MasterCAM在叶片零件四联动数控加工应用

    关键词      叶片      四轴联动加工    行距    后处理    进给率控制

一、引言

    数控加工是一种可编程的柔性加工方法。数控机床正向着高速、高精、高柔性、复合化的方向发展，其费用相对较高，故适用于精度高，形状复杂的零件的加工，而叶片零件公差带小，其型面多为复杂的空间曲面，需要制造专用的工装夹具，成批量生产要求精确复制，一直是数控加工的应用对象。

二、 四联动NC机床

    四轴联动加工技术主要应用于加工具有较为复杂曲面的工件，与三轴联动加工相比，四轴联动加工可以加工出更高质量、更复杂的曲面，主要适用于飞机、模具、汽车等行业的特殊加工，目前已经普及国产四坐标机床。如下左图所示四坐标立式NC机床是在三个线性平动轴的基础上增加一旋转轴。其运动链为：

三、叶片的结构特点

    从叶片的结构来看，其叶身型面部分为复杂的空间曲面，各部分的曲率、扭转变化较大，是典型的薄壁件。由于其为动力等装置的重要部件，工作条件较为恶劣，对零件本身的精度和质量提出的很高的要求。型面的加工质量直接影响其工作性能，从而可能影响整机的性能。叶片的材料要求有很高的质量—强度比，加工中难切削，切削抗力大，引起的变形也大。由于其截面形状，在叶盆和叶背方向上抵抗变形的能力也不同，进排边缘处又较薄，加工中的形变很复杂。对数控加工提出了很高的要求。在实际加工中，多采用以下的加工流程：

四、叶片的CAD建模

    Mastercam是美国CNC Software公司开发的一套CAD/CAM 软件，最早的版本为V3.0，可用于DOS。由于其诞生较早，兼具CAD软件和CAM软件的重要功能，发展至今无疑是CAD/CAM软件中的一枝奇葩，有很高的市场占有率。软件的CAD功能可以绘制2D和3D图形，构建自由曲面的功能更是远远胜于同类的CAD软件；软件的CAM功能方便直观，可以直接在点、线、曲面、实体上产生刀轨，其后置处理文件是一种用户回答式的自由修改文件，默认的后置处理文件Mpfan.pst与FANUC控制系统的NC机床无缝集成。

    1、构建截面线

    按设计给定数据绘制出各个平面上的截面线，叶盆和叶背上的型线均为自由曲线，进排气边缘为一段圆弧，将各曲线光滑过渡，并保证各段曲线的连续。根据给定的扭转角将各个平面上的曲线通过Xform—Rotate命令进行旋转，得到一组空间曲线，如下图所示。

    2、构建曲面

    将所得到的截面线通过Create(创建)—Surface(曲面)—Loft（举升）操作，可以得到叶片的叶身型面，截面的数量将影响曲面的光顺性，调整各数据点的对齐方式，和曲面公差，得到如下图所示的三阶NUBS曲面。

五、叶片的CAM加工
    
    叶片型面加工可在三坐标、四坐标、五坐标数控机床上加工完成，所采用的刀具有球头刀、平底刀、牛鼻刀、环形刀、鼓形刀、锥形刀等，可根据曲面陡峭程度、机床主轴自由度、加工要求选择适合的刀具。

    1、四坐标数控机床型面加工的优势

    在以往的型面加工中多采用三坐标加工，其特征是加工轴线始终不变。

    即平行于Z坐标轴。三坐标曲面加工是通过逐行走刀来完成加工的。刀具沿各切削行的运动，近似地包络加工曲面，行距是影响加工质量和效率的主要因素。
 
    过大的行距将使表面残余过大，后续工序的工作量变大，过小的行距会使加工程序和时间的成倍增加。其中走刀方式和零件相对刀具的姿态是影响行距的重要因素。

    以下是三坐标常用的几种走刀方式，如下图所示：图一是沿截面方向走刀，这种走刀方式可以获得较好的轮廓度，行距受到的影响也小，但是刀具切削点是不断地剧烈变化的，加工余量相对也处下不断的变化，对刀具和机床都产生不利影响。

    图二是沿切削方向走刀的，有较高的效率，在实际中应用较多。但是随着曲面切削点的法矢和刀具轴线（Z坐标轴）的夹角增大，表面残余增大，曲面的陡峭程度和其在夹具上的安装方位对行距很敏感。

