基于CAXA制造工程師的多軸加工技術研究

曹著明 馬永旺

摘要：CAXA制造工程師2008是數控加工、模具設計與加工中應用廣泛的CAD/CAM軟件。該軟件與其他軟件相比，大幅提高了零件設計與加工的質量和效率。文章介紹了如何應用CAXA制造工程師2008設置葉輪軸中葉片加工的走刀路線，包括加工工藝、操作流程、輔助線設計等，同時文章闡述了CAXA制造工程師2008的特點、刀具路徑設計流程及優(yōu)勢。

關鍵詞：CAXA制造工程師2008；葉片；刀具路徑；流程；輔助線

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）05-0025-03

隨著現代裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，零件的形狀變得更加復雜，零件加工的效率要求越來越高，高速、高效加工的重要性欲顯突出，作為當今先進加工技術——多軸加工技術在機械加工技術領域中的作用越來越重要。多軸加工與一般的三坐標（X、Y、Z）銑削加工和普通的兩坐標（X、Z）車削加工不同，不僅要計算出加工位置的坐標點數據，而且還得計算出坐標點上的矢量方向數據，這個矢量方向在數控加工中通常稱為刀具的刀軸方向，計算刀軸矢量數據方向對所有編程者來說都是個難題。目前這項工作最高效的解決方法是通過CAD/CAM軟件來完成。大多數的CAD/CAM軟件都具有坐標、矢量計算能力，比如UG、PROE、powermill、mastercam等，但是這些軟件都是按國外人員的思維習慣來設置的，在使用和學習上難度比較大，編程過程中需要考慮的問題較多，參數設置量大，培養(yǎng)熟練操作多軸CAD/CAM軟件編程的技術人員成為多軸加工中的一個瓶頸。

基于多軸加工、高速加工在當今制造業(yè)中的重要性，作為培養(yǎng)企業(yè)高技能人才的地方——高等職業(yè)院校應主動適應，在教學中引入多軸加工、高速加工相關知識，在實訓教學中選擇多軸加工零件作為實訓項目，以適應企業(yè)的需求。全國數控技能大賽作為職業(yè)院校教學教改的方向標，近些年已經把多軸加工作為大賽的比賽方案。本文對“風力驅動器”（2010年全國高職院校技能大賽“復雜部件造型多軸聯動編程與加工”樣題）中的葉輪軸中葉片的走刀路線進行了設計和研究。

1 CAXA制造工程師2008

CAXA制造工程師軟件易學、高效，是一款高效的CAD/CAM軟件，它為數控加工提供了從造型、建模、設計到數控加工代碼生成、仿真加工、數控加工代碼驗證等一體化的解決方案，該軟件同時也被稱為數控機床的“大腦”。CAXA制造工程師軟件不僅融合了多軸加工技術以及很多國外高速加工技術，而且它在數控代碼的轉換和反讀方面有非常強的功能，如將FANUC數控代碼轉換為SIMENS代碼、HEIDENHAIN代碼、華中數控代碼等。

CAXA制造工程師2008新增了多種曲面、特征實體造型手段及2軸到5軸數控加工等重要功能。在基于CAXA制造工程師2006的基礎上，CAXA制造工程師2008對原有功能做了提升，尤其是實現手工編程、使用宏程序和轉換代碼的編程助手模塊；針對五軸數控加工模塊還新增了曲線加工、五軸側銑、曲面區(qū)域加工、五軸G01鉆孔、五軸軌跡轉換為四軸軌跡等功能；針對四軸模塊增強了銑槽加工功能，更新了四軸加工后置處理，支持360°連續(xù)旋轉角度；改進了系統(tǒng)的License檢測，適應大規(guī)模生產場景。CAXA制造工程師2008被全國數控技能大賽組委會指定為第三屆全國總決賽軟件平臺。

2 葉片加工工藝分析

本文研究加工的零件——葉輪軸中的葉片，如圖1所示，就是要完成葉片的走刀路線的設計。由于該葉片是拉伸增料造型獲得的，所以在加工該葉片時可以在三軸的模式下完成一個葉片的刀路設置，然后在立式四軸聯動加工中心中，通過A軸旋轉60°完成第二個葉片的加工，再依次類推直到把第六個葉片加工出來。所以葉輪軸中葉片的刀路設置，就轉換成在三軸模式下一個葉片的刀具路徑設置了。

在加工該零件時，葉片部位已被加工成Φ60的圓柱，使用的機床為四軸聯動加工中心（VDF-850D型）；使用的刀具是：粗加工時用Φ8的立銑刀，精加工時用Φ4的球刀。同時應注意的是在刀路設置時應已完成了零件的造型，現在是在造型的基礎上應用CAXA制造工程師2008完成葉片走刀路線的設計；設計完后該軟件能自動生成數控加工程序，然后導入數控機床完成零件的加工。這里所謂走刀路徑也就是走刀路線。為完成葉片的加工，共用到三個刀路設置策略，分別是用“等高線粗加工”開粗，去除毛坯周邊余量；然后用曲線式銑槽刀路對葉片側面進行精加工；最后用曲面區(qū)域式加工刀路對葉片根部的圓柱表面進行精加工，其作用如圖2所示：

