叶轮在MasterCAM软件中的轨迹设置与VERICUT优化加工

肖善华，袁永富

(宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

叶轮在MasterCAM软件中的轨迹设置与VERICUT优化加工

肖善华，袁永富

(宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

分析叶轮五轴数控加工工艺和加工内容，应用MasterCAM X6软件生成叶轮五轴粗加工轨迹、叶轮扩槽及轮毂精加工轨迹、叶片精加工轨迹。在VERICUT仿真软件中进行机床设置、添加刀具库、添加毛坯、添加叶轮加工数控程序、设置碰撞及干涉颜色显示、程序优化等操作，经仿真得到无碰撞、无过切的五轴叶轮。

MasterCAM X6；VERICUT；叶轮；五轴数控加工

五轴叶轮曲面加工是现代制造业的一大难题，用手工编程很难实现，最快捷和高效的方法就是使用自动编程CAD/CAM软件完成。MasterCAM是最经济、最有效率的CAD/CAM软件，MasterCAM提供了丰富的五轴曲线、曲面五轴、流线五轴、管道五轴、叶轮专家系统等五轴加工功能，但对复杂叶轮加工曲面生成的G代码程序却不能全面检查其碰撞和干涉。基于此，文中提出利用MasterCAM X6软件生成叶轮五轴加工程序代码，应用优秀的VERICUT仿真软件完成叶轮的模拟仿真和程序优化，使其能满足叶轮五轴生产实际加工需要，提高叶轮加工效率，保证产品的质量。

1 叶轮五轴数控加工工艺

1.1 准备叶轮毛坯

叶轮毛坯可以选用焊接件、铸件、锻压件等。其中，焊接件采用将叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法，强度较差。为增加叶轮的强度，减少焊接时产生的变形，满足设计要求，整体叶轮毛坯大多选择锻压件，经数控车床粗、精车削加工得到叶轮回转体的基本形状，再进行多轴铣削加工得到零件产品。整体叶轮的毛坯如图1。

图1 叶轮毛坯

1.2 叶轮加工工艺方案

五轴叶轮加工工艺方案为叶轮开槽粗加工、叶轮扩槽与轮毂精铣加工、叶片曲面精加工。由于叶片之间加工空间狭小、曲率变化较大、叶片扭曲严重，另一方面，叶片壁薄，加工时容易产生变形和裂纹，因此，在叶片间及流道内要合理控制刀具轴的摆动才能有效防止叶轮的干涉及过切现象，并得到圆滑光顺的刀纹。叶轮开槽粗加工尽量选用较大直径的球头铣刀从槽的中间位置向外缘进行加工，并保证槽底与轮毂有0.5～1.0 mm的加工余量。叶轮扩槽与轮毂精铣加工在一次加工中完成，既能保证加工精度，又能使轮毂表面刀痕得到较好的一致性。采用较小直径的球头铣刀从中心向外侧扩槽，扩槽时保证叶片留有0.0～1.0 mm的精加工余量。最后完成叶片曲面精加工，叶片曲面精加工与清根加工一次完成，能较好保证叶片的精确形状，同时，使叶片根部圆滑，减少裂纹的产生。

2 叶轮后置程序处理

叶轮零件加工选择五轴立式数控加工中心VR-6/50TR机床，该机床配置HAAS数控系统。要得到正确的五轴叶轮程序，需要在MasterCAM X6软件中修改五轴后置处理系统。进入MasterCAM X6设置菜单，单击“控制器定义”，弹出后置程序对话框，如图2，单击“后处理程序”文件，选择“增加文件”，选择Generic Haas VF-TR_Series 5X Mill.pst，然后单击“增加文件”，选择 Generic Haas VF-TR_Series 5X Mill.pst，选择“打开”，再选择“确认”，如图3所示，完成叶轮五轴后置处理程序设置。

