2024年4月8日发(作者：)

基于PowerMILL的叶轮实体建模与加工

作者：刘容，罗鸣，黄强飞

来源：《科技创新与生产力》 2016年第3期

刘 容1，罗 鸣2，黄强飞3

（1. 湖南化工职业技术学院，湖南 株洲 412004；2. 英国DELCAM（中国）有限公司成都

办事处，四川 成都 610041；3. 中航工业南方航空工业（集团）有限公司，湖南 株洲 412004）

收稿日期：２０15－09－24；修回日期：２０16－01－28

作者简介：刘 容（1982-），女，湖南华容人，讲师，主要从事CAD/CAM及数控加工研究，

E-mail：sumian82@。

叶轮是发动机、汽轮机、泵、风机、压缩机等产品上的重要零件，其形状误差和精度误差

对发动机的空气动力性能和机械效率有较大影响。风力驱动器的叶轮轴，由5片左旋螺旋式叶

片均面构成，叶轮流道是螺旋槽，槽的中心线是螺旋线，其导程为120 mm，具有孔、自由曲面、

螺纹和槽等结构，需采用车铣复合加工中心加工。不仅需要对整体叶轮的流道、叶片和圆角等

主要曲面进行加工，还要对槽、螺纹、孔、轴等外形轮廓进行加工，采用Delcam的

PowerSHAPE软件对叶轮轴进行实体建模，然后利用PowerMILL软件对叶轮轴进行CAM加工，产

生出叶轮流道、叶片、叶轮轴上槽等刀具路径。根据实际情况，叶轮加工分粗、半精及精加工。

粗加工主要用于快速有效去除每两个叶片区间的材料，精加工主要用于叶片和叶轮流道的成型。

1 叶轮轴实体造型设计

叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复杂。

在利用PowerShAPE软件造型时需要生成3个文件。一是车削模块线框文件，二是铣削模块设置

毛坯的加工三角形文件，三是叶轮轴实体造型文件。

1）叶轮轴车削线框的绘制。根据零件图绘制出造型所需线框， 选择 “文件”→“输出”，

作为*igs格式输出，其可作为叶轮轴的毛坯（FeatureCAM）的车削线框。

2）加工三角的产生。叶轮轴毛坯在车削中完成了加工，大部分余料已去除。在

PowerSHAPE模块中绘制车削叶轮轴模型（见图1），将文件以加工三角输出，格式为*dmt，作

为PowerMILLl软件加工叶轮时所需毛坯。

3）叶轮轴的造型。将绘制的车削线框通过旋转产生实体轴。按照叶片尺寸绘制叶片，利用

“曲线”→“曲线包裹”功能，绘制出叶片螺旋曲线，在螺旋线的两端绘制叶片的截面线框。

首先利用“曲面”→“智能曲面”→“驱动曲线”产生叶片的轮廓曲面。然后采用“智能曲

面”→“填充”产生叶片截面曲面。最后利用“实体”→“曲面转换实体”将叶片封闭曲面转

换成实体。通过旋转操作完成所有叶片的造型。根据零件图完成叶轮轴的槽和螺纹孔的造型，

叶轮轴实体造型见图2。

2 确定切削刀具及参数

为保证叶片的纹理要求，所使用的刀具切削刃长度应大于30 mm，刀具总长度应大于80 mm。

叶片整体粗加工时，根据叶片之间的距离大小，选用直径6 mm硬质合金圆角端铣刀，预留0.5

mm的精加工余量。精加工时采用直径6 mm的球头铣刀。选择合适的切削用量。实际加工中可

以根据机床性能确定主轴转速和进给速度。

3 PowerMILL编程流程

叶轮轴（除叶片）的加工可采用车削加工成型，叶片加工时，叶片必须具有良好的表面质

量。叶片加工精度一般集中在叶片表面、轮毂表面和叶根表面，表面粗糙度值应小于Ra 0.8

