葉輪在MasterCAM軟件中的軌跡設置與VERICUT優化加工

肖善華，袁永富

(宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003）

葉輪在MasterCAM軟件中的軌跡設置與VERICUT優化加工

肖善華，袁永富

(宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003）

分析葉輪五軸數控加工工藝和加工內容，應用MasterCAM X6軟件生成葉輪五軸粗加工軌跡、葉輪擴槽及輪轂精加工軌跡、葉片精加工軌跡。在VERICUT仿真軟件中進行機床設置、添加刀具庫、添加毛坯、添加葉輪加工數控程序、設置碰撞及干涉顏色顯示、程序優化等操作，經仿真得到無碰撞、無過切的五軸葉輪。

MasterCAM X6；VERICUT；葉輪；五軸數控加工

五軸葉輪曲面加工是現代制造業的一大難題，用手工編程很難實現，最快捷和高效的方法就是使用自動編程CAD/CAM軟件完成。MasterCAM是最經濟、最有效率的CAD/CAM軟件，MasterCAM提供了豐富的五軸曲線、曲面五軸、流線五軸、管道五軸、葉輪專家系統等五軸加工功能，但對復雜葉輪加工曲面生成的G代碼程序卻不能全面檢查其碰撞和干涉。基于此，文中提出利用MasterCAM X6軟件生成葉輪五軸加工程序代碼，應用優秀的VERICUT仿真軟件完成葉輪的模擬仿真和程序優化，使其能滿足葉輪五軸生產實際加工需要，提高葉輪加工效率，保證產品的質量。

1 葉輪五軸數控加工工藝

1.1 準備葉輪毛坯

葉輪毛坯可以選用焊接件、鑄件、鍛壓件等。其中，焊接件采用將葉片加工成形后焊接在輪轂上的工藝方法，強度較差。為增加葉輪的強度，減少焊接時產生的變形，滿足設計要求，整體葉輪毛坯大多選擇鍛壓件，經數控車床粗、精車削加工得到葉輪回轉體的基本形狀，再進行多軸銑削加工得到零件產品。整體葉輪的毛坯如圖1。

圖1 葉輪毛坯

1.2 葉輪加工工藝方案

五軸葉輪加工工藝方案為葉輪開槽粗加工、葉輪擴槽與輪轂精銑加工、葉片曲面精加工。由于葉片之間加工空間狹小、曲率變化較大、葉片扭曲嚴重，另一方面，葉片壁薄，加工時容易產生變形和裂紋，因此，在葉片間及流道內要合理控制刀具軸的擺動才能有效防止葉輪的干涉及過切現象，并得到圓滑光順的刀紋。葉輪開槽粗加工盡量選用較大直徑的球頭銑刀從槽的中間位置向外緣進行加工，并保證槽底與輪轂有0.5～1.0 mm的加工余量。葉輪擴槽與輪轂精銑加工在一次加工中完成，既能保證加工精度，又能使輪轂表面刀痕得到較好的一致性。采用較小直徑的球頭銑刀從中心向外側擴槽，擴槽時保證葉片留有0.0～1.0 mm的精加工余量。最后完成葉片曲面精加工，葉片曲面精加工與清根加工一次完成，能較好保證葉片的精確形狀，同時，使葉片根部圓滑，減少裂紋的產生。

2 葉輪后置程序處理

葉輪零件加工選擇五軸立式數控加工中心VR-6/50TR機床，該機床配置HAAS數控系統。要得到正確的五軸葉輪程序，需要在MasterCAM X6軟件中修改五軸后置處理系統。進入MasterCAM X6設置菜單，單擊“控制器定義”，彈出后置程序對話框，如圖2，單擊“后處理程序”文件，選擇“增加文件”，選擇Generic Haas VF-TR_Series 5X Mill.pst，然后單擊“增加文件”，選擇 Generic Haas VF-TR_Series 5X Mill.pst，選擇“打開”，再選擇“確認”，如圖3所示，完成葉輪五軸后置處理程序設置。

