基于PowerMILL和CATIA的叶轮五轴联动高速加工技术研究

王佳

摘要： 根据典型的通道类零件叶轮的结构特征，首先利用CATIA的混合建模技术对其进行了详细设计，然后根据PowerMILL对叶轮五轴联动加工方案进行了深入研究，产生了深窄槽道和大扭角的加工轨迹，最后在优龙五轴联动加工中心上进行加工，验证该叶轮加工方案的可行性，加工程序的正确性。通过仿真和实际加工结果表明，该叶轮完全满足使用要求。

Abstract： According to the structural characteristics of impeller of the aisle parts， firstly， the impeller is designed by CATIA hybrid modeling technology， secondly， the five-axis high-speed machining strategies is deeply researched according to PowerMILL， the tool-path of deep narrow channel and large twist angle is produced， and finally the processing is conducted in HURONK five-axis machining center， and the feasibility of the impeller machining scheme and the correctness of processing program are verified. The detection and actual processing results show that the impeller can fulfill the using requirement.

關键词： 叶轮；五轴联动；高速加工

Key words： impeller；five-axis linkage；high speed machining

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0088-04

0 引言

叶轮（Impeller）作为动力机械的关键部件，实现了轴动力和气体介质的能量转换，已广泛应用于电力、航空、船舶、机车等重要领域[1]。叶轮的叶片型面相当复杂，对发动机性能影响很大。传统加工工艺不仅费时费力，而且难以保证叶轮的各项性能指标。因此，叶轮的加工技术已成为提高发动机性能的一个关键环节，其加工质量对动力性能和机械效率有直接的重要影响。

随着高速加工技术以及CAM技术的不断发展，应用于叶轮的加工软件目前主要有UG、Hypermill、MAX-AB、PowerMILL等专业软件[2]。其中，由英国Delcamplc公司研发的PowerMILL软件的五轴加工编程有其独特的优势。本文将根据PowerMILL软件对叶轮进行五轴联动加工轨迹的制定，既可以保证刀具切削部分对工件的精确加工，又避免刀具系统与工件其他部分发生干涉或过切，充分满足了叶轮零件的生产实际要求。

1 叶轮的CAD模型创建

CAD模型的质量是影响加工质量的主要因素之一，好的加工模型能节约编程与加工时间，提高加工质量和效率。创建的模型必须满足以下几点：①造型精度不能低于加工精度；②避免数据转换中造成的错误；③注意模型中存在隐性特征[3]。根据以上要求，利用CATIA的混合建模技术，对叶轮CAD模型进行如下设计：

1.1 叶轮轮毂面的创建

单击[旋转体]命令，以“XZ平面”为草图平面，“Z轴”为回转轴，按照叶轮的设计参数要求绘制叶轮轮毂草图，完成旋转体的创建，如图1所示。

1.2 叶轮叶片的创建

单击[凸台]命令，以“XZ平面”为草图平面，绘制左翼（或右翼）叶片的草图，按照参数要求完成凸台的添加，以“XZ平面”为参考，“Z轴”为旋转轴，角度为30°，建立辅助平面1。以“平面1” 为草图平面，绘制分流叶片的草图，完成凸台2的添加[4]，如图2所示。

1.3 创建圆形阵列特征

选取左翼和分流叶片，单击[圆形阵列]，选择实例和角度间距参数，实例为6，角度间距为60°，完成圆形阵列的添加，如图3所示。

1.4 利用旋转槽切割叶片

单击[旋转槽]，以“XZ平面”为草图平面，绘制叶片切割的草图，按照参数要求，完成旋转槽的添加，如图4所示。

1.5 创建中心孔和键槽

单击[凹槽]，以轮毂顶面为草图平面，绘制中心孔和键槽的草图，完成凹槽的添加，如图5所示。

1.6 创建叶冠曲面

点击[外形]，进入创成式外形设计工作台，单击[旋转]，旋转轮廓为叶片的边线，旋转轴为Z轴，角度为360°，完成叶冠曲面的创建[5]，如图6所示。

由图6可以看出，该叶轮是由6个主叶片和6个分流叶片组成，直径为80mm，叶片厚度为1.4mm，材料为铝合金6061，允许最大的叶片根部圆角半径为R3，叶片形状误差为±0.05mm，轮毂面上最大流道间距为1.5mm。

2 在PowerMILL中定义叶轮

2.1 导入模型 激活COM Register Exchange 2013 R3程序，输入叶轮的CAD模型，通过转换器将“*.CATPart”文件转换成“*.dgk”格式文件，如图7所示。

2.2 通过图层定义叶轮 建立Hub（轮毂）、Shroud（叶冠）、Left Blade（左叶片）、Right Blade （右叶片）、Splitter Blade（分流叶片）五个图层，分别获取叶轮的五个不同几何形体，如图8所示。endprint

由于中心孔和键槽在后续加工中完成，故采用建立“边界”的方式，通过“模型”产生平面，以最佳拟合的方式将其隐藏。将叶冠曲面、叶片与叶冠相交曲面通过“余量参数选择”的方式设置为“忽略”，防止产生多余的刀具路径，影响叶轮的加工[6]。

3 叶轮的加工

3.1 建立加工坐标系

在编程时，根据现有机床的特点及有利于工件原点确定的原则，将加工坐标系设定在叶轮底面的回转中心上。同时，也将其作为后处理时的输出用户坐标系。

3.2 刀具的定义

刀具的选用，必须切合生产实际，实测其刀尖、刀柄、夹头等部件的数据来完整定义刀具，这样在编程时能够进行干涉及过切检查，提高程序的质量和工作效率。根据五轴加工中心现有刀具，选用1：10的HSK刀柄，其型号为HSK A 63 SRKIN6X120，刀具直径为6mm的球头铣刀，如图9所示。

