1 前言

　葉輪是壓縮機、透平機和泵等的核心部件，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)部流體的三元真實活動狀況而設(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上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、曲面誤差小、強度高等優(yōu)點。由于葉輪采取了整體式結(jié)構(gòu)，而葉片的外形又是機械加工中較難加工的復(fù)雜外形曲面構(gòu)成的，因此加工時軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時極易發(fā)生碰撞干涉，自動天生無干涉刀位軌跡較困難 。

　目前國外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標加工專用軟件，主要有美國葉輪制造公司NREC推出的專用軟件包：MAX-5，MAX-AB；瑞士Starrag生產(chǎn)的數(shù)控機床所帶的整體葉輪加工模塊，還有Hypermill等專用葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如：UG、CATIA、PRO/E、MasterCAM等也能用于整體葉輪的加工 。本文選用UG NX4.0對整體葉輪進行加工軌跡規(guī)劃。

  2 加工工藝及裝備分析

  2.1 加工工藝流程規(guī)劃

　葉輪的一般構(gòu)成形式是若干組葉片均勻分布在輪轂上，相鄰兩個葉片間構(gòu)成流道，葉片與輪轂的連接處有一個過渡圓角，使葉片與輪轂之間光滑連接。葉片曲面為直紋面或自由曲面。整體葉輪的幾何外形比較復(fù)雜，一般流道較狹窄且葉片扭曲程度大，輕易發(fā)生干涉碰撞。因此主要難點在于流道和葉片的加工，刀具空間、刀尖點位和刀軸方位要精確控制，才能加工到其幾何外形的每個角落，并使刀具公道擺動，避免發(fā)生干涉碰撞。

　葉輪加工首先由最初的毛坯——棒料、鑄造件或者鍛壓件采用車床進行外輪廓的車削加工，得到葉循環(huán)轉(zhuǎn)體的基本外形。通過對葉輪結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析，葉輪加工主要由粗加工葉片間流道（葉輪開粗）、流道曲面的半精加工、葉片精加工、流道精加工和倒圓部分的清根加工等工序組成。

  2.2 刀具選擇

　刀具剛性和幾何外形是葉輪加工刀具選擇的主要因素，在流道尺寸答應(yīng)的情況下盡可能采用大直徑的刀具。粗加工刀具一般選擇圓柱平底銑刀。精加工選擇錐柄球頭刀具，錐度有利于進步刀具的剛性，但錐度不宜太大，一般3~5度較合適 。為進步加工效率，在不發(fā)生碰撞干涉的情況下盡可能選用大直徑銑刀，并優(yōu)先選多刃銑刀。

  2.3 機床選擇

　加工整體葉輪可用五軸聯(lián)動的機床，還需考慮以下因素：機床各軸的最大行程、工作臺的擺動范圍、機床功率等。本文加工中使用的MIKRON UCP800 Duro五軸聯(lián)動加工中心為雙回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)，它帶有一個繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸和繞X軸擺動的A軸。UCP800 Duro配置了20000 r/min主軸，Heidenhain iTNC530數(shù)控系統(tǒng)。X軸行程：-400~400mm，Y軸行程：-320~330mm，Z軸行程：105~605mm，A軸擺動角度：-105~120度。

  3 葉輪加工編程

　UG NX提供了大量多坐標數(shù)控加工編程方法及刀軸控制方式，要選擇合適的加工方法，并留意公道選擇粗精加工余量、切削工藝參數(shù)如加工步距、加工深度、主軸轉(zhuǎn)速、機床進給率等，對于進步產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量是至關(guān)重要的。還要根據(jù)葉輪的幾何特征公道設(shè)置進退刀方式，從而避免過切和干涉。

  3.1 粗加工流道

　粗加工葉輪流道的過程中將往除大量材料，其考慮的重點是加工效率，要求大的進給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內(nèi)切除多的切屑。粗加工對表面質(zhì)量的要求不高，因此要公道規(guī)劃刀具路徑，進步粗加工效率。

　開粗加工時可以采用可變軸輪廓銑（Variable Contour），選擇流道面為零件面（Part Geometry）和驅(qū)動幾何面（Drive Geometry），葉片面和輪轂面為干涉檢查面。由于葉片高度較大，粗加工時可分層銑削，即給零件留不同的余量，可調(diào)整曲面百分比減少切削過程中的空走刀。

　開粗時也可采用型腔銑（Cavity Mill）。型腔銑以平面的切削層來切削材料，刀具在每層沿著幾何體的輪廓加工。由于開粗時余量大，可以選取兩個不同的方向進行開粗，留意選取方向時應(yīng)使加工范圍盡可能大，盡量往除多的材料。這種方法的加工效率高，但剩余的加工余量大且不規(guī)則，還需進行補加工，從而使余量均勻。

  3.2 流道曲面的半精加工

　半精加工流道時選擇可變軸輪廓銑（Variable Contour），選擇葉片間的流道曲面為部件幾何體，將整個葉輪部件選擇為檢查幾何體，驅(qū)動方式選擇為“曲面區(qū)域”。驅(qū)動幾何體與部件幾何體相同。

