基于CAXA V2013的螺旋桨三维建模与多轴编程技术
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螺旋桨是指靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力的装置，或有两个或较多的叶与毂相连，叶向后的一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。螺旋桨分为很多种，应用十分广泛，如飞机、轮船等。螺旋桨模型的工程图如图1所示，以国产CAD/CAM软件CAXA制造工程师2013为例，其建模、编程具体操作如下。
一、图样分析
如图1所示，该螺旋桨由中间的毂与3个螺旋叶片组成。其中，中间的毂由圆柱、半椭球等组成；螺旋叶片是基于螺距80mm、圈数0.7mm、半径65mm的螺旋线两边偏置1mm的两叶片曲线与螺距80mm、圈数0.7mm、半径21.5mm的螺旋线两边偏置3.5mm的两叶片曲线而形成的三维直纹螺旋曲面，结合caxa软件建模可得螺旋叶片的叶片曲线是由半径65mm螺旋线与半径21.5mm螺旋线组成的直纹螺旋面向两边等距1mm与等距3.5mm后形成的等距面上的边界曲线；螺旋叶片的端部倒圆角R25mm，与中间毂倒圆角R7.5mm，叶片外部轮廓倒圆角R1mm。
螺旋桨模型的加工依据其加工部位、模型构建过程与装夹方式可简单划分为以下几个部分：①螺旋桨底部的加工；②螺旋桨整体开粗；③顶部曲面（椭球面）精加工；④叶片外部边沿R25mm、R7.5mm和R1mm倒圆角加工；⑤叶片精加工；⑥叶片底部边沿R7.5mm倒圆角加工；⑦叶片中间柱面槽精加工；⑧R6mm倒圆角加工。
二、螺旋桨三维模型构建
螺旋桨的三维模型构建步骤主要由中间基础模型、叶片模型与模型细节处理（倒角、过渡）3个部分组成。根据螺旋桨模型工程图（图1）完成螺旋桨三维建模，具体创建和操作如下。
1.中间基础模型构建
在X-Z平面建立基础模型草图，应用软件二维绘图功能【直线】和【椭圆】完成草图绘制；使用【旋转增料】完成回转体模型构建，选择【打孔】功能完成中间基础模型的构建，如图2所示。
2.叶片模型构建
（1）螺旋线绘制。
由螺旋线的基本参数p=80，n=0.7，r=65与p=80，n=0.7和r=21.5，可得螺旋线在直角坐标系中的参数方程与螺旋线的取值范围为：
；
。
应用【公式曲线】功能绘制两螺旋线，如图3所示。
（2）叶片曲线构建。
使用【直纹面】生成叶片中间曲面（图4a）；应用【等距面】功能将叶片中间曲面向两边等距1mm，选择【相贯线曲面边界线】拾取等距曲面外侧边界，生成外侧r=65mm螺旋线的偏置曲线（图4b）；应用【等距面】功能将叶片中间曲面向两边等距3.5mm，选择【相贯线曲面边界线】拾取等距曲面内侧边界，生成内侧r=21.5mm螺旋线的偏置曲线（图4c）。
为防止内侧螺旋线偏置3 . 5 mm后形成的叶片曲线在φ43mm的圆柱面外部而导致的建模失败，此时，使用【直纹面】预先完成叶片辅助曲面构建，应用【曲面延伸】延伸功能将叶片曲面向φ43mm圆柱面内部延伸5mm左右，选择【相贯线曲面边界线】拾取曲面边界，直线连接曲面曲线，完成叶片曲线绘制。如图5所示。
（3）叶片建模。
应用【直纹面】完成单叶片曲面创建，使用【阵列圆形、均布】完成叶片曲面创建，通过【曲面加厚闭合曲面填充】选择单叶片曲面完成叶片建模。如图6所示。
3.模型细节处理
分析模型细节部分的成型次序，确定其操作过程为：底部1mm×45°倒角R6mm圆弧过渡6-R25mm圆弧过渡（为使此处光滑过渡，过渡面的“结束方式”选择为“保面方式”）叶片端面6-R7.5mm圆弧过渡叶片侧面6-R7.5mm圆弧过渡叶片外沿6-R1mm圆弧过渡。完成结果如图7所示。
三、五轴加工刀路设计
螺旋桨模型的加工根据其工艺特点确定加工工艺次序为：螺旋桨底部加工螺旋桨整体开粗叶片精加工中间毂的精加工。
1.螺旋桨底部加工
在模型底部建立加工坐标系， 设定加工毛坯为φ140mm×140mm圆柱体，应用三轴基础加工轨迹【平面区域粗加工】、【平面轮廓精加工】与【孔加工】，完成螺旋桨模型底部轮廓、孔及倒角加工。如图8所示。
2.螺旋桨整体开粗
（1）顶部区域开粗加工。
应用【等高线粗加工】对螺旋桨模型顶部区域进行三轴开粗加工，选择加工刀具为φ20mm立铣刀，设定加工高度范围为毛坯表面至叶片顶部R7.5mm倒角，设置加工参数，选择加工曲面，完成加工刀具轨迹创建。如图9所示。
（2）叶片槽开粗加工。
加工造型准备：在X-Z平面建立草图，位于叶片端面R7.5mm倒角边界处绘制除料草图（图10a）应用【拉伸除料】裁减实体模型（图10b）应用【实体表面】功能，选择叶片槽实体面，提取曲面，应用【相贯线】完成曲面边界曲线（图10c）【复制】叶片槽曲面、曲线，回复操作使螺旋桨模型处于完整状态，【粘贴】叶片槽曲面、曲线，通过【查询距离】、【平移复制】、【直纹面】等功能完成叶片槽曲面、曲面边界曲线创建（图10d）。
