NC機床的磁泡存儲器容量有限，常用PC機與NC機床RS232接口通訊。通過Mastercam中的Communications(通訊)功能,設置傳輸文件格式、串口，傳輸速率、奇偶校驗、數據位等與CNC控制器的參數一致從而實現在線加工。
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六、結束語
葉片的四軸聯動數控加工，較以往的三坐標加工，一次完成葉身型面的加工，極大地減輕了后續(xù)拋光工序的工作量，大大提高了加工質量和生產效率，同時提高了設備的利用率。Mastercam以其強大的功能已成功地應用于葉片的四聯動加工，較好地解決了該類零件的批量生產中的質量和效率問題，取得了良好的經濟效益。
