POWERMILL在叶轮四轴加工中的应用

赵炎

摘 要：本文以一个典型叶轮加工的案例详细介绍了PowerMILL软件在叶轮四轴加工中的应用，利用该软件可以以形象直观的方式实现对叶轮零件的编程，可以将过切与干涉等不安全因素消除在机床加工之前，对于保证NC程序的正确性具有重要意义，为广大用户编制四轴程序提供了尽可能多的经验和参考。

关键词：PowerMILL；叶轮的编程；加工仿真

1 前言

整体叶轮是一类具有代表性且造型比较规范、典型的复杂零件，其形状特征明显，工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。在数控铣削中，四轴、五轴数控加工因具备有效避免干涉、可侧铣直纹面、切削状态良好等优点，从而成为提高整体叶轮加工效率和质量的首选。

本文基于整体叶轮的几何特征，利用PowerMILL10.0软件对其进行加工轨迹规划，详细阐叙了叶轮加工的要点及加工的参数，对于编制叶轮四轴加工程序有详细的介绍，为读者今后加工同类型零件提供了一定的借鉴。

2 PowerMILL的工作流程

PowerMILL是由英国Delcam Plc公司开发的一个独立运行、世界领先的专业数控加工编程软件。它的功能齐备，加工策略极其丰富，适用于广泛的工业领域。PowerMILL独有的5轴加工策略、高效粗加工策略以及高速精加工策略，可生成最有效的加工路径，确保最大限度地发挥机床潜能。它功能强大，易学易用，可快速、准确地产生能最大限度发挥CNC数控机床生产效率的、无过切的粗加工和精加工刀具路径，确保生产出高质量的零件。

3 叶轮的编程

3.1 检查分析模型

整体叶轮的关键体素是叶片，叶片曲面可以分为直纹曲面和自由曲面（非直纹曲面），其中直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。此外，为合理选择刀具并生成加工轨迹，也要确定流道的进水口宽度、出水口宽度等参数值。对叶轮零件进行测量可知叶片根部的R为1.5MM，叶片最厚处为1MM、最薄处为0.6MM，出水口处宽度为15MM、进水口处宽度为9MM。叶片的侧面为可展直纹面、叶轮流道的底面为自由曲面（非直纹曲面）。根据叶轮的几何结构特点和使用要求，我们可以发现叶片的壁薄易发生变形，开粗时应留出足够多的余量给精加工，叶片表面要求光滑，刀路必须顺滑、刀路中间不能有接刀痕。

由于不是所有叶轮都可以用四轴加工中心加工，所以我们还要分析一下零件的可加工性。四轴加工中心是通过零件沿旋转轴方向作匀速进给，同时绕旋转轴作匀速旋转运动，使刀具在空间形成运动轨迹为阿基米德螺旋线等空间复杂曲线，沿径向由外向内逐层切削从而完成零件的加工。分析图形我们可以发现，叶轮叶片的扭曲度不大，叶片间的间隙较宽，当零件绕旋转轴慢慢旋转，我们沿着零件的直径方向看过去，产生的试加工刀路所有的刀轴都平行于曲面的经线，也就是说所有的曲面都可以加工到，由此我们可以确定此叶轮可以使用四轴加工中心加工。

3.2 叶轮的加工工艺方案

通过对整个模型的分析，我们可以确定基本的加工工艺流程为：a.在POM塑料上车削加工回转体的基本形状；b.参考线精加工策略开粗叶轮的流道；c.曲面精加工策略精加工叶片内侧曲面；d.曲面精加工策略精加工叶片外侧曲面；e.曲面投影精加工策略精加工叶轮的流道；f.曲面精加工策略清1.5MMR角。整个零件采用PowerMILL10.0软件编程，选用普通的合金涂层刀具加工，加工机床为日本MAZAK NEXUS 6000_Ⅱ卧式加工中心。

3.3 叶轮的编程

a.参考线精加工策略开粗叶轮流道

叶轮流道出水口处宽度为15MM、进水口处宽度为9MM。开粗叶轮流道只能选择直径小于￠9MM的平底刀，为了给精加工留有足够的余量，我们现在选取尽可能大的刀具￠5MM的平底刀进行加工。我们先在叶轮底面中心处绘制一条线作为刀路的轨迹线；设定刀具的刀轴朝向原点为（X0.Y0.Z0.）平行于X轴的直线；运用参考线精加工策略设置各个加工参数，产生如图1显示的刀路。参考线精加工策略产生的刀路，特点是所有刀路将按照所画参考线轨迹，沿着刀轴的方向，向上或向下以设定的步距偏置出多条刀路。由于零件是由6片形状完全相同且均布在圆周上的叶片构成，所以我们可以通过复制旋转的方法产生其他5个槽的程序。

