1 葉輪設(shè)計制造需采用CAD/CAM技術(shù)

　　葉輪是離心壓縮機等的核心部件。其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對壓縮機的性能有著決定性的影響。20世紀(jì)80年代中期，在先進透平機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，出現(xiàn)了三元整體葉輪結(jié)構(gòu)。三元葉輪是根據(jù)透平式流體機械內(nèi)部流體的三元真實流動狀況而設(shè)計的，能大幅度地降低能耗。整體式三元葉輪是指輪轂和葉片在同一毛坯體上，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、曲面誤差小、強度高等優(yōu)點，在現(xiàn)代航空發(fā)動機和流體機械中的壓縮機、鼓風(fēng)機和水泵中得到了廣泛應(yīng)用。但由于葉輪采用了整體式結(jié)構(gòu)，而葉片的形狀又是由機械中最難加工的復(fù)雜形狀扭曲曲面構(gòu)成的。所以其制造有很大的難度，被公認(rèn)為機械加工的“難點”，整體葉輪加工技術(shù)一直是工藝人員研究的課題之一。

　　隨著對葉輪氣動性能的要求不斷提高，整體葉輪形面部分日趨復(fù)雜，其制造需采用CAD/CAM技術(shù)，應(yīng)用五坐標(biāo)數(shù)控機床加工實現(xiàn)（圖1）。且因為刀具軌跡較為復(fù)雜，生成的數(shù)控程序也較長，手工計算費工費時，所以通常要借助于CAD/CAM系統(tǒng)軟件。為此需要選擇能滿足葉輪復(fù)雜幾何形狀三維造型功能和能夠生成高效率葉輪五軸加工NC程序的軟件系統(tǒng)，也就是要選擇合適的葉輪造型與加工支撐軟件，形成相應(yīng)的應(yīng)用和開發(fā)環(huán)境?，F(xiàn)在CAD/CAM軟件的種類較多，側(cè)重的功能與應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域亦有很大的不同，合理地選用一套系統(tǒng)支撐軟件，可以極大地提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

圖1 葉輪加工示意圖

　　CAD技術(shù)目前流行的技術(shù)基礎(chǔ)理論主要是以Pro/E為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC/I-DEAS為代表的變量化造型理論兩大流派，它們都屬于基于約束的實體特征造型技術(shù)。如今參數(shù)化及變量化設(shè)計思想和特征造型代表了當(dāng)今CAD技術(shù)的發(fā)展方向。

　　CAM技術(shù)是在數(shù)控機床廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。一般大型的CAD軟件如PRO/E，I-DEAS等均集成CAM，當(dāng)然也有專用的CAM軟件，比如HyperMill，PowerMill和EdgeCAM等。一般是CAD/CAM混合系統(tǒng)，較好地利用了CAD模型，以幾何信息作為最終的結(jié)果，自動生成加工刀路，系統(tǒng)的操作也更符合工程化概念。具有代表性的是Pro/E、NX等?；咎攸c是面向局部曲面的加工方式，表現(xiàn)為編程的難易程度與零件的復(fù)雜程度直接相關(guān)，而與產(chǎn)品的工藝特征、工藝復(fù)雜程度等沒有直接相關(guān)關(guān)系。在編程開發(fā)方面對人員的技術(shù)水平要求較高。目前新一代CAM系統(tǒng)如PowerMill和HyperMill等采用面向整體模型對象、面向工藝特征的基本處理方式，使系統(tǒng)的自動化水平、智能化程度大大提高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨立于CAD、CAPP系統(tǒng)而存在，為CAPP的發(fā)展留下空間，更符合網(wǎng)絡(luò)集成化的要求，代表了當(dāng)今CAM技術(shù)的發(fā)展方向。

2 典型CAD/CAM軟件的技術(shù)現(xiàn)狀及使用功能比較

　　CAD/CAM系統(tǒng)軟件種類很多，一般可分為集成型和單一功能型兩種。集成型CAD/CAM系統(tǒng)軟件提供了設(shè)計、分析、造型、數(shù)控編程及加工控制等多種模塊，功能比較完備；單一功能型支撐軟件只提供用于實現(xiàn)CAD/CAM中某些典型過程的功能。IDEAS、NX、Pro/E、CATIA等屬于集成型CAD/CAM軟件。這類軟件原來是以工作站和UNIX操作系統(tǒng)為支撐平臺，后來才移植到了微機Windows平臺上，屬于高端工作站CAD/CAM系統(tǒng)。而Solidworks、Solid Edge、Inventor/MDT、Cimatron、Mastercam等也屬于集成型CAD/CAM軟件，但其一開始就是基于PC的Windows平臺開發(fā)的，屬于中端三維CAD/CAM系統(tǒng)。單一功能型軟件常見的主要有Solid Edge，SurfCAM，PowerMill，HyperMill等。