　由于整體葉輪相鄰葉片之間空間較窄，且葉片扭曲程度大，輕易發(fā)生干涉碰撞，因此刀具在流道內(nèi)要公道擺動，才能防止干涉。刀軸矢量可以選擇插補方式（Interpolate），這種方式可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具軸?？梢宰龀鍪噶靠刂凭€，添加或修改插補刀具數(shù)據(jù)點，在確定矢量方向時留意定義所需要的足夠多的矢量，使得擺動變得更加光順。留意驅(qū)動路徑方向應(yīng)指向外，若方向相反，點擊材料反向更正驅(qū)動路徑方向。刀軸插補矢量及產(chǎn)生的刀具路徑如圖1所示。

圖1 流道曲面的半精加工

  3.3 葉片精加工

　葉輪的葉片扭曲程度大且高度較高，葉片間流道間隔小，是體現(xiàn)加工復(fù)雜性的主要部分，因此需公道設(shè)置刀軸矢量，避免刀具與已加工葉片及其他葉片發(fā)生干涉。根據(jù)葉片型面特征，以刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標數(shù)控銑削加工葉片型面可分為“線接觸”（側(cè)銑法）和“點接觸”兩類成型方式 。

　對于可展直紋面葉輪，可用側(cè)銑法加工，即用圓柱銑刀的側(cè)刃銑削葉片曲面，刀軸控制方法為Swarf。側(cè)銑時一次走刀可將整個葉片加工完，精加工時間大為縮短，加工效率高，加工表面質(zhì)量好。

　對于自由曲面葉輪使用點接觸銑削，刀具在切削過程中始終保持刀刃與被加工曲面相切于一個點，銑刀按葉片流線方向連續(xù)運動，逐行走刀，終極加工出葉片曲面，是一種精確成型的加工方式。

　圖2為采用點接觸銑削時天生的刀具路徑。選擇可變軸輪廓銑（Variable Contour），驅(qū)動方式為“曲面區(qū)域”。選擇一個葉片面作為驅(qū)動幾何體，其他相鄰葉片和流道面作為檢查幾何體，刀軸可采用相對于驅(qū)動面（Relative to Drive），為避免刀具與葉片發(fā)生干涉，需公道設(shè)置前傾角和側(cè)傾角。步進方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

圖2 葉片精加工刀具路徑

  3.4 流道精加工

　流道精加工與流道半精加工基本相同，驅(qū)動方式為“曲面區(qū)域”，選擇葉片間的流道曲面為驅(qū)動幾何體，將整個葉輪部件選擇為檢查幾何體，步進方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

  3.5 葉片根部圓角清根

  對于葉片和輪轂連接處的過渡圓角的加工，選擇圓角面為驅(qū)動面，流道面、相鄰葉片面作為干涉檢查幾何體，刀軸采用相對于驅(qū)動（Relative to Drive）并留意設(shè)定公道的傾斜角度。天生的刀具路徑如圖3所示。也可采用朝向線（Toward Line）方式，有時只用一條控制線，還不能控制加工一個完整曲面，可能要選用幾條控制線。

圖3 葉片根部圓角清根加工刀具路徑

  3.6 后置處理

　后置處理主要任務(wù)是將天生的刀軌文件處理、轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床操縱系統(tǒng)可以接受的數(shù)控代碼文件。UG/Post Builder是與UG/CAM配合的后置處理功能模塊，提供了定義各軸運動關(guān)系、數(shù)控代碼結(jié)構(gòu)、機床空間幾何參數(shù)等功能。

　在UG/Post Builder中選擇機床的類型為雙轉(zhuǎn)臺五軸機床（5-Axis with Dual Rotary Tables），設(shè)置兩個轉(zhuǎn)動軸為A、C軸，設(shè)置MIKRON UCP800 Duro機床各軸的行程參數(shù)，確定工件坐標原點與機床坐標原點的關(guān)系以設(shè)定4th Axis Center to 5th Axis Center的值，并根據(jù)Heidenhain iTNC530系統(tǒng)的特點設(shè)置數(shù)控程序文件頭尾的格式等。

　應(yīng)用配置的后置處理對所編制的刀具軌跡文件進行后置處理，天生數(shù)控代碼文件。

  3.7 仿真驗證

  對于天生的數(shù)控代碼文件，應(yīng)通過UG NX的仿真模塊或Vericut軟件對刀軌進行反復(fù)仿真驗證，檢查干涉、過切等題目并及時修改。確認無誤后，還必須在機床上進行試切，調(diào)試切削的工藝參數(shù)，以便高效加工出合格的葉輪。

圖4 在Vericut中對刀具路徑進行仿真驗證

  4 結(jié)論

　UG NX作為通用軟件，能夠很好的完成葉輪零件的數(shù)控編程。本文利用UG NX軟件對整體葉輪進行了加工編程，公道選擇加工使用的刀具和機床，并針對流道和葉片的幾何特征確定刀軸的控制方式，天生加工軌跡，進行了仿真驗證，保證天生的刀具軌跡的正確性。最后通過MIKRON UCP800 Duro五軸聯(lián)動加工中心實現(xiàn)了葉輪零件的加工，加工過程平穩(wěn)，加工表面光潔度高，達到了預(yù)期的目標。