葉輪類(lèi)零件是一類(lèi)具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類(lèi)復(fù)雜零件，它在能源動(dòng)力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)中均有廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉輪、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器葉輪、水泵及壓縮機(jī)葉輪等。這類(lèi)零件形狀特征明顯。工作型面的設(shè)計(jì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對(duì)其性能參數(shù)都有很大影響。傳統(tǒng)的葉輪生產(chǎn)一般采用鑄造成型后修光的方法，但是隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，葉輪類(lèi)零件工作面形狀日趨復(fù)雜，模具制造的難度比較大，工藝過(guò)程復(fù)雜，制造成本高，葉片精度難以保證，而且葉片的表面光潔度差，容易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生氣蝕，葉輪的動(dòng)平衡性能差。

　　整體式葉輪的加工是指輪廓和葉片在同一毛坯體上進(jìn)行的整體加工，而不采用葉片加工成形后焊接在輪廓上的工藝方法，所以在加工中有很大的難度，被公認(rèn)為機(jī)械加工的難點(diǎn)。五坐標(biāo)機(jī)床功能強(qiáng)大、加工效率高、質(zhì)量好，受到制造業(yè)內(nèi)人士的青睞。

　　五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床雖然能很好地加工整體式葉輪，加工質(zhì)量也能滿(mǎn)足要求，但是加工工藝要涉及車(chē)床和銑床，工序分散，這樣就影響了葉片加工的質(zhì)量和加工效率。現(xiàn)代車(chē)銑復(fù)合設(shè)備提高了工藝的有效性，由于零件在整個(gè)加工過(guò)程中的裝夾定位簡(jiǎn)單、定位基準(zhǔn)不變、粗加工手段多樣和排屑方便等優(yōu)點(diǎn)，加工的精度更容易獲得保證，同時(shí)大大縮短了生產(chǎn)過(guò)程鏈。車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的發(fā)展，也對(duì)CAM軟件提出了更多的要求。復(fù)雜的車(chē)銑復(fù)合設(shè)備用傳統(tǒng)的手工編程是很難實(shí)現(xiàn)的，并且效率很低；很多傳統(tǒng)的以銑削為發(fā)展方向的CAM軟件也無(wú)法完成此類(lèi)型的編程，而EdgeCAM軟件順應(yīng)機(jī)床的發(fā)展形勢(shì)，支持多主軸、多刀塔的車(chē)銑復(fù)合設(shè)備。EdgeCAM提供了眾多智能的加工策略，從簡(jiǎn)單的輪廓加工到復(fù)雜的曲面加工；從車(chē)削外形到車(chē)銑復(fù)合加工；從投影加工到殘料加工、清根加工、等粗糙度加工等數(shù)十種加工策略可供選擇。使得任何復(fù)雜零件的編程操作都游刃有余。無(wú)論是計(jì)算生成刀具路徑的速度還是刀具路徑優(yōu)化的手段，都處處體現(xiàn)出高效率的本質(zhì)。特別是隨著機(jī)械加工的發(fā)展，車(chē)銑復(fù)合加工的優(yōu)勢(shì)逐漸被人們所重視，在這一領(lǐng)域中，EdgeCAM的高級(jí)車(chē)銑模塊可以適應(yīng)多軸車(chē)銑復(fù)合編程工作。

1 整體葉輪的分析

　　整體葉輪作為透平機(jī)械的關(guān)鍵零件，經(jīng)常運(yùn)行于高轉(zhuǎn)度情況下，對(duì)制造水平的要求非常高，制造質(zhì)量對(duì)葉輪的性能有著重要的影響。為了獲得理想的動(dòng)力學(xué)特性，整體葉輪葉片大都采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于加工非常困難。同時(shí)，葉片曲面制造質(zhì)量要求非常高，葉輪葉片又比較薄，制造中會(huì)出現(xiàn)大量的工藝問(wèn)題，因此要制造出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的葉輪，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝作保證。

　　1.1 圖樣分析

　　整體葉輪主要由葉片、輪轂兩部分組成，如圖1所示，其中葉片和輪轂交界處（即葉根），常加工為變圓角過(guò)渡。文中試加工的整體葉輪有10片葉片，葉輪直徑為200mm，葉輪高度120mm，出口葉片高度15mm，葉輪進(jìn)口直徑114mm，進(jìn)口葉片高度30mm，葉片厚度最薄處3mm，相鄰葉片間最小間距為18mm。