　　Cimatron的2D和3D模塊都是自己開發(fā)的，建立了統(tǒng)一的模型，可以實現(xiàn)2D與3D的相關(guān)圖形變換，無縫集成。CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)可向用戶提供2D、3D、CAM2～5軸加工、CAE、PDM與多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口、用戶開發(fā)工具等50多個軟件包。為貫穿設(shè)計和制造全過程的集成化系統(tǒng)。

　　NX是一套高階CAD/CAM系統(tǒng)。NX采用復(fù)合式建模，即將參數(shù)化設(shè)計與傳統(tǒng)的實體、曲面和線框功能結(jié)合在一起，設(shè)計者可依工作的需求選擇最適合的建模方式。NX提供高效能的曲面建構(gòu)能力，能夠完成復(fù)雜的造型設(shè)計。

　　另一款軟件產(chǎn)品Solid Edge是專門為機械行業(yè)設(shè)計的普及型CAD軟件。采用“流”技術(shù)，使其非常易于學(xué)習(xí)和使用；是PLM系統(tǒng)的一個分支，能與NX無縫集成；Solid Edge基于PC Windows系統(tǒng)開發(fā)，屬于中端三維CAD系統(tǒng)；與MS-Office和MS-OLE技術(shù)兼容，使用CAD系統(tǒng)時，能夠進行Windows下的字處理、電子報表、數(shù)據(jù)庫、演示和電子郵件等，也能與其他OLE兼容系統(tǒng)集成。

　　Pro/E軟件采用全參數(shù)化造型技術(shù)，比較適合于零件相對簡單、裝配部件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計。Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的，這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)?；谔卣鞯膮?shù)化造型技術(shù)使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易地進行修改。它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。

　　CATIA源于航空航天業(yè)，是法國Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，其最新版本和IBM合作開發(fā)。Dassault Aviation是世界著名的航空航天企業(yè)，其產(chǎn)品以幻影2000和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機最為著名。CATIA也是采用的復(fù)合建模技術(shù)，是世界上最早的三維曲面造型CAD/CAM軟件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在世界上有超過13000的用戶選擇了CATIA。CATIA的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。

　　SolidWorks軟件于1995年問世，是一個在微機平臺上運行的通用機械設(shè)計CAD軟件，是一個很實用的CAD系統(tǒng)，適合于廣大中小企業(yè)使用。整個軟件在Windows下開發(fā)，充分利用了Windows圖形用戶界面的優(yōu)勢，簡單、易學(xué)，便于掌握。符合Windows標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，可以集成到Solidworks軟件中，從而為用戶提供了一體化的解決方案。

　　Mastercam軟件是美國CNC Software公司開發(fā)的基于PC平臺的CAD/CAM系統(tǒng)。誕生于1984年，具有良好的性能價格比，是工業(yè)界及學(xué)校廣泛采用的CAD/CAM系統(tǒng)。Mastercam價位適中，對于廣大的中小企業(yè)來說是理想的選擇，裝機量為同類軟件第一位。在我國，由于Mastercam軟件特別適合我國目前企業(yè)的經(jīng)濟及技術(shù)實力，所以具有廣大的用戶。Mastercam不如工作站軟件功能全、模塊多，但對硬件的要求不高，且操作靈活，易學(xué)易用。

　　SurfCAM是歐美等國家在制造業(yè)領(lǐng)域流行的CAM軟件，由美國Surfware軟件公司開發(fā)，是一種既可在工作站上使用又可運行在微機環(huán)境下的計算機輔助制造軟件。適用于各類中小生產(chǎn)規(guī)模制造企業(yè)，價格便宜，易學(xué)易用。

　　EdgeCAM是由英國Pathtrace公司在Windows平臺上開發(fā)的CAM軟件。也是比較適用于中小企業(yè)的一款軟件產(chǎn)品。EdgeCAM軟件直接針對實體模型進行編程，其兼容性較好。EdgeCAM具有廣泛的加工應(yīng)用范圍，其最突出的特點就是支持車銑復(fù)合加工。EdgeCAM的后處理界面友好，操作簡單，可由用戶自己完成后處理的配置，無需軟件供應(yīng)商專門定制。

　　英國Delcam公司的PowerMILL軟件是CAM技術(shù)最具代表性的加工軟件。PowerMILL采用基于特征加工(Form Feature Macluning)的技術(shù)，可以拾取加工模型的各個空間特征，然后自動生成簡捷的刀具路徑，并自動生成相應(yīng)的工藝方案和加工程序，從而大大地提高了加工和編程的效率。當(dāng)今大多數(shù)曲面CAM系統(tǒng)在功能上及結(jié)構(gòu)上屬于混合型CAD/CAM系統(tǒng)，無法滿足設(shè)計與制造相分離的結(jié)構(gòu)要求。而PowerMILL是獨立運行的、智能化的三維復(fù)雜形體加工CAM系統(tǒng)，實現(xiàn)了CAD與CAM相分離，并在網(wǎng)絡(luò)下實現(xiàn)系統(tǒng)集成，更符合生產(chǎn)過程的自然要求，代表著CAM技術(shù)最新的發(fā)展方向。PowerMILL提供完善而豐富的加工策略，與常規(guī)軟件相比，可縮短85%的刀具路徑計算時間，編程操作的難易程度與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，對操作者無經(jīng)驗要求。

