隨著數(shù)控加工日益普及，CAD/CAM軟件也在不斷地更新，而多軸加工數(shù)控編程一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的關(guān)鍵技術(shù)。Mastercam作為一款高端CAD/CAM軟件，在實(shí)際加工中有著廣泛的應(yīng)用，以下是以Mastercam在葉片的四軸聯(lián)動(dòng)加工中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其它曲面加工也有借鑒意義。
關(guān)鍵詞 葉片 四軸聯(lián)動(dòng)加工 行距 后處理 進(jìn)給率控制
一、引言
數(shù)控加工是一種可編程的柔性加工方法。數(shù)控機(jī)床正向著高速、高精、高柔性、復(fù)合化的方向發(fā)展，其費(fèi)用相對(duì)較高，故適用于精度高，形狀復(fù)雜的零件的加工，而葉片零件公差帶小，其型面多為復(fù)雜的空間曲面，需要制造專用的工裝夾具，成批量生產(chǎn)要求精確復(fù)制，一直是數(shù)控加工的應(yīng)用對(duì)象。
二、 四聯(lián)動(dòng)NC機(jī)床
四軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)主要應(yīng)用于加工具有較為復(fù)雜曲面的工件，與三軸聯(lián)動(dòng)加工相比，四軸聯(lián)動(dòng)加工可以加工出更高質(zhì)量、更復(fù)雜的曲面，主要適用于飛機(jī)、模具、汽車等行業(yè)的特殊加工，目前已經(jīng)普及國(guó)產(chǎn)四坐標(biāo)機(jī)床。如下左圖所示四坐標(biāo)立式NC機(jī)床是在三個(gè)線性平動(dòng)軸的基礎(chǔ)上增加一旋轉(zhuǎn)軸。其運(yùn)動(dòng)鏈為：
} (FPV*mS
三、葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
從葉片的結(jié)構(gòu)來(lái)看，其葉身型面部分為復(fù)雜的空間曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大，是典型的薄壁件。由于其為動(dòng)力等裝置的重要部件，工作條件較為惡劣，對(duì)零件本身的精度和質(zhì)量提出的很高的要求。型面的加工質(zhì)量直接影響其工作性能，從而可能影響整機(jī)的性能。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(duì)數(shù)控加工提出了很高的要求。在實(shí)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(guó)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(wú)疑是CAD/CAM軟件中的一枝奇葩，有很高的市場(chǎng)占有率。軟件的CAD功能可以繪制2D和3D圖形，構(gòu)建自由曲面的功能更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于同類的CAD軟件；軟件的CAM功能方便直觀，可以直接在點(diǎn)、線、曲面、實(shí)體上產(chǎn)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(rèn)的后置處理文件Mpfan.pst與FANUC控制系統(tǒng)的NC機(jī)床無(wú)縫集成。
1、構(gòu)建截面線
按設(shè)計(jì)給定數(shù)據(jù)繪制出各個(gè)平面上的截面線，葉盆和葉背上的型線均為自由曲線，進(jìn)排氣邊緣為一段圓弧，將各曲線光滑過(guò)渡，并保證各段曲線的連續(xù)。根據(jù)給定的扭轉(zhuǎn)角將各個(gè)平面上的曲線通過(guò)Xform—Rotate命令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到一組空間曲線，如下圖所示。
2、構(gòu)建曲面
將所得到的截面線通過(guò)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(shù)量將影響曲面的光順性，調(diào)整各數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)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 fL*T3[d
\1%l^dE@
葉片型面加工可在三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)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(jù)曲面陡峭程度、機(jī)床主軸自由度、加工要求選擇適合的刀具。
1、四坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床型面加工的優(yōu)勢(shì)
在以往的型面加工中多采用三坐標(biāo)加工，其特征是加工軸線始終不變。
即平行于Z坐標(biāo)軸。三坐標(biāo)曲面加工是通過(guò)逐行走刀來(lái)完成加工的。刀具沿各切削行的運(yùn)動(dòng)，近似地包絡(luò)加工曲面，行距是影響加工質(zhì)量和效率的主要因素。 3\$wd U Fr
*s4\\Wb=
過(guò)大的行距將使表面殘余過(guò)大，后續(xù)工序的工作量變大，過(guò)小的行距會(huì)使加工程序和時(shí)間的成倍增加。其中走刀方式和零件相對(duì)刀具的姿態(tài)是影響行距的重要因素。
以下是三坐標(biāo)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(diǎn)是不斷地劇烈變化的，加工余量相對(duì)也處下不斷的變化，對(duì)刀具和機(jī)床都產(chǎn)生不利影響。
