一、引言
作为动力机械的关键部件之一，整体式叶轮广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是机械制造中的一个关键课题。叶轮的加工质量直接影响整机的机械效率和动力性能，CNC数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。
整体叶轮的加工难点主要表现在：
- 三元整体叶轮的形状复杂，其叶片多为非可展扭曲直纹面。
- 整体叶轮相邻叶片的空间较小，而且在径向上设有半径的减小通道越来越窄，因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具极易与相邻叶片发生干涉。
- 刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，如美国NREC公司的MAX-5，MAX-AB叶轮加工专用软件等。国内大多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型CAD/CAM 软件，如NX、PM、CATIA、MasterCAM等来加工整体叶轮。本文选用目前流行且功能强大的MASTERCAM 2017 来对复杂曲面整体叶轮进行数控编程及加工仿真。
二、数控编程的准备工作
准备工作主要包括工件坐标系建立、工件对刀点与机床换刀点的确定，在加工编程中，为了使工艺基准与设计基准保持一致，将工件坐标系零点与编程零点重合。
本整体叶轮零件加工的难点主要体现在以两点：
(1)整个叶轮包括了11个叶片，叶片相邻的空间狭小，加工时刀具容易和被加工的叶片以及相邻的的叶片发生干涉；
(2)叶片为薄壁结构，且为非可展扭曲直纹面，形状相对比较复杂，加工易变形；
在叶轮的加工设备上选用配有Heidenhain 数控系统的五轴加工中心，该机床能实现X、Y、Z、B、C五轴联动，具体的工作行程参数为：X轴850mm纵向、Y轴660mm横向；Z轴460mm垂直向，B轴(工作台摆动)-120°～120°，C轴(工作台旋转)360°。从这些参数可以看出该机床能轻松胜任该整体叶轮加工的任务。
三、MasterCAM编程应用
3.1 整体叶轮零件的几何建模
运用CAD建立几何模型是实现数控加工的基础，MasterCAM四大模块中的任何一个模块都具有三维的设计功能。可以运用Design模块建模，也可以根据加工要求使用Mill模块、Lathe模块和Wire模块直接建模，在进行零件的建模时，无需画出整个零件的模型来，只需要画出其加工部分的轮廓线即可，形位公差及配合公差可以不标出，应根据零件的实际尺寸来绘制图形，以保证计算生成的刀具路径坐标点位的正确性；并注意将不同的加工工序分别绘制于不同的图层内，利用MasterCAM中图层的功能，在确定刀具路径时，加以调用或隐藏，作图清晰，编程明了方便。
3.2 整体叶轮零件的模拟数控加工
设置好刀具加工路径后，利用MasterCAM系统提供的零件加工仿真模拟功能，观察切削加工的过程，可用来检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉，设备的运行动作是否正确，实际零件是否符合设计要求。同时在数控模拟加工中，系统还会给出相关加工过程的参数报表，这样在实际生产中省去试切的过程，可降低材料消耗，节约成本。
3.3 生成数控指令代码及程序传输
通过MASTERCAM模拟数控加工，确认符合实际加工要求时，就可以利用MasterCAM的后置处理程序来生成NC数控代码，MasterCAM系统本身提供了多种后置处理PST程序。对于不同的数控设备、数控系统选用相应的后置处理程序。后置处理生成的NC数控代码经适当手动修改后如能符合所用数控设备的要求，就可以输出到数控设备，进行DNC加工。
四、MasterCAM编程加工过程
根据零件的尺寸要求，选用材料为AULUMNUM5052直径为100mm高度为50mm的棒料在数控车床上加工成阶梯弧形状作为毛坯，然后分以下几道工序进行加工。
1.运用三爪夹持棒料下端面，采用φ4的硬质合金立铣刀去除流道间的主要余量。这种方式用立铣刀按等高面一层一层地铣削，层与层之间的高度为2mm，加工效率较高。在这一工序中主轴转速S可以设为8000r/min，进给速度F3000mm/min。
2.进行叶片粗加工，这一工序需要五轴联动来进行加工，加工中依然采用φ4R2的球头刀，运用Mastercam 的“多轴刀路”中的“叶片专家”进行加工，具体的加工的相关参数在“多轴刀路--叶片专家”对话框中设置。几个关键参数设置如下：“切削方式”模块的“加工方式”选为粗加工，“排序方式”选择“双向，由前边缘开始”以提高加工的效率：在“定义组件”模块中“叶片”选择两相邻的叶片，“轮毂”选择刚选中的两相邻叶片的中间区域，并且设置“分段数量”为6。其他参数可以选择默认，就可出程序完成粗加工。
3.进行轮毂的精加工，叶片专家中的“精修轮毂”即可，采用φ3R1.5锥度铣刀加工，转速S12000,进给F4000。
4.进行叶片精加工，在Mastercam 的“多轴刀路”中选择“曲面实体”并点选“Swaff milling”。在相应的对话框中设置加工参数。关键参数设置如下：“切削方式”模块的“切削曲面”选择叶片侧面，“底部曲面”选择两相邻叶片之间的轮毂；“曲面公差”中设定切削公差为0.01，最大距离为0.2。其他参数可以选择默认，就可出程序完成本道工序的加工。
5.实体模拟仿真切削。
通过以上步骤最终完成整体叶轮零件的加工。通过三坐标测量仪测量该零件叶片的弧度，均满足规定的要求。
五、结束语
在此次整体叶轮的加工中，并没有采用费用高昂、功能高端的CAD/CAM软件。熟用MasterCAM使得整个编程工艺过程如行云流水般酣畅淋漓 ，在该五轴CNC机床加工此零件也是龙飞凤舞，气贯长虹 ，一个优质产品的产出是人、机、物，优化配置和良好协调的结果，不仅仅是某一方面。
实战编程一点通
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