　　HyperMILL是適合當(dāng)代機床最新進展的CAM系統(tǒng)。HyperMILL是真正意義上的5軸CAM產(chǎn)品，其特色是5軸加工模組。除了常規(guī)產(chǎn)品加工的模組外，還有一些專用的模組，如彎管模組；葉片、葉輪等航空航天專用模組等。HyperMILL也是一個基于特征加工的CAM軟件，在航空航天的葉輪、葉片的加工方面，與常規(guī)的CAM相比，HyperMILL可提高80%的編程和加工效率。

3 葉輪造型與加工對支撐軟件的技術(shù)要求

　　整體葉輪加工時毛坯采用鍛壓件，然后車削成為葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀，再在五軸加工中心上將輪轂與葉片一次加工完成。采用數(shù)控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體葉輪CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　在選擇支撐軟件時，必須要能滿足圖2中所示的各項要求。除操作使用方便外，還要考慮到CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　CAD功能，應(yīng)能設(shè)計制作出既滿足設(shè)計使用要求又適合CAM加工的零件模型；應(yīng)具有參數(shù)化或變量化設(shè)計功能，采用特征造型技術(shù)；集成化多個功能模塊。

　　CAM采用面向?qū)ο?、面向工藝特征的編程技術(shù)。主要考慮建立刀具路徑的難易程度和加工方法的多樣性；提供交互式編程并產(chǎn)生加工軌跡的方法。

4 葉輪CAD/CAM軟件系統(tǒng)的選擇

　　按照以上技術(shù)要求，對國內(nèi)常用的三維CAD/CAM軟件的建模特點和CAM性能進行比較。在CAD建模方面，從造型理論上來說，CATIA和NX是復(fù)合建模，其本質(zhì)上屬于實體造型技術(shù)。CATIA技術(shù)本身已相對落后。但其龐大用戶群的巨大慣性以及由IBM提供的強有力系統(tǒng)集成支持，使得它依然排在CAD行業(yè)前列。NX軟件采用基于特征的建模技術(shù)，建模過程仿真零件的加工過程，并著重在曲面技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展CAM技術(shù)；SolidWorks相對于其他軟件在功能上較弱，因此主要用在產(chǎn)品不很復(fù)雜的中小企業(yè)和在相關(guān)高等院校中作為教學(xué)軟件使用。Pro/E采用的是參數(shù)化建模技術(shù)。它主要的優(yōu)點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。然而一旦所設(shè)計的零件形狀過于復(fù)雜時，面對滿屏幕的尺寸，如何改變這些尺寸以達到所需要的形狀就很不直觀。如在設(shè)計中關(guān)鍵形體的拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變，失去了某些約束的幾何特征也會造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。I-DEAS Master Series軟件是基于變量化的實體造型技術(shù)的大型CAD/CAE軟件，從造型理論上來說，是所有CAD軟件中最先進的。

　　由此可見，葉輪造型的CAD系統(tǒng)主要從Pro/E和NX兩種軟件中選擇。在建模方面，NX為復(fù)合建模，可以局部參數(shù)化，對于模型的更新有利，其綜合能力很強大，主要適合于建立大型的、復(fù)雜的模型。Pro/E強調(diào)的是全相關(guān)設(shè)計，完全參數(shù)化，進行小的設(shè)計可以，大的模型（飛機，汽車）在更新時就顯得比較吃力，而且其刷新時間也會影響設(shè)計時的思路。主要適合于快速建立較為簡單的模型。曲面造型方面，同Pro/E比較，NX的曲面功能非常強大。NX不僅提供更為豐富的曲面構(gòu)造工具，而且可以通過一些參數(shù)（在Pro/E中相對少一些）來控制曲面的精度、形狀。另外，NX的曲面分析工具也極其豐富，模型渲染功能比Pro/E強得多。而Pro/E在草圖功能上很強大，非NX所能比。如果所從事的設(shè)計沒有太多的曲面造型，使用Pro/E會比較有靈活性。反之，如果葉輪造型中的曲面比較復(fù)雜，可以選用NX軟件進行建模應(yīng)用。