圖二是沿切削方向走刀的，有較高的效率，在實(shí)際中應(yīng)用較多。但是隨著曲面切削點(diǎn)的法矢和刀具軸線（Z坐標(biāo)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(duì)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(yīng)用于邊界受限的型面加工，從內(nèi)到外環(huán)切時(shí)，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(lián)動(dòng)加工則可解決上述問題，有效地控制刀具和曲面切削點(diǎn)法矢的夾角，從而使切削余量相對(duì)均勻，在型面扭轉(zhuǎn)較大的葉片加工中有明顯的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)一次完成了葉盆、葉背、進(jìn)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(jìn)行半精加工和精加工。在半精加工中可以根據(jù)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(qū)動(dòng)，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(yàn)刀軌的正確性，防止加工中過(guò)切現(xiàn)象，Mastercam提供了強(qiáng)大仿真校驗(yàn)功能。先通過(guò)Jobstup(毛坯設(shè)置)設(shè)置毛坯尺寸，利用Verify(校驗(yàn))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(duì)加工對(duì)象，加工系統(tǒng)建立3D模型，計(jì)算刀具軌跡，生成NCI文件（刀具路徑文件）。NCI文件是一個(gè)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(yīng)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(shù)據(jù)庫(kù)模型，用戶根據(jù)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的具體情況，可以對(duì)其數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改和編譯，定制出適應(yīng)某一數(shù)控機(jī)床的專用后置處理程序。其文件的擴(kuò)展名為PST，定義了切削加工參數(shù)、NC程式格式、輔助指令，接口功能等。默認(rèn)的MPFAN.PST是內(nèi)定成適應(yīng)FANUC控制器的通用格式，如FANUC3M、FANUC6M、FANUC0-M等。
通過(guò)Post processing （后置處理）操作，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生NC程式，如下：
VU.@R,
Do7=#|bAM
5、進(jìn)給速度的修正
進(jìn)給速度對(duì)葉片加工質(zhì)量、加工精度、表面質(zhì)量有著重要作用。精加工時(shí)希望能保持恒定的切削速度，由于葉片型面的變化，切削點(diǎn)的速度也處于不斷變化，如下圖所示：
根據(jù)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(zhuǎn)軸A軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就慢，XYZ軸的行程也短，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度就很快；進(jìn)排氣邊處的曲率變化劇烈，加工中A軸旋轉(zhuǎn)的很快，XYZ的行程也很大，這樣會(huì)導(dǎo)致飼服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率不足，使系統(tǒng)整體速度下降。數(shù)控編程往往只給出加工速度的參考值，理想情況下由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成，使數(shù)控編程可以不考慮速度的變化情況，適應(yīng)實(shí)際的加工。但由于葉片曲面的加工程序均為微小直線段，實(shí)現(xiàn)速度平滑要提前預(yù)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(dāng)數(shù)控系統(tǒng)具有G93進(jìn)給率控制指令時(shí)（速度倒數(shù)，執(zhí)行該程序段所用的時(shí)間），可直接用G93方式實(shí)現(xiàn)恒表面進(jìn)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(shí)可以編制合適的后處理文件對(duì)機(jī)床速度動(dòng)態(tài)修正，使之在曲率變化小的葉盆葉背處降低切削進(jìn)給速度，在曲率變化大的進(jìn)排氣邊處提高切削速度 ，來(lái)補(bǔ)償機(jī)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(jī)床的磁泡存儲(chǔ)器容量有限，常用PC機(jī)與NC機(jī)床RS232接口通訊。通過(guò)Mastercam中的Communications(通訊)功能,設(shè)置傳輸文件格式、串口，傳輸速率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位等與CNC控制器的參數(shù)一致從而實(shí)現(xiàn)在線加工。
BzJ;%ywS
六、結(jié)束語(yǔ)
葉片的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，較以往的三坐標(biāo)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(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)提高了設(shè)備的利用率。Mastercam以其強(qiáng)大的功能已成功地應(yīng)用于葉片的四聯(lián)動(dòng)加工，較好地解決了該類零件的批量生產(chǎn)中的質(zhì)量和效率問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