b.曲面精加工策略精加工叶轮内侧曲面

开粗完叶轮流道后，每片叶片都留有单边2MM以上的余量。根据余量的分布和根部R角大小，我们选择￠6R1的牛鼻刀对内侧叶片进行精加工。分析模型时我们发现，整个叶片的侧面是由一整块可展直纹面构成，因此我们选择曲面精加工策略加工叶片。曲面精加工策略是按曲面的UV方向对单一的模型曲面进行加工的加工策略，它不受投影方向的限制，只按所选曲面的经纬线方向产生出刀路轨迹。选取叶片的内侧曲面，设定完加工参数后，通过计算我们可以得到图2刀路。

c.曲面精加工策略精加工叶轮外侧曲面

同样，我们使用曲面精加工策略，选取叶片的外侧曲面，可以得到如图3所示刀路。

d.曲面投影精加工策略精加工叶轮的流道

对于叶轮的流道，我们选用￠4MM的球头刀，运用曲面投影精加工策略加工。曲面投影精加工是以所选曲面作为投影源，对单一的模型曲面按UV方向进行轨迹投影的加工策略。曲面投影精加工只能对单一的模型曲面进行编程，而叶轮底面有3块自由曲面，因此我们只能分别选取曲面，计算出3个刀路后，将刀路叠加成一个精加工的程序。我们设好刀轴，先选取中间的一块曲面，设定加工参数，计算出第一条刀路（注意UV方向的设置），以相同的方法分别将其他的底面生成刀路，用刀路叠加功能得到图4刀路。

e.曲面精加工策略清1.5MMR角

因为加工叶片时￠6R1的牛鼻刀会与叶轮槽底部的曲面发生干涉，所以叶轮根部的R角需要进行清角加工。我们选用￠2MM的球头刀，设置好刀轴，选择叶轮根部内侧R1.5MM的曲面，用曲面精加工策略计算出第一条清角刀路，以相同的方法，计算出清外侧R角的另一条清角刀路，将两条刀路叠加获得如图5的刀路。

3.4 叶轮的加工仿真

PowerMILL软件为我们提供了集成一体的加工切削实体仿真功能，我们可用它仿真模拟完整的加工切削过程，检查过切、碰撞、顺铣/逆铣和加工质量等切削情况，节省上机床实际试切加工的成本。PowerMILL的加工切削实体仿真模块还可从任何方向局部放大察看、旋转察看仿真过程中和仿真完毕后的加工情况，提高了加工切削实体仿真的效率。对于四轴、五轴加工仅仅是加工切削实体仿真是不够的，由于其运动方式不单有X、Y、Z轴的直线运动，还同时存在了A、B、C 轴的旋转运动，加工时很容易发生零件与机床、刀具与机床、夹具与机床发生干涉的情况，不装载机床仿真，后续加工时在机床上就必须花费大量的时间进行校核以避免碰撞的发生。PowerMILL的机床运动仿真和碰撞检查模块既适用于已定义的标准类型的机床，也可根据需要定义自己的机床模型。我们可以在屏幕上看到实际加工中将出现的机床运动的真实情况，可以发现使用不同加工策略时机床运动的合理性，可以发现机床在运转时与运动中的各个部位是否碰撞，只有通过了机床运动仿真，我们才可以放心的将程序发送至机床进行加工。

4 结束语

四轴加工中心因有旋转轴的运动，所以其运动轨迹的计算较为复杂，编程时能用到的加工策略也不多。本文介绍的加工与编程方法，不仅适用于叶轮的加工，对于圆柱凸轮、少齿转子、异形螺杆等零件的加工也有一定的借鉴作用。PowerMILL是一款集多种功能于一体的加工编程软件，它功能强大对于四轴、五轴零件的加工很有帮助，它易学易用初学者能很快掌握它的用法，但我们要想编制出高效优质的四轴加工程序，单单靠强大的编程工具是远远不够的，它还需要我们不断的钻研新的加工工艺、改进加工方法，不断的积累经验教训，在一次次的实际加工中完善我们的程序。

[参考文献]

[1]吕程辉，导师：郝一舒.整体叶轮的五轴高速铣削加工工艺优化.[学位论文]博士，2000.

[2]杨书荣，周敏.深入淺出PowerMILL数控编程.中国电力出版社，2008.

[3]彭芳瑜，邹孝明，丁继东，李斌.《中国制造业信息化：学术版》.2007，第1期.