μm，截面间的型面平滑过渡，叶片的表面纹理要求一致。

1）叶轮粗加工、半精加工。将叶轮轴模型导入PowerMILL模块中，进行毛坯设置，定义毛

坯类型为加工三角形，选取已生成的加工三角（*dmt文件），将其作为叶轮加工毛坯，毛坯设

置效果见图3（加工三角的坐标系必须与叶轮轴的坐标系对应）。在编程时，为便于叶轮在机

床上定位夹紧后确定其加工原点，将加工坐标系原点定在叶轮轴右端面的回转中心点上，坐标

轴的方向与机床坐标系方向保持一致。

粗加工边界的定义：在PowerMILL软件中可通过产生边界控制叶片的加工范围。选取图4

所示两叶片之间的曲面，利用工具栏中“边界”功能中的“用户定义边界”，选择“模型”，

完成叶片加工边界的定义。叶片的粗加工：在“刀具路径策略选择器”→“3D”选取“模型区

域清除”，选用确定直径6 mm硬质合金圆角端铣刀，设置合适的加工参数，生成刀具路径，实

现叶片的粗加工。叶片的半精加工：选择“最佳等高精加工”，选用确定直径6 mm的球头铣刀，

设置合适的加工参数，刀具路径见图5，实现叶片的半精加工。

2）叶片精加工。加工叶片时采用SWARF精加工策略，选择确定直径6 mm的圆角端铣刀，

利用铣刀的侧刃加工叶片。采用SWARF加工策略时，刀轴默认为自动，设置加工参数。在“多

重切削”对话框，设置“方式”为“合并”“排序方式”为“范围”，“上限”为“顶部”和

“最大切削次数”为“10”。刀具路径见图6。

3）叶轮流道精加工。曲面精加工是一种沿已选曲面上的曲面或曲线进给的精加工策略，该

策略不能平行于任何裁剪过的曲面边缘运行。选取叶片与轴相交的圆角曲面，选择 “曲面精加

工”，设置加工参数，将“刀轴”设置为“前倾/侧倾”，“前倾角/侧倾角”分别设置为“0”，

生成叶轮流道精加工刀路。采用同样方法完成叶轮流道其他2个面的精加工刀具路径，将叶轮

流道的3个精加工刀具路径进行合并，形成一个完整的叶轮流道精加工刀具路径。在完成单一

叶片表面刀具路径计算后，通过编辑该叶片刀具路径实现另外4个叶片表面结构加工，可提高

编程效率。在刀具路径栏中选择“开粗-D6r1”“等高精加工”“叶片精加工”“曲面精加工”

等刀具路径，通过“变换刀具路径”操作，逐一复制上述4个刀具路径，完成叶轮的粗加工、

半精加工、精加工，所有刀具路径见图7。

4）叶轮轴上槽的加工。在槽底建立合适的坐标系，保证坐标系Z轴垂直于叶轮轴轴线，选

择确定直径6 mm圆角端铣刀 ，采用“模型区域清除”对槽进行粗加工。采用SWARF精加工策

略对槽的两侧面进行精加工，由于槽的底面是较窄的平面，可选择“平行平坦面精加工”进行

槽底面的加工，采用旋转复制的方法完成其他槽的加工，刀具路径见图8。

4）模拟验证。叶轮轴加工刀具路径产生后，需要对刀路进行仿真加工校验，根据验证结果

对其作相应的修正处理。PowerMILL提供了加工仿真 工具，可以直接对生成的刀路进行实体

仿真，非 常直观，是修正刀路的良好工具。最后，将叶轮轴的叶轮和轴加工的所有刀具路径进

行仿真加工（见图9）。

4 结论

通过应用PowerSHAPE软件实现叶轮轴的实体建模，利用PowerMILL软件完成叶轮的四轴数

控编程加工，改善了三轴数控加工多次定位问题，简化了加工方法，提高了叶轮加工精度，为

叶轮的四轴数控加工提供了切实可行的方法。

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（责任编辑 高 腾）