3.3 确定加工策略

加工策略是指切削零件表面时，刀具路径的形成方式。对于叶轮的加工，由于其曲率变化大，且叶片数量较多，导致各叶片间的容刀空间小，刀具与叶片极易发生干涉的状况[7]。同时，要求刀路严格顺着气流的方向。因此，根据叶轮的结构特征和使用要求，确定其加工工艺过程为粗、精加工叶冠→粗加工叶轮→精加工左翼叶片→精加工分流叶片→精加工轮毂→左翼叶片清角→分流叶片清角[8]。叶冠面的粗、精加工采用车削的方式已经完成，在这里不再论述。下面重点分析其余各部分的加工策略。

①叶轮粗加工。选择“叶盘区域清除”加工策略。设置以下加工参数：公差0.05mm，余量0.4mm，行距2mm，下切步距1mm，刀轴仰角方式为径向矢量，角度为26°，偏置方式以轮毂面为参考，偏置向上，加工方式为顺铣，刀轴限界方位角为0～360°，仰角为0～90°，生成单叶片刀具路径，通过变换和叠加方式，完成叶轮粗加工，如图10所示。

②左翼叶片精加工。选择“叶片精加工”策略。参数为：公差0.03mm，余量0mm，下切步距0.3mm，操作方式为加工左翼叶片，生成刀具路径并删除最后一层刀路，完成左翼叶片精加工，如图11所示。

③分流叶片精加工。选择“叶片精加工”策略。参数为：公差0.03mm，余量0mm，下切步距0.3mm，操作方式为加工分流叶片，生成刀具路径并删除最后一层刀路，完成分流叶片精加工，如图12所示。

④轮毂精加工。选择“轮毂精加工”策略。参数为：公差0.03mm，余量0mm，行距1.5mm，以一个型腔的方式，生成刀具路径，通过变换和叠加方式，完成轮毂精加工，如图13所示。

⑤叶片清角。分别复制左翼和分流叶片精加工的刀具路径，删除其余路径并保留最后一层刀路，完成叶片的笔式清角，如图14所示。

3.4 确定切削参数

切削参数主要有主轴转数、切削进给率、下切进给率、掠过进给率等。这些参数的选择与叶轮的加工精度、表面质量、加工效率有直接的关系[9]。经过反复试验，得出以下参数：粗加工主轴转数5000r/min，切削进给率3000mm/min，下切进给率1500mm/min，掠过进给率10000mm/min，精加工主轴转数12000r/min，切削进给率4000mm/min，下切进给率2000mm/min，清角加工主轴转数2000r/min，切削进给率800mm/min，下切进给率500mm/min。

3.5 程序后处理并验证

后置处理文件必须与实际机床相适应，以转换成HURONK2X8（优龙）五轴加工中心识别的代码，选择机床系统为西门子840D，逐一对所有刀具路径进行后置处理[10]，部分程序如下：

G71 G90 G94

G40 G54 G17

upath

TOOL NO. ： 1

TOOL TYPE ： BALLNOSED

TOOL ID ： B6L36

TOOL DIA. 5.98 LENGTH 155.790

TB6 D1

M6

S5000 M3

TRAFOOF

G75 Z0

G54

Toolpath ： N01_rough-offset

Allowance ： +0.400

Workplane ： POST

FFWON

SOFT

COMPCAD G642

TOL（0.075）

JERK_ON（75）

CYCLE800（2，"KX8F"，0，57，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1）

CYCLE800（，"0"，，，，，，，，，，，，）

TRAORI

G54

M25 M27

M8

……

為避免在多轴联动加工中，发生干涉及碰撞，先用VERICUT仿真软件进行模拟加工，确认无误后，最后在HURONK2X8机床上加工，得到叶轮实物如图15所示。

4 结语

叶轮的加工技术一直是一个重要的研究课题。其加工难点主要是叶片型面和轮毂的加工。本文结合生产实际，首先利用CATIA的混合建模技术对叶轮进行了详细设计，然后根据PowerMILL软件对叶轮加工方案进行了深入研究，产生了深窄槽道和大扭角的五轴联动加工轨迹，并生成NC程序。通过对实际叶轮产品的测量，叶片各部分尺寸正确，厚度均匀，轮毂面上流道间距满足使用要求，保证了空气流路的通畅。

参考文献：

[1]廖庚华，刘庆平.基于CATIA的轴流风机叶片仿生参数化建模[J].吉林大学学报（工学版），2012，42（2）：403-406.

[2]季田，卞桂虹，刘向东，郭东明.叶轮造型与加工支撑软件的选择及技术特性[J].制造技术与机床，2008（1）：83-87.

[3]陈威，李彦生，吴国星.基于CATIA的自由曲面重构以及应用[J].机械设计与制造，2005（3）：48-49.

[4]黄建行，林颖，刘其洪.基于Pro/E二次开发的叶轮参数化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2010（2）：29-31.

[5]沈自林，沈庆云，范彦斌.整体叶轮产品造型和数控加工研究[J].现代制造工程，2006（5）：56-58.

[6]肖爱武，翟万略，彭湘蓉.基于Powermill刀具路径区域控制策略[J].制造技术与机床，2013（9）：153-155.

[7]朱湘宁，李屹.Powermill软件在薄壁件高速加工中的应用[J].制造技术与机床，2010（1）：29-31.

[8]陈金英.加工策略对叶轮曲面加工质量和效率的影响[J].机床与液压，2013，41（4）：38-40.

[9]康鲁迪，杨发展，佟春明.铝合金高速加工关键技术研究现状及分析[J].现代制造工程，2014（1）：53-57.

[10]任田雨，王国磊，陈恳.面向CATIA的五轴钻床专用后处理器关键技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2015（2）：36-38.endprint