MasterCAM在葉片零件四聯動數控加工應用

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   時間:2014-03-12 03:58:22
MasterCAM在葉片零件四聯動數控加工應用簡介
隨著數控加工日益普及,CAD/CAM軟體也在不斷地更新,而多軸加工數控編程一直是航空發動機葉片加工的關鍵技術。Mastercam作為一款高端CAD/CA……
MasterCAM在葉片零件四聯動數控加工應用正文

隨著數控加工日益普及,CAD/CAM軟體也在不斷地更新,而多軸加工數控編程一直是航空發動機葉片加工的關鍵技術。Mastercam作為一款高端CAD/CAM軟體,在實際加工中有著廣泛的應用,以下是以Mastercam在葉片的四軸聯動加工中的實際應用,對其它曲面加工也有借鑒意義。

   關鍵詞   葉片   四軸聯動加工   行距   后處理   進給率控制  

一、引言

   數控加工是一種可編程的柔性加工方法。數控機床正向著高速、高精、高柔性、複合化的方向發展,其費用相對較高,故適用於精度高,形狀複雜的零件的加工,而葉片零件公差帶小,其型面多為複雜的空間曲面,需要製造專用的工裝夾具,成批量生產要求精確複製,一直是數控加工的應用對象。

二、 四聯動NC機床

   四軸聯動加工技術主要應用於加工具有較為複雜曲面的工件,與三軸聯動加工相比,四軸聯動加工可以加工出更高質量、更複雜的曲面,主要適用于飛機、模具、汽車等行業的特殊加工,目前已經普及國產四坐標機床。如下左圖所示四坐標立式NC機床是在三個線性平動軸的基礎上增加一旋轉軸。其運動鏈為:

三、葉片的結構特點

   從葉片的結構來看,其葉身型面部分為複雜的空間曲面,各部分的曲率、扭轉變化較大,是典型的薄壁件。由於其為動力等裝置的重要部件,工作條件較為惡劣,對零件本身的精度和質量提出的很高的要求。型面的加工質量直接影響其工作性能,從而可能影響整機的性能。葉片的材料要求有很高的質量—強度比,加工中難切削,切削抗力大,引起的變形也大。由於其截面形狀,在葉盆和葉背方向上抵抗變形的能力也不同,進排邊緣處又較薄,加工中的形變很複雜。對數控加工提出了很高的要求。在實際加工中,多採用以下的加工流程:

四、葉片的CAD建模

   Mastercam是美國CNC Software公司開發的一套CAD/CAM 軟體,最早的版本為V3.0,可用於DOS。由於其誕生較早,兼具CAD軟體和CAM軟體的重要功能,發展至今無疑是CAD/CAM軟體中的一枝奇葩,有很高的市場佔有率。軟體的CAD功能可以繪製2D和3D圖形,構建自由曲面的功能更是遠遠勝於同類的CAD軟體;軟體的CAM功能方便直觀,可以直接在點、線、曲面、實體上產生刀軌,其後置處理文件是一種用戶回答式的自由修改文件,默認的後置處理文件Mpfan.pst與FANUC控制系統的NC機床無縫集成。

   1、構建截麵線

   按設計給定數據繪製出各個平面上的截麵線,葉盆和葉背上的型線均為自由曲線,進排氣邊緣為一段圓弧,將各曲線光滑過渡,並保證各段曲線的連續。根據給定的扭轉角將各個平面上的曲線通過Xform—Rotate命令進行旋轉,得到一組空間曲線,如下圖所示。

   2、構建曲面

   將所得到的截麵線通過Create(創建)—Surface(曲面)—Loft(舉升)操作,可以得到葉片的葉身型面,截面的數量將影響曲面的光順性,調整各數據點的對齊方式,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
  
   葉片型面加工可在三坐標、四坐標、五坐標數控機床上加工完成,所採用的刀具有球頭刀、平底刀、牛鼻刀、環形刀、鼓形刀、錐形刀等,可根據曲面陡峭程度、機床主軸自由度、加工要求選擇適合的刀具。

   1、四坐標數控機床型面加工的優勢

   在以往的型面加工中多採用三坐標加工,其特徵是加工軸線始終不變。

   即平行於Z坐標軸。三坐標曲面加工是通過逐行走刀來完成加工的。刀具沿各切削行的運動,近似地包絡加工曲面,行距是影響加工質量和效率的主要因素。
 
   過大的行距將使表面殘餘過大,後續工序的工作量變大,過小的行距會使加工程序和時間的成倍增加。其中走刀方式和零件相對刀具的姿態是影響行距的重要因素。

   以下是三坐標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,但是刀具切削點是不斷地劇烈變化的,加工余量相對也處下不斷的變化,對刀具和機床都產生不利影響。

