1 葉輪設計制造需采用CAD/CAM技術

　　葉輪是離心壓縮機等的核心部件。其加工質量的優劣對壓縮機的性能有著決定性的影響。20世紀80年代中期，在先進透平機械的結構設計中，出現了三元整體葉輪結構。三元葉輪是根據透平式流體機械內部流體的三元真實流動狀況而設計的，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，因其具有結構緊湊、曲面誤差小、強度高等優點，在現代航空發動機和流體機械中的壓縮機、鼓風機和水泵中得到了廣泛應用。但由于葉輪采用了整體式結構，而葉片的形狀又是由機械中最難加工的復雜形狀扭曲曲面構成的。所以其制造有很大的難度，被公認為機械加工的“難點”，整體葉輪加工技術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雜，其制造需采用CAD/CAM技術，應用五坐標數控機床加工實現（圖1）。且因為刀具軌跡較為復雜，生成的數控程序也較長，手工計算費工費時，所以通常要借助于CAD/CAM系統軟件。為此需要選擇能滿足葉輪復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，也就是要選擇合適的葉輪造型與加工支撐軟件，形成相應的應用和開發環境?，F在CAD/CAM軟件的種類較多，側重的功能與應用的工業領域亦有很大的不同，合理地選用一套系統支撐軟件，可以極大地提高工作效率，降低生產成本。

圖1 葉輪加工示意圖

　　CAD技術目前流行的技術基礎理論主要是以Pro/E為代表的參數化造型理論和以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。如今參數化及變量化設計思想和特征造型代表了當今CAD技術的發展方向。

　　CAM技術是在數控機床廣泛應用基礎上發展起來的。一般大型的CAD軟件如PRO/E，I-DEAS等均集成CAM，當然也有專用的CAM軟件，比如HyperMill，PowerMill和EdgeCAM等。一般是CAD/CAM混合系統，較好地利用了CAD模型，以幾何信息作為最終的結果，自動生成加工刀路，系統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，表現為編程的難易程度與零件的復雜程度直接相關，而與產品的工藝特征、工藝復雜程度等沒有直接相關關系。在編程開發方面對人員的技術水平要求較高。目前新一代CAM系統如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，使系統的自動化水平、智能化程度大大提高。系統結構獨立于CAD、CAPP系統而存在，為CAPP的發展留下空間，更符合網絡集成化的要求，代表了當今CAM技術的發展方向。

2 典型CAD/CAM軟件的技術現狀及使用功能比較

　　CAD/CAM系統軟件種類很多，一般可分為集成型和單一功能型兩種。集成型CAD/CAM系統軟件提供了設計、分析、造型、數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。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平臺開發的，屬于中端三維CAD/CAM系統。單一功能型軟件常見的主要有Solid Edge，SurfCAM，PowerMill，HyperMill等。

　　Cimatron的2D和3D模塊都是自己開發的，建立了統一的模型，可以實現2D與3D的相關圖形變換，無縫集成。CAD/CAM/CAE集成系統可向用戶提供2D、3D、CAM2～5軸加工、CAE、PDM與多種數據轉換接口、用戶開發工具等50多個軟件包。為貫穿設計和制造全過程的集成化系統。

　　NX是一套高階CAD/CAM系統。NX采用復合式建模，即將參數化設計與傳統的實體、曲面和線框功能結合在一起，設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能力，能夠完成復雜的造型設計。

　　另一款軟件產品Solid Edge是專門為機械行業設計的普及型CAD軟件。采用“流”技術，使其非常易于學習和使用；是PLM系統的一個分支，能與NX無縫集成；Solid Edge基于PC Windows系統開發，屬于中端三維CAD系統；與MS-Office和MS-OLE技術兼容，使用CAD系統時，能夠進行Windows下的字處理、電子報表、數據庫、演示和電子郵件等，也能與其他OLE兼容系統集成。

　　Pro/E軟件采用全參數化造型技術，比較適合于零件相對簡單、裝配部件結構比較復雜的產品設計。Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的，這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據?；谔卣鞯膮祷煨图夹g使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素，并且可以按預先設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，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。Dassault Aviation是世界著名的航空航天企業，其產品以幻影2000和陣風戰斗機最為著名。CATIA也是采用的復合建模技術，是世界上最早的三維曲面造型CAD/CAM軟件。經過幾十年的發展，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。

　　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計CAD軟件，是一個很實用的CAD系統，適合于廣大中小企業使用。整個軟件在Windows下開發，充分利用了Windows圖形用戶界面的優勢，簡單、易學，便于掌握。符合Windows標準的應用軟件，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公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM系統。誕生于1984年，具有良好的性能價格比，是工業界及學校廣泛采用的CAD/CAM系統。Mastercam價位適中，對于廣大的中小企業來說是理想的選擇，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的經濟及技術實力，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，易學易用。

