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做座MasterCAM在叶片零件四联动数控加

发布时间:2021-10-10 05:38:44 阅读: 来源:氨水厂家

MasterCAM在叶片零件四联动数控加工中的应用

摘要:随着数控加工日益普及,CAD/CAM软件也在不断地更新,而多轴加工数控编程一直是航空发动机叶片加工的关键技术。Mastercam作为一款高端CAD/CAM软件,在实际加工中有着广泛的应用,以下是以Mastercam在叶片的四轴联动加工中的实际应用,对其它曲面加工也有借鉴意义。

关键词:叶片;四轴联动加工;行距;后处理;进给率控制

一、引言

数控加工是一种可编程的柔性加工方法。数控机床正向着高速、高精低密度、高柔性、复合化的方向发展,其费用相对较高,故适用于精度高,形状复杂的零件的加工,而叶片零件公差带小,其型面多为复杂的空间曲面,需要制造专用的工装夹具,成批量生产要求精确复制,一直是数控加工的应用对象。

二、 四联动NC机床

四轴联动加工技术主要应用于加工具有较为复杂曲面的工件,与三轴联动加工相比,四轴联动加工可以加工出更高质量、更复杂的曲面,主要适用于飞机、模具、汽车等行业的特殊加工,目前已经普及国产四坐标机床。如下左图所示四坐标立式NC机床是在三个线性平动轴的基础上增加一旋转轴。其运动链为:

三、叶片的结构特点

从叶片的结构来看,其叶身型面部分为复杂的空间曲面,各部分的曲率、扭转变化较大,是典型的薄壁件。由于其为动力等装置的重要部件,工作条件较为恶劣,对零件本身的精度和质量提出的很高的要求。型面的加工质量直接影响其工作性能,从而可能影响整机的性能。叶片的材料要求有很高的质量—强度比,加工中难切削,切削抗力大,引起的变形也大。

由于其截面形状,在叶盆和叶背方向上抵抗变形的能力也不同,进排边缘处又较薄,加工中的形变很复杂。对数控加工提出了很高的要求。在实际加工中,多采用以下的加工流程:

四、叶片的CAD建模

Mastercam是美国CNC Software公司开发的一套CAD/CAM 软件,最早的版本为V3.0,可用于DOS。由于其诞生较早,兼具CAD软件和CAM软件的重要功能,发展至今无疑是CAD/CAM软件中的一枝奇葩,有很高的市场占有率。软件的CAD功能可以绘制2D和3D图形,构建自由曲面的功能更是远远胜于同类的CAD软件;软件的CAM功能方便直观,可以直接在点、线、曲面、实体上产生刀轨,其后置处理文件是一种用户回答式的自由修改文件,默认的后置处理文件t与FANUC控制系统的NC机床无缝集成。

1、构建截面线

按设计给定数据绘制出各个平面上的截面线,叶盆和叶背上的型线均为自由曲线,进排气边缘为一段圆弧,将各曲线光滑过渡,并保证各段曲线的连续。根据给定的扭转角将各个平面上的其聚丙烯改性继能下降聚丙烯挥发性曲线通过Xform—Rotate命令进行旋转,得到一组空间曲线,如下图所示。

2、构建曲面

将所得到的截面线通过Create(创建)—Surface(曲面)—Loft(举升)操作,可以得到叶片的叶身型面,截面的数量将影响曲面的光顺性,调整各数据点的对齐方式,和曲面公差,得到如下图所示的三阶NUBS曲面。

五、叶片的CAM加工

叶片型面加工可在三坐标、四坐标、五坐标数控机床上加工完成,所采用的刀具有球头刀、平底刀、牛鼻刀、环形刀、鼓形刀、锥形刀等,可根据曲面陡峭程度、机床主轴自由度、加工要求选择适合的刀具。

1、四坐标数控机床型面加工的优势

在以往的型面加工中多采用三坐标加工,其特征是加工轴线始终不变。

即平行于Z坐标轴。三坐标曲面加工是通过逐行走刀来完成加工的。刀具沿各切削行的运动,近似地包络加工曲面,行距是影响加工质量和效率的主要因素。

过大的行距将使表面残余过大,后续工序的工作量变大,过小的行距会使加工程序和时间的成倍增加。其中走刀方式和零件相对刀具的姿态是影响行距的重要因素。

以下是三坐标常用的几种走刀方式,如下图所示:图一是沿截面方向走刀,这种走刀方式可以获得较好的轮廓度,行距受到的影响也小,但是刀具切削点是不断地剧烈变化的,加工余量相对也处下不断的变化,对刀具和机床都产生不利影响。