   圖二是沿切削方向走刀的,有較高的效率,在實際中應用較多。但是隨著曲面切削點的法矢和刀具軸線(Z坐標軸)的夾角增大,表面殘餘增大,曲面的陡峭程度和其在夾具上的安裝方位對行距很敏感。

   圖三是環切方式,是前兩種方式的綜合,主要應用於邊界受限的型面加工,從內到外環切時,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。

   四軸聯動加工則可解決上述問題,有效地控制刀具和曲面切削點法矢的夾角,從而使切削余量相對均勻,在型面扭轉較大的葉片加工中有明顯的優勢;同時一次完成了葉盆、葉背、進排氣邊緣的加工,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,需要進行半精加工和精加工。在半精加工中可以根據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),選用曲面驅動,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、加工模擬

   為了檢驗刀軌的正確性,防止加工中過切現象,Mastercam提供了強大模擬校驗功能。先通過Jobstup(毛坯設置)設置毛坯尺寸,利用Verify(校驗)功能模擬切削,如下圖:

   4、後置處理

   Mastercam系統分為主處理程序和後置處理程序兩大部分。主處理程序針對加工對象,加工系統建立3D模型,計算刀具軌跡,生成NCI文件(刀具路徑文件)。NCI文件是一個用ASCII碼編寫包括NC程序的全部資料的文件。後置處理系統配置了適應單一類型控制系統的通用后處理,該後置處理提供了一種功能資料庫模型,用戶根據數控機床和數控系統的具體情況,可以對其資料庫進行修改和編譯,定製出適應某一數控機床的專用後置處理程序。其文件的擴展名為PST,定義了切削加工參數、NC程式格式、輔助指令,介面功能等。默認的MPFAN.PST是內定成適應FANUC控制器的通用格式,如FANUC3M、FANUC6M、FANUC0-M等。

   通過Post processing (後置處理)操作,系統自動產生NC程式,如下:

 
   5、進給速度的修正

   進給速度對葉片加工質量、加工精度、表面質量有著重要作用。精加工時希望能保持恆定的切削速度,由於葉片型面的變化,切削點的速度也處於不斷變化,如下圖所示:

   根據葉片的截面可以分析葉片的曲率變化規律:葉盆和葉背方向上的曲率變化平坦,加工中,旋轉軸A軸的轉動就慢,XYZ軸的行程也短,這時的運動速度就很快;進排氣邊處的曲率變化劇烈,加工中A軸旋轉的很快,XYZ的行程也很大,這樣會導致飼服系統驅動功率不足,使系統整體速度下降。數控編程往往只給出加工速度的參考值,理想情況下由數控系統自動完成,使數控編程可以不考慮速度的變化情況,適應實際的加工。但由於葉片曲面的加工程序均為微小直線段,實現速度平滑要提前預讀多段,這就要求控制系統有很高的處理速度,高檔系統已具有這樣的能力。當數控系統具有G93進給率控制指令時(速度倒數,執行該程序段所用的時間),可直接用G93方式實現恆表面進給速度。(可以修改Mastercam后處理文件Mpfan.pst生成含G93指令格式的NC程式),在系統不具備G93指令時可以編製合適的后處理文件對機床速度動態修正,使之在曲率變化小的葉盆葉背處降低切削進給速度,在曲率變化大的進排氣邊處提高切削速度 ,來補償機床功率不足。

   6、 DNC(直接控制)加工

   由於葉片型面程序量大,NC機床的磁泡存儲器容量有限,常用PC機與NC機床RS232介面通訊。通過Mastercam中的Communications(通訊)功能,設置傳輸文件格式、串口,傳輸速率、奇偶校驗、數據位等與CNC控制器的參數一致從而實現在線加工。

六、結束語

   葉片的四軸聯動數控加工,較以往的三坐標加工,一次完成葉身型面的加工,極大地減輕了後續拋光工序的工作量,大大提高了加工質量和生產效率,同時提高了設備的利用率。Mastercam以其強大的功能已成功地應用於葉片的四聯動加工,較好地解決了該類零件的批量生產中的質量和效率問題,取得了良好的經濟效益。

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