刀路轨迹创建：选择【五轴限制线】功能对叶片槽进行加工，选用加工刀具为φ12r6mm球头铣刀；在【加工参数】选项中设置“加工方式：往复”、“行进策略：行优先”、“加工顺序：标准”、“加工余量：0.5”、“加工精度：0.1”、“加工行距：3”（图11a）；在【连接参数】选项“起始/结束段”中设置“接近方式：从快速移动距离接近”、“返回方式：沿柱面中轴返回到安全距离”（图11b），对刀具在空切区域中的移动方式进行设置，选择“空切区域”设置“空切类型：圆柱面”，根据模型设置柱面参数（图11c）；在【刀轴控制】选项“控制策略”中设置“控制策略：刀轴背离点”（图11d），使用刀具摆角限制对刀具摆角进行限制，选择“限制刀轴在两个圆锥面内的角度范围：w1=90，w2=90”（图11e）；在【粗加工】选项“分层（1）”中使用粗加工功能，沿加工曲面法矢方向分层加工，设置粗加工“层数：9”、“间距：5”、“排列规则：按层”（图11f），使用旋转功能对加工刀具轨迹进行复制处理，选择“旋转”设置“拷贝个数：3”、“旋转起始角度：0”、“旋转角度：120”（图11g）；按状态栏提示拾取加工曲面选择两边的限制边界曲线，完成刀具轨迹创建（图11h）。
（3）R6mm圆角开粗加工。
加工造型准备：根据模型毛坯与加工刀具轨迹使用几何要素，应用毛坯外沿、φ43mm圆柱面与R6mm圆角采用【直纹面】完成加工模型。如图12所示。
刀路轨迹创建：选择【五轴侧铣加工2 】功能对R6mm圆角区域进行加工，选用加工刀具为φ12r6mm球头铣刀；在【加工参数】选项中设置“策略：按顶/底曲线同步；轴向补偿到底面；自动提取曲线”几何选择加工侧面与底面，并设定加工余量等（图13a）；在【区域参数】选项“分层/分行”中设置“分行”和“加工方式”等参数（图13b）；在【连接参数】选项“行间连接”中设置“小行间连接”方式为“沿曲面连接”（图13c）；完成刀具加工轨迹创建，如图13d所示。
3.叶片部分精加工
（1）叶片外部边沿倒圆角加工。
加工造型准备：应用【实体表面拾取表面】，选择叶片端面倒圆角R25mm、R7.5mm及外沿倒圆角R1mm等实体表面，提取叶片外部边沿加工曲面，使用【相贯线曲面边界线】生成曲面边界曲线，结果如图14所示。
刀路轨迹创建：选择【五轴限制线】功能对叶片外部边沿倒圆角进行加工，选用加工刀具为φ8r4mm球头铣刀；在【加工参数】选项中设置“加工余量：0”、“加工精度：0.01”、“加工行距：0.5”，其余【连接参数】、【刀轴控制】和【粗加工旋转】选项中的参数设置如图11所示；按状态栏提示拾取加工曲面选择两边的限制边界曲线完成刀具轨迹创建，结果如图15所示。
（2）叶片及底部圆角精加工。
加工造型准备：应用【实体表面】、【相贯线】和【直纹面】等功能完成加工模型，结果如图16所示。
叶片部分应用【五轴侧铣加工2 】功能加工，选用加工刀具为φ8r4mm球头铣刀；刀路轨迹参数设置如R6mm圆角开粗加工，选择加工侧面与底面完成刀具轨迹创建，应用【平面旋转】功能完成模型叶片部分；按照上述操作完成叶片正面与背面加工轨迹，结果如图17所示。
底部圆角部分应用【五轴限制面加工】功能加工，选用加工刀具为φ8r4mm球头铣刀；刀路轨迹参数【连接参数】、【刀轴控制】、【粗加工旋转】设置如叶片槽开粗加工中的【五轴限制线】；根据加工圆角曲面，合理选择、设置干涉曲面；按状态栏提示选择第一限制面（叶片曲面）选择第一限制面方向（朝向R7.5mm圆角圆心）选择第二限制面（中间圆柱面）选择第二限制面方向（朝向R7.5mm圆角圆心）拾取加工曲面选择加工曲面方向（朝向R7.5mm圆角圆心）；按照上述操作完成叶片正面与背面倒圆角部分加工轨迹，结果如图18所示。
4.中间毂部分精加工
顶部椭球面的加工应用【轮廓导动精加工】功能加工，选择加工刀具为φ8r4mm球头铣刀，按状态栏提示拾取轮廓曲线、选择方向拾取截面曲线、选择加工侧完成刀具轨迹创建；叶片中间柱面槽精加工应用【五轴限制面加工】功能加工，如叶片及底部R7.5mm圆角精加工；R6mm圆角精加工直接修改该处的粗加工刀具轨迹，【区域参数】选项“分层/分行”中设置“行数：1”，【连接参数】选项“缺省切入/切”中设置“切入：垂直相切圆弧”、“切出：相切圆弧”以及完成相切圆弧半径加工。如图19所示。
四、加工校验
应用软件实体仿真功能对创建的螺旋桨模型刀具轨迹进行模拟加工校验，经检查加工刀路轨迹无残留、过切，加工方案合理，验证结果如图20所示。
五、结语
零件的建模与编程相辅相成，合理、规范地完成零件模型构建是加工编程的关键所在。基于图样完成零件模型创建，通过按照零件模型成型情况进行加工编程，将建模工艺与加工工艺统一有机结合，如叶片是由直纹面构成，加工时可直接应用五轴侧铣功能完成加工，使建模与加工相吻合。