图2 选择后置处理程序

图3 HASS后置程序

3 叶轮五轴刀路轨迹

3.1 叶轮开槽粗加工轨迹

MasterCAM X6软件提供丰富的五轴加工模块，特别是多轴加工有五大类型，共计29种多轴加工方法，用户可以根据实际零件的形状特点合理选择相应的五轴加工方法，生成五轴刀具轨迹。此例叶轮为复杂的曲面加工，选用自定义应用程序中的叶轮专家模块生成刀路。选择粗加工刀具为硬质合金球头铣刀，直径为φ8R4mm，设置转速3 500 r/min，进给速度为500 mm/min，粗加工参数设置如图4、图5所示。选择切削方式:“粗加工”，“从中心偏移”，切削顺序:“双向切削，从顶部开始”；在部分定义选项中设置叶轮叶片圆角，单击箭头，并选择两相邻叶片曲面，输入精加工预留量0.3 mm。同理，选择轮轴，单击箭头，并选择叶盘曲面，如图6所示。单击预留量，分别输入精加工预留量0.3 mm，输入安全高度0.9 mm。其余选项可以默认设置，生成叶轮粗加工轨迹，如图7所示。

图4 粗加工切削方式

图5 部分定义选项

图6 选择叶盘曲面

图7 叶轮粗加工轨迹

3.2 叶轮扩槽及轮毂精加工轨迹

选择扩槽加工及轮毂精加工刀具为硬质合金球头铣刀，直径为φ6R3 mm，设置转速6 000 r/min，进给速度为300 mm/min，精加工参数设置如图8。选择切削加工类型:“轮毂修整”，切削方式:“单向切削，从顶部开始”，切削顺序:“由左至右”；在部分定义选项中设置叶轮叶片圆角，单击箭头，并选择两相邻叶片曲面，输入精加工预留量0及轮轴预留量0。其余选项可以默认设置，生成叶轮扩槽加工及轮毂精加工轨迹如图9所示。

图8 叶轮轮毂精加工设置

图9 轮毂精加工轨迹

3.3 叶片精加工轨迹

进入叶轮专家系统生成叶片精加工刀路，选择叶片精加工刀具为硬质合金球头铣刀，直径为φ6R3 mm，设置转速 6 000 r/min，进给速度为 150 mm/min，刀具选择参数见图10，精加工参数设置见图11。选择切削加工类型:“叶片修整”，切削方式:“从中心偏移”，在等高外形中选择“球形”，切削顺序:选择“单个切削，从顶部开始”，切削方向:选择“顺铣”；在部分定义选项中设置叶轮叶片圆角，单击箭头，并选择两相邻叶片曲面，输入精加工预留量0及轮轴预留量0。其余选项可以默认设置，生成叶片精加工轨迹见图12。

图10 叶片精加工刀具参数

图11 叶片精加工参数设置

图12 叶片精加工轨迹

4 叶轮的VERICUT仿真优化

VERICUT是一款专为制造业设计的CNC数控机床加工仿真和优化软件，VERICUT通过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性，来帮助用户消除编程错误和改进切削效率，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。利用VERICUT软件实现叶轮的五轴数控虚拟加工仿真，需要建立五轴加工中心机床本体、HAAS控制系统和刀具库等，通过添加叶轮毛坯，调用由MasterCAM X6生成的五轴叶轮程序，模拟五轴HAAS数控机床真实加工环境，保证虚拟仿真和真实加工环境的一致性。

4.1 建立HAAS五轴机床三维模型

图13 机床模型

图14 选择毛坯文件

图15 添加毛坯图

进入VERICUT仿真界面，在“机床”上用鼠标右击“打开”，并在图13中选择“机床库”，在机床库中选择HAAS_VF2.MCH，再单击打开，得到五轴机床模型。

4.2 添加叶轮毛坯

进入MasterCAM X6软件，打开叶轮文件，隐藏其他图层，仅显示毛坯图层，单击“文件”，另存为yelun.stl，然后进入VERICUT仿真软件，右击“打开”STOCK(0，0，0），选择其下的“模型”、“添加模型”、“模型文件”，选择图14的叶轮毛坯文件，单击“打开”后，完成叶轮毛坯的添加，见图15。

4.3 添加刀具库

图16 刀具库配置

进入组件树中选择“加工刀具”，鼠标右击，选择“刀具管理器”，弹出图16，在该图中设置相关的刀具参数。单击图16右侧的图形，弹出图17，选择刀具组件类型“旋转型刀具”，设置刀具类型为球头刀，粗加工选择直径为φ8R4 mm，长度为100 mm，刀刃长30 mm，刀柄直径16 mm，刀具旋转方向为顺时针，同理设置精加工刀具为φ6R3 mm。