圖2 選擇后置處理程序

圖3 HASS后置程序

3 葉輪五軸刀路軌跡

3.1 葉輪開槽粗加工軌跡

MasterCAM X6軟件提供豐富的五軸加工模塊，特別是多軸加工有五大類型，共計29種多軸加工方法，用戶可以根據實際零件的形狀特點合理選擇相應的五軸加工方法，生成五軸刀具軌跡。此例葉輪為復雜的曲面加工，選用自定義應用程序中的葉輪專家模塊生成刀路。選擇粗加工刀具為硬質合金球頭銑刀，直徑為φ8R4mm，設置轉速3 500 r/min，進給速度為500 mm/min，粗加工參數設置如圖4、圖5所示。選擇切削方式:“粗加工”，“從中心偏移”，切削順序:“雙向切削，從頂部開始”；在部分定義選項中設置葉輪葉片圓角，單擊箭頭，并選擇兩相鄰葉片曲面，輸入精加工預留量0.3 mm。同理，選擇輪軸，單擊箭頭，并選擇葉盤曲面，如圖6所示。單擊預留量，分別輸入精加工預留量0.3 mm，輸入安全高度0.9 mm。其余選項可以默認設置，生成葉輪粗加工軌跡，如圖7所示。

圖4 粗加工切削方式

圖5 部分定義選項

圖6 選擇葉盤曲面

圖7 葉輪粗加工軌跡

3.2 葉輪擴槽及輪轂精加工軌跡

選擇擴槽加工及輪轂精加工刀具為硬質合金球頭銑刀，直徑為φ6R3 mm，設置轉速6 000 r/min，進給速度為300 mm/min，精加工參數設置如圖8。選擇切削加工類型:“輪轂修整”，切削方式:“單向切削，從頂部開始”，切削順序:“由左至右”；在部分定義選項中設置葉輪葉片圓角，單擊箭頭，并選擇兩相鄰葉片曲面，輸入精加工預留量0及輪軸預留量0。其余選項可以默認設置，生成葉輪擴槽加工及輪轂精加工軌跡如圖9所示。

圖8 葉輪輪轂精加工設置

圖9 輪轂精加工軌跡

3.3 葉片精加工軌跡

進入葉輪專家系統生成葉片精加工刀路，選擇葉片精加工刀具為硬質合金球頭銑刀，直徑為φ6R3 mm，設置轉速 6 000 r/min，進給速度為 150 mm/min，刀具選擇參數見圖10，精加工參數設置見圖11。選擇切削加工類型:“葉片修整”，切削方式:“從中心偏移”，在等高外形中選擇“球形”，切削順序:選擇“單個切削，從頂部開始”，切削方向:選擇“順銑”；在部分定義選項中設置葉輪葉片圓角，單擊箭頭，并選擇兩相鄰葉片曲面，輸入精加工預留量0及輪軸預留量0。其余選項可以默認設置，生成葉片精加工軌跡見圖12。

圖10 葉片精加工刀具參數

圖11 葉片精加工參數設置

圖12 葉片精加工軌跡

4 葉輪的VERICUT仿真優化

VERICUT是一款專為制造業設計的CNC數控機床加工仿真和優化軟件，VERICUT通過模擬整個機床加工過程和校驗加工程序的準確性，來幫助用戶消除編程錯誤和改進切削效率，以避免機床部件與夾具和零件的碰撞。利用VERICUT軟件實現葉輪的五軸數控虛擬加工仿真，需要建立五軸加工中心機床本體、HAAS控制系統和刀具庫等，通過添加葉輪毛坯，調用由MasterCAM X6生成的五軸葉輪程序，模擬五軸HAAS數控機床真實加工環境，保證虛擬仿真和真實加工環境的一致性。