图二是沿切削方向走刀的,有较高的效率,在实际中应用较多。但是随着曲面切削点的法矢和刀具轴线(Z坐标轴)的夹角增大,表面残余增大,曲面的陡峭程度和其在夹具上的安装方位对行距很敏感。

图三是环切方式,是前两种方式的综合,主要应用于边界受限的型面加工,从内到外环切时,刀具切削部位的四周可以受到毛坯的刚性支持,有利减少变形。

四轴联动加工则可解决上述问题,有效地控制刀具和曲面切削点法矢的夹角,从而使切削余量相对均匀,在型面扭转较大的叶片加工中有明显的优势;同时一次完成了叶盆、叶背、进排气边缘的加工,具有较高的加工精度。

2、叶片的型面加工

叶片的型面为自由曲面,毛坯为模锻件,需要进行半精加工和精加工。在半精加工中可以根据被加工的面生成偏置面。利用Mastercam中Toolpaths(刀具路径)—Multiaxis(多轴加工)—Msurf5ax(五轴曲面加工),选用曲面驱动,Cut Pattern(切削模式)、Tool Axis目前 Control(刀轴控制)、Cut Surfaces(切削曲面)都选择被加工曲面。 选用直径为12的球刀加工,半精加工步距取1mm,精加工步距取0.3mm,余量为0.2mm,螺旋式走刀。精加工的刀轨路径如下图:

3、加工仿真

为了检验刀轨的正确性,防止加工中过切现象,Mastercam提供了强大仿真校验功能。先通过Jobstup(毛坯设置)设置毛坯尺寸,利用Verify(校验)功能仿真切削,如下图:

4、后置处理

Mastercam系统分为主处理程序和后置处理程序两大部分。主处理程序针对加工对象,加工系统建立3D模型,计算刀具轨迹,生成NCI文件(刀具路径文件)。NCI文件是一个用ASCII码编写包括NC程序的全部资料的文件。后置处理系统配置了适应单一类型控制系统的通用后处理,该后置处理提供了一种功能数据库模型,用户根据数控机床和数控系统的具体情况,可以对其数据库进行修改和编译,定制出适应某一数控机床的专用后置处理程序。其文件的扩展名为PST,定义了切削加工参数、NC程式格式、辅助指令,接口功能等。默认的T是内定成适应FANUC控制器的通用格式,如FANUC3M、FANUC6M、FANUC0-M等。

通过Post processing (后置处理)操作,系统自动产生NC程式,如下:

5、进给速度的修正

进给速度对叶片加工质量、加工精度、表面质量有着重要作用。精加工时希望能保持恒定的切削速度,由于叶片型面的变化,切削点的速度也处于不断变化,如下图所示:

根据叶片的截面可以分析叶片的曲率变化规律:叶盆和叶背方向上的曲率变化平坦,加工中,旋转轴A轴的转动就慢,XYZ轴的行程也短,这时的运动速度就很快;进排气边处的曲率变化剧烈,加工中A轴旋转的很快,XYZ的行程也很大,这样会导致饲服系统驱动功率不足,使系统整体速度下降。数控编程往往只给出加工速度的参考值,理想情况下由数控系统自动完成,使数控编程可以不考虑速度的变化情况,适应实际的加工。但由于叶片曲面的加工程序均为微小直线段,实现速度平滑要提前预读多段,这就要求控制系统有很高的处理速度,高档系统已具有这样的能力。当数控系统具有G93进给率控制指令时(速度倒数,执行该程序段所用的时间),可直接用G93方式实现恒表面进给速度。(可以修改Mastercam后处理文件t生成含G93指令格式的NC程式),在系统不具备G93指令时可以编制合适的后处理文件对机床速度动态修正,使之在曲率变化小的叶盆叶背处降低切削进给速度,在曲率变化大的进排气边处提高切削速度 ,来补偿机床功率不足。

6、 DNC(直接控制)加工

由于叶片型面程序量大,NC机床的磁泡存储器容量有限,常用PC机与NC机床RS232接口通讯。通过Mastercam中的Communications(通讯)功能,设置传输文件格式、串口,传输速率、奇偶校验、数据位等与CNC控制器的参数一致从而实现加工。

六、结束语

叶片的四轴联动数控加工,较以往的三坐标加工,一次完成叶身型面的加工,极大地减轻了后续抛光工序的工作量,大大提高了加工质量和生产效率,同时提高了设备的利用率。Mastercam以其强大的功能已成功地应用于叶片的四联动加工,较好地解决了该类零件的批量生产中的质量和效率问当试样承压轴向紧缩时题,取得了良好的经济效益。(end)

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