图17 刀具参数

4.4 添加叶轮加工数控程序

在组件树中选择“数控程序”，在配置窗口中单击“添加NC程序文件”按钮，在弹出的窗口中选择如图18所示的yelun.nc文件，完成叶轮数控程序的导入。

图18 叶轮数控程序

4.5 设置加工原点

在组件树中选择“G代码偏置”，在“配置G代码偏置”窗口中的“偏置名”下拉列表中选择“程序零点”按钮，子系统名为1，寄存器为1，单击“添加”按钮，在弹出的图19窗口中选择“从组件/到定位”在“名字”下选择TOOL，在“到组件”在“名字”下选择STOCK，完成叶轮加工原点的设置。

图19 设置加工原点

4.6 设置碰撞及超程、干涉等颜色显示

在VERICUT仿真界面主菜单栏中，单击“配置”→“机床设定”，如图20所示，单击“碰撞检测”选项卡，分别选中其X、Y、Z、B、C轴及刀具碰撞选项，使其发生干涉或碰撞时显示颜色为红色。单击“行程极限”选项卡，分别输入X、Y、Z、B、C轴的最大、最小极限尺寸，以防止机床在仿真加工运动过程中超程。

图20 碰撞设定

4.7 程序优化及切削速度优化

在VERICUT仿真界面主菜单栏中，单击“优化”、“控制”，选择优化方式为“开”，单击“yelun.nc文件”，对叶轮的NC代码进行优化处理。单击“刀具库管理器”选项卡，选择第01号刀具，选择主菜单中的“添加”→“优化”→“新”，在其参数表中对该刀具的进给和转速进行优化。

4.8 叶轮仿真

在VERICUT仿真界面中设置所有的参数后，单击“仿真到末端”按钮，直至叶轮加工仿真完毕，如果在仿真过程中出现碰撞或干涉，需要返回到MasterCAM X6软件中修改NC程序，直到仿真完毕后无碰撞、无干涉、无过切现象发生。该叶轮最终优化仿真结果如图21所示。

图21 叶轮仿真结果

5 结束语

研究叶轮五轴加工工艺，利用功能强大的MasterCAM X6软件生成五轴粗、 精加工刀具轨迹，在VERICUT仿真软件中进行参数优化设置，得到无碰撞、无过切的仿真结果，为叶轮复杂零件的机床实际生产加工提供技术支持。

［1］杨胜群.VERICUT7.0数控加工仿真技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［2］肖善华.基于MasterCAM X6旋钮五轴编程与加工研究［J］.制造技术与机床，2012(8）:140-142.

［3］党新安.MasterCAM曲面加工参数的优化选择［J］.煤矿机械，2006(9）:127－130.

［4］肖善华.MasterCAM五轴后置处理关键技术研究［J］.机床与液压，2012，40(8）:67-71.

［5］肖善华.硬质合金涂层刀片在数控车削加工中的合理选用与干涉研究［J］.制造业自动化，2012(7）:37－39.

［6］于斐.基于VERICUT的整体叶轮五轴联动数控加工仿真［J］.机械设计与制造，2010(7）:159－160.

［7］袁永富.偏心轴零件的数控车削加工研究［J］.煤矿机械，2009(8）:120－122.

［8］肖善华.基于CAXA制造工程师特征造型与MasterCAM9模具加工应用实例［J］.模具制造，2007(11）:4－6.

［9］肖善华，杨克超.基于MasterCAM扬声器模壳五轴数控加工与仿真［J］.金属加工(冷加工），2012(20）:69－71.

Impeller Track Set in MasterCAM Software and VERICUT Optim ization Processing

XIAO Shanhua，YUAN Yongfu
(Yibin Vocational and Technical College，Yibin Sichuan 644003，China）

Impeller 5-axis CNC machining process and processing content were analyzed.MasterCAM X6software was used to generate five-axis roughing trajectory of the impeller，the impeller expansion tank and wheels finishing trajectory，blade finishing trajectory.VERICUT simulation software was used tomake tool set，addition of the tool library，addition of rough，addition of impellermachining CNC program，setting collision and interference color display，program optimization etc.Through simulation，five-axis impeller without collision and undercutting was gotten.

MasterCAM X6；VERICUT；Impeller；5-axis CNCmachining

TH164

B

1001－3881(2014）10－059－5

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.018

2013－02－21

肖善华 (1975—），讲师，主要研究方向为CAD/CAM及数控加工。E－mail:yb_99888@163.com。