4.1 建立HAAS五軸機床三維模型

圖13 機床模型

圖14 選擇毛坯文件

圖15 添加毛坯圖

進入VERICUT仿真界面，在“機床”上用鼠標右擊“打開”，并在圖13中選擇“機床庫”，在機床庫中選擇HAAS_VF2.MCH，再單擊打開，得到五軸機床模型。

4.2 添加葉輪毛坯

進入MasterCAM X6軟件，打開葉輪文件，隱藏其他圖層，僅顯示毛坯圖層，單擊“文件”，另存為yelun.stl，然后進入VERICUT仿真軟件，右擊“打開”STOCK(0，0，0），選擇其下的“模型”、“添加模型”、“模型文件”，選擇圖14的葉輪毛坯文件，單擊“打開”后，完成葉輪毛坯的添加，見圖15。

4.3 添加刀具庫

圖16 刀具庫配置

進入組件樹中選擇“加工刀具”，鼠標右擊，選擇“刀具管理器”，彈出圖16，在該圖中設置相關的刀具參數。單擊圖16右側的圖形，彈出圖17，選擇刀具組件類型“旋轉型刀具”，設置刀具類型為球頭刀，粗加工選擇直徑為φ8R4 mm，長度為100 mm，刀刃長30 mm，刀柄直徑16 mm，刀具旋轉方向為順時針，同理設置精加工刀具為φ6R3 mm。

圖17 刀具參數

4.4 添加葉輪加工數控程序

在組件樹中選擇“數控程序”，在配置窗口中單擊“添加NC程序文件”按鈕，在彈出的窗口中選擇如圖18所示的yelun.nc文件，完成葉輪數控程序的導入。

圖18 葉輪數控程序

4.5 設置加工原點

在組件樹中選擇“G代碼偏置”，在“配置G代碼偏置”窗口中的“偏置名”下拉列表中選擇“程序零點”按鈕，子系統名為1，寄存器為1，單擊“添加”按鈕，在彈出的圖19窗口中選擇“從組件/到定位”在“名字”下選擇TOOL，在“到組件”在“名字”下選擇STOCK，完成葉輪加工原點的設置。

圖19 設置加工原點

4.6 設置碰撞及超程、干涉等顏色顯示

在VERICUT仿真界面主菜單欄中，單擊“配置”→“機床設定”，如圖20所示，單擊“碰撞檢測”選項卡，分別選中其X、Y、Z、B、C軸及刀具碰撞選項，使其發生干涉或碰撞時顯示顏色為紅色。單擊“行程極限”選項卡，分別輸入X、Y、Z、B、C軸的最大、最小極限尺寸，以防止機床在仿真加工運動過程中超程。

圖20 碰撞設定

4.7 程序優化及切削速度優化

在VERICUT仿真界面主菜單欄中，單擊“優化”、“控制”，選擇優化方式為“開”，單擊“yelun.nc文件”，對葉輪的NC代碼進行優化處理。單擊“刀具庫管理器”選項卡，選擇第01號刀具，選擇主菜單中的“添加”→“優化”→“新”，在其參數表中對該刀具的進給和轉速進行優化。

4.8 葉輪仿真

在VERICUT仿真界面中設置所有的參數后，單擊“仿真到末端”按鈕，直至葉輪加工仿真完畢，如果在仿真過程中出現碰撞或干涉，需要返回到MasterCAM X6軟件中修改NC程序，直到仿真完畢后無碰撞、無干涉、無過切現象發生。該葉輪最終優化仿真結果如圖21所示。

圖21 葉輪仿真結果

5 結束語

研究葉輪五軸加工工藝，利用功能強大的MasterCAM X6軟件生成五軸粗、 精加工刀具軌跡，在VERICUT仿真軟件中進行參數優化設置，得到無碰撞、無過切的仿真結果，為葉輪復雜零件的機床實際生產加工提供技術支持。

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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

肖善華 (1975—），講師，主要研究方向為CAD/CAM及數控加工。E－mail:yb_99888@163.com。