    图三是环切方式，是前两种方式的综合，主要应用于边界受限的型面加工，从内到外环切时，刀具切削部位的四周可以受到毛坯的刚性支持，有利减少变形。

    四轴联动加工则可解决上述问题，有效地控制刀具和曲面切削点法矢的夹角，从而使切削余量相对均匀，在型面扭转较大的叶片加工中有明显的优势；同时一次完成了叶盆、叶背、进排气边缘的加工，具有较高的加工精度。

    2、叶片的型面加工

    叶片的型面为自由曲面，毛坯为模锻件，需要进行半精加工和精加工。在半精加工中可以根据被加工的面生成偏置面。利用Mastercam中Toolpaths(刀具路径)—Multiaxis（多轴加工）—Msurf5ax（五轴曲面加工）,选用曲面驱动，Cut Pattern(切削模式)、Tool Axis Control(刀轴控制)、Cut Surfaces（切削曲面）都选择被加工曲面。 选用直径为12的球刀加工，半精加工步距取1mm，精加工步距取0.3mm，余量为0.2mm，螺旋式走刀。精加工的刀轨路径如下图：

    3、加工仿真

    为了检验刀轨的正确性，防止加工中过切现象，Mastercam提供了强大仿真校验功能。先通过Jobstup(毛坯设置)设置毛坯尺寸，利用Verify(校验)功能仿真切削，如下图：

    4、后置处理

    Mastercam系统分为主处理程序和后置处理程序两大部分。主处理程序针对加工对象，加工系统建立3D模型，计算刀具轨迹，生成NCI文件（刀具路径文件）。NCI文件是一个用ASCII码编写包括NC程序的全部资料的文件。后置处理系统配置了适应单一类型控制系统的通用后处理，该后置处理提供了一种功能数据库模型，用户根据数控机床和数控系统的具体情况，可以对其数据库进行修改和编译，定制出适应某一数控机床的专用后置处理程序。其文件的扩展名为PST，定义了切削加工参数、NC程式格式、辅助指令，接口功能等。默认的MPFAN.PST是内定成适应FANUC控制器的通用格式，如FANUC3M、FANUC6M、FANUC0-M等。

    通过Post processing （后置处理）操作，系统自动产生NC程式，如下：

 
    5、进给速度的修正

    进给速度对叶片加工质量、加工精度、表面质量有着重要作用。精加工时希望能保持恒定的切削速度，由于叶片型面的变化，切削点的速度也处于不断变化，如下图所示：

    根据叶片的截面可以分析叶片的曲率变化规律：叶盆和叶背方向上的曲率变化平坦，加工中，旋转轴A轴的转动就慢，XYZ轴的行程也短，这时的运动速度就很快；进排气边处的曲率变化剧烈，加工中A轴旋转的很快，XYZ的行程也很大，这样会导致饲服系统驱动功率不足，使系统整体速度下降。数控编程往往只给出加工速度的参考值，理想情况下由数控系统自动完成，使数控编程可以不考虑速度的变化情况，适应实际的加工。但由于叶片曲面的加工程序均为微小直线段，实现速度平滑要提前预读多段，这就要求控制系统有很高的处理速度，高档系统已具有这样的能力。当数控系统具有G93进给率控制指令时（速度倒数，执行该程序段所用的时间），可直接用G93方式实现恒表面进给速度。（可以修改Mastercam后处理文件Mpfan.pst生成含G93指令格式的NC程式），在系统不具备G93指令时可以编制合适的后处理文件对机床速度动态修正，使之在曲率变化小的叶盆叶背处降低切削进给速度，在曲率变化大的进排气边处提高切削速度 ，来补偿机床功率不足。

    6、 DNC（直接控制）加工

    由于叶片型面程序量大，NC机床的磁泡存储器容量有限，常用PC机与NC机床RS232接口通讯。通过Mastercam中的Communications(通讯)功能,设置传输文件格式、串口，传输速率、奇偶校验、数据位等与CNC控制器的参数一致从而实现在线加工。

六、结束语

    叶片的四轴联动数控加工，较以往的三坐标加工，一次完成叶身型面的加工，极大地减轻了后续抛光工序的工作量，大大提高了加工质量和生产效率，同时提高了设备的利用率。Mastercam以其强大的功能已成功地应用于叶片的四联动加工，较好地解决了该类零件的批量生产中的质量和效率问题，取得了良好的经济效益。