　　在CAM方面，用于數(shù)控銑削加工編程的CAM軟件平臺較多，比較常用的有NX、CATIA、Pro/E、Mastercam、Cimatron、Surfcam、PowerMILL等。數(shù)控三軸銑削編程上，各平臺的基本功能都差不多，都能滿足要求，但在五軸銑削編程、刀具軸矢量控制與后處理程序開發(fā)等方面還是存在較大差別的。葉輪加工與編程主要涉及五軸連續(xù)加工，因此，軟件的選擇就要偏重于五軸功能的強弱。由于五軸加工時產(chǎn)品的復(fù)雜性和刀具軸控制的靈活性和多樣性，導(dǎo)致五坐標(biāo)聯(lián)動加工編程的難度和復(fù)雜性較大。常見的各個CAM平臺用于五軸數(shù)控銑削編程時，一般均能滿足需求，主要依賴于用戶的靈活應(yīng)用開發(fā)上。但是從用戶的使用經(jīng)驗上講，NX平臺在細(xì)節(jié)控制上更勝一籌，在刀具軸矢量控制方面表現(xiàn)得更加靈活，尤其是其提供的插補刀具軸矢量控制和順序銑削編程功能能夠使得用戶輕松地生成五坐標(biāo)聯(lián)動銑削刀具軌跡。后處理程序開發(fā)上NX的PostBuilder功能表現(xiàn)也更加突出。

　　然而NX是基于曲面的CAM系統(tǒng)，加工中涉及CAD的部分比較多，編程的難易程度與零件的復(fù)雜程度直接相關(guān)。對于葉輪這種復(fù)雜曲面模型，其編程難度相當(dāng)高，需要設(shè)置和考慮的參數(shù)很多，編程所需時間較長，對于編程人員的技術(shù)水平要求也很高。葉輪以單件小批生產(chǎn)為主，采用NX進行葉輪加工編程顯然是不現(xiàn)實的。應(yīng)該考慮采用面向整體模型對象、面向工藝特征的CAM系統(tǒng)。這方面有兩種選擇：一種是通用型CAM系統(tǒng)，這方面PowerMILL軟件可以勝任。PowerMILL提供完善而豐富的加工策略，清角方法多。而且PowerMILL操作簡單，計算刀路快。PowerMILL有很多適合復(fù)雜葉輪、葉片加工的連續(xù)5軸加工功能，及其他豐富的5軸刀軸控制方式，能很好地解決加工中刀軸干涉碰撞、優(yōu)化刀具路徑等問題，在加工葉輪等連續(xù)、平滑、復(fù)雜曲面方面更加簡單、安全。據(jù)測算，相同步距，相同目的刀路生成的程序，PowerMILL所用加工時長只是NX的60%左右。另一種可供選擇的是專用CAM系統(tǒng)。結(jié)合行業(yè)具體應(yīng)用而開發(fā)的專用CAM軟件，能抓住產(chǎn)品的關(guān)鍵問題最有效地提出解決方案，彌補了通用軟件的不足，減輕了工藝人員的負(fù)擔(dān)。這方面的軟件有NREC MAX-PAC和HyperMILL等。MAX-PAC是透平機械專用數(shù)控加工編程軟件包，長期以來一直被業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)為用于葉輪、葉盤、轉(zhuǎn)子等透平零件數(shù)控編程的卓越軟件產(chǎn)品。在全世界范圍的透平機械制造商，以及機床廠商等行業(yè)內(nèi)都享有極高的聲譽。MAX-PAC易學(xué)易用，可以顯著地減少用戶的編程和加工時間。HyperMILL的葉輪專用模組具有很高的智能性，使用者只要按照提示進行少量的設(shè)置即可得到葉輪從五軸粗加工到精加工的安全、高效率的刀具路徑?？梢源蠓忍岣呷~輪的編程和加工效率。

　　只是上述兩款軟件的價格較昂貴，其報價均在百萬元人民幣以上，而且使用時的限制也較多，影響了它們的普及。

5 結(jié)語

　　從以上分析可看出，有關(guān)的CAD/CAM軟件有很多種，不同的軟件有各自不同的特點。就葉輪加工來說，只有利用不同軟件各自的優(yōu)勢，幾種軟件混合使用，才能高質(zhì)、高效地加工出合格產(chǎn)品。

　　如果葉輪模型中沒有太多的曲面造型，使用Pro/E會比較有靈活性。反之，如果葉輪造型中的曲面比較復(fù)雜，可以選用NX軟件進行實體造型設(shè)計；加工時使用Delcam PowerMILL進行數(shù)控編程。充分發(fā)揮幾種軟件的優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。而且這幾種軟件價位適中，特別適合于我國制造業(yè)當(dāng)前的情況。另外，如果條件允許，數(shù)控編程還可以選擇葉輪加工專用軟件NREC MAX-PAC或HyperMILL等，以便更方便地進行葉輪的數(shù)控加工。