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

　　EdgeCAM是由英國Pathtrace公司在Windows平臺上開發的CAM軟件。也是比較適用于中小企業的一款軟件產品。EdgeCAM軟件直接針對實體模型進行編程，其兼容性較好。EdgeCAM具有廣泛的加工應用范圍，其最突出的特點就是支持車銑復合加工。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，無需軟件供應商專門定制。

　　英國Delcam公司的PowerMILL軟件是CAM技術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，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。當今大多數曲面CAM系統在功能上及結構上屬于混合型CAD/CAM系統，無法滿足設計與制造相分離的結構要求。而PowerMILL是獨立運行的、智能化的三維復雜形體加工CAM系統，實現了CAD與CAM相分離，并在網絡下實現系統集成，更符合生產過程的自然要求，代表著CAM技術最新的發展方向。PowerMILL提供完善而豐富的加工策略，與常規軟件相比，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雜程度無關，對操作者無經驗要求。

　　HyperMILL是適合當代機床最新進展的CAM系統。HyperMILL是真正意義上的5軸CAM產品，其特色是5軸加工模組。除了常規產品加工的模組外，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。采用數控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統結構如圖2所示。

圖2 整體葉輪CAD/CAM系統結構圖

　　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技術的發展趨勢。

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

　　CAM采用面向對象、面向工藝特征的編程技術。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生加工軌跡的方法。

4 葉輪CAD/CAM軟件系統的選擇

　　按照以上技術要求，對國內常用的三維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是復合建模，其本質上屬于實體造型技術。CATIA技術本身已相對落后。但其龐大用戶群的巨大慣性以及由IBM提供的強有力系統集成支持，使得它依然排在CAD行業前列。NX軟件采用基于特征的建模技術，建模過程仿真零件的加工過程，并著重在曲面技術的基礎上發展CAM技術；SolidWorks相對于其他軟件在功能上較弱，因此主要用在產品不很復雜的中小企業和在相關高等院校中作為教學軟件使用。Pro/E采用的是參數化建模技術。它主要的優點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。然而一旦所設計的零件形狀過于復雜時，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。如在設計中關鍵形體的拓撲關系發生改變，失去了某些約束的幾何特征也會造成系統數據混亂。I-DEAS Master Series軟件是基于變量化的實體造型技術的大型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系統主要從Pro/E和NX兩種軟件中選擇。在建模方面，NX為復合建模，可以局部參數化，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、復雜的模型。Pro/E強調的是全相關設計，完全參數化，進行小的設計可以，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造工具，而且可以通過一些參數（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雜，可以選用NX軟件進行建模應用。

　　在CAM方面，用于數控銑削加工編程的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。由于五軸加工時產品的復雜性和刀具軸控制的靈活性和多樣性，導致五坐標聯動加工編程的難度和復雜性較大。常見的各個CAM平臺用于五軸數控銑削編程時，一般均能滿足需求，主要依賴于用戶的靈活應用開發上。但是從用戶的使用經驗上講，NX平臺在細節控制上更勝一籌，在刀具軸矢量控制方面表現得更加靈活，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聯動銑削刀具軌跡。后處理程序開發上NX的PostBuilder功能表現也更加突出。

　　然而NX是基于曲面的CAM系統，加工中涉及CAD的部分比較多，編程的難易程度與零件的復雜程度直接相關。對于葉輪這種復雜曲面模型，其編程難度相當高，需要設置和考慮的參數很多，編程所需時間較長，對于編程人員的技術水平要求也很高。葉輪以單件小批生產為主，采用NX進行葉輪加工編程顯然是不現實的。應該考慮采用面向整體模型對象、面向工藝特征的CAM系統。這方面有兩種選擇：一種是通用型CAM系統，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有很多適合復雜葉輪、葉片加工的連續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、優化刀具路徑等問題，在加工葉輪等連續、平滑、復雜曲面方面更加簡單、安全。據測算，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。結合行業具體應用而開發的專用CAM軟件，能抓住產品的關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擔。這方面的軟件有NREC MAX-PAC和HyperMILL等。MAX-PAC是透平機械專用數控加工編程軟件包，長期以來一直被業內人士公認為用于葉輪、葉盤、轉子等透平零件數控編程的卓越軟件產品。在全世界范圍的透平機械制造商，以及機床廠商等行業內都享有極高的聲譽。MAX-PAC易學易用，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 結語

　　從以上分析可看出，有關的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勢，幾種軟件混合使用，才能高質、高效地加工出合格產品。

　　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雜，可以選用NX軟件進行實體造型設計；加工時使用Delcam PowerMILL進行數控編程。充分發揮幾種軟件的優勢，在實際應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當前的情況。另外，如果條件允許，數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控加工。