3 葉片的刀路設置

為完成葉片刀具路徑的設置，首先要已完成輔助線的設置，為刀路設置提供走刀方向以及為設置加工區(qū)域提供圖素；其次要設置加工區(qū)域，也就是在加工葉片時限定它的加工范圍，否則生成的刀路就有可能把相鄰葉片切除；這兩項設置完后就可以開始進行刀路設置了。整個刀路設置流程如圖3所示：

輔助線設計是整個刀路設置過程的重點、核心。這里一共需要設置5條輔助線，如圖4所示。第一條輔助線是在葉片的上表面，我們通過選擇軟件中的“曲面邊界線”工具，然后選擇葉片上表面，這樣在葉片的上邊面曲面的周邊就自動生成一條輔助線了，第一條輔助線是基礎，是為做其他輔助線提供源圖素用的。第二條輔助線是在第一條的基礎上做一個等距線，使其往外擴張。第二條輔助線是為第二個刀路——曲線式銑槽提供走刀方向的。也就是說在精加工葉片側面時，刀具的中心將沿著這條曲線一層一層地往下銑削。因為加工時是刀具的側刃進行加工，所以第一條和第二條輔助線之間距離應該由加工時使用的刀具的半徑來確定。

第三條輔助線是在第一條輔助線的基礎上做投影線，投影到葉片根部的圓柱表面的。選擇軟件中的“曲面投影線”工具，然后系統(tǒng)提示選擇要投影的線（這里選擇輔助線1），然后系統(tǒng)提示選擇投影面（這里選擇圓柱面），這樣軟件就能自動生成投影曲線——輔助線3。這條輔助線是在曲面區(qū)域式加工時限定加工區(qū)域用的。第四、第五條曲線是在第三條的基礎上旋轉60°獲得第四條，旋轉

-60°獲得第五條，這兩條曲線是為做加工區(qū)域曲線而準備的。五條輔助線都是有其特定作用的，有的是限定加工范圍用的，有的是提供走刀方向用的，有的是提供源圖素，做好這五條輔助線是完成刀路設置的前提。

輔助線設計好后還需設計加工區(qū)域，給生成的走刀路線限定范圍，保證加工葉片時生成的刀路不會切到相鄰的葉片。如圖5所示，首先在俯視圖中，在相鄰的兩個葉片靠近待加工葉片的一側畫兩條樣條線，然后畫一個矩形將整個圓柱面包圍起來，然后通過修剪就能獲得加工區(qū)域曲線。在設置刀路時，設定加工區(qū)域，把刀路限定在加工區(qū)域范圍，就能保證加工葉片時刀路是安全的，刀具不會干涉到零件的其他部位。

輔助線、加工區(qū)域設計好后，就可以設置刀路了。第一個刀路策略是等高線粗加工，該加工模式意思是指加工時一層一層地由外往內進行加工。設置刀路時軟件先提示選擇加工對象（全選），然后系統(tǒng)提示選擇加工區(qū)域（選擇剛才做的加工區(qū)域曲線），把這兩個選擇后，系統(tǒng)就自動能生成等高線粗加工刀路。第二個刀路策略是曲線式銑槽加工，該加工模式意思是指加工時刀具沿著一條曲線一層一層地由上往下進行挖槽加工。在設置刀路時軟件先提示選擇“曲線路徑”（這里我們選擇第二條輔助線），然后系統(tǒng)提示選擇“加工對象”，也就是說沿曲線銑槽銑到什么位置（這里選擇圓柱面）。把這兩個選擇后，系統(tǒng)就自動能生成曲線式銑槽刀路。第三個刀路策略是曲面區(qū)域式加工，該加工模式意思是指加工時刀具貼著曲面的表面進行加工。在設置刀路時軟件先提示選擇刀工對象，這里因為是精加工葉片根部的，所以選擇葉片根部的圓柱面，然后系統(tǒng)提示選擇加工區(qū)域（選擇之前做的加工區(qū)域曲線），最后系統(tǒng)提示選擇“島嶼”（不允許加工的區(qū)域，這里選擇第三條輔助線），把這三項選擇后，系統(tǒng)就自動能生成曲面區(qū)域式加工刀路。刀路設置操作如圖6所示。

4 結語

作為具有卓越工藝性能的優(yōu)秀三維設計與制造軟件——CAXA制造工程師2008在數控加工中能夠提供曲面和實體的3D造型、模具設計功能，并且具有高效的數控自動編程手段和強大的數據接口功能，在現代制造領域有非常廣泛的應用。隨著CAXA制造工程師的廣泛應用，其數控加工功能將得到進一步拓展，同時將變得更加可靠。

本文介紹了在CAXA制造工程師中如何完成葉輪軸中的葉片的走刀路線的設置。該方法實現了用三軸軟件完成對多軸零件的刀路設置。該方法簡便、適用，加工出的零件能達到設計要求。對于一些特殊的葉輪葉片加工，我們完全可以運用三軸加工方式來解決。CAXA制造工程師多樣化的加工方式可以安排從粗加工、半精加工到精加工的加工工藝路線理念；對于四軸加工零件提供了曲線加工、平切面加工、參數線加工、側刃銑削加工等，使加工更加簡便、更有效率。

參考文獻

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基金項目：本項目獲得北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助

作者簡介：曹著明（1981-），福建寧化人，北京電子科技職業(yè)學院講師，研究方向：數控加工技術。

（責任編輯：黃銀芳）