　　1.2 整體葉輪加工難點(diǎn)

　　為了使葉輪滿(mǎn)足氣動(dòng)性能要求，葉輪常采用了大扭角，根部變圓角等結(jié)構(gòu)，這給葉輪的加工提出了更高的要求，整體葉輪加工難度如下：

　　(1)整體葉輪加工槽道變窄，而葉片相對(duì)較長(zhǎng)，相對(duì)剛度低，是一種典型的薄壁類(lèi)零件，加工過(guò)程中易發(fā)生變形，使得整體葉輪加工難度增加。

　　(2)在葉片距最窄處葉片深度30mm，相鄰葉片最小間距18mm，在小刀徑情況下，刀具剛性差，容易斷，控制切削深度也是關(guān)鍵。

　　(3)此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片有扭曲，并且有后仰的趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。因此，為了加工合格的整體葉輪，必須綜合考慮此整體葉輪的葉片薄壁、大扭角、小刀徑的特點(diǎn)，為規(guī)劃出一套合理的加工方案做好準(zhǔn)備。

2 整體葉輪的加工工藝方案

　　2.1 車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床

　　車(chē)銑復(fù)合加工設(shè)備應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，除可以應(yīng)用于某些產(chǎn)品的大批量加工場(chǎng)合之外，對(duì)于一些小批量或單件的生產(chǎn)，車(chē)銑復(fù)合加工設(shè)備也大有用武之地，因其具有至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的控制能力，使其應(yīng)用范圍得以擴(kuò)展，甚至可以替代多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心的工作。

　　車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床，可以通過(guò)雙刀架的同步操作來(lái)完成零件的多個(gè)工序加工，同一個(gè)工件由于有多種加工工序，在利用計(jì)算機(jī)輔助加工軟件完成零件編程的同時(shí)，可以通過(guò)工序的優(yōu)化，在加工條件允許的前提下，盡量使兩個(gè)刀架同時(shí)處于工作狀態(tài)，無(wú)疑可以有效地縮短加工時(shí)間。

　　車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床一般有普通的C&Y車(chē)銑設(shè)備和具有B軸功能的高端車(chē)銑設(shè)備，普通的C&Y車(chē)銑設(shè)備通過(guò)X，Y，C三軸聯(lián)動(dòng)來(lái)完成型面的加工，對(duì)具有B軸功能的高端車(chē)銑設(shè)備來(lái)說(shuō)，通過(guò)B軸擺角定位加工或者X，Y，Z，B和C五軸加工，可以獲得更好的加工表面質(zhì)量。

　　實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床是從日本馬扎克(MAZAK)公司進(jìn)口的車(chē)銑復(fù)合加工機(jī)床INTECREX-1001V，它具有雙主軸雙刀架，X，Y，Z，B和C五軸可聯(lián)動(dòng)。

　　2.2 確定整體葉輪加工工藝

　　針對(duì)數(shù)控加工工藝規(guī)劃的一般步驟，擬定出整體葉輪初步加工工藝方案，然后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后得到的加工工藝過(guò)程。

3 整體葉輪CAM及仿真

　　整體葉輪的幾何形狀比較復(fù)雜，流道狹窄、葉片薄且彎曲程度大，極易發(fā)生碰撞干涉，因此，其加工軌跡規(guī)劃的主要難點(diǎn)體現(xiàn)于流道開(kāi)槽粗、精加工和葉片型面加工。

　　EdgeCAM提供了大量的多軸車(chē)銑復(fù)合加工的方法，其中包括C&Y車(chē)銑、B軸加工、雙刀塔加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等方法。

　　3.1 葉輪基本回轉(zhuǎn)體車(chē)削加工

　　EdgeCAM提供了非常方便的雙刀塔加工。將棒料加工成過(guò)渡毛坯時(shí)，首先進(jìn)入車(chē)削加工環(huán)境，用上刀架加工右端面；再將當(dāng)前刀架切換至下刀架，進(jìn)行雙刀架粗車(chē)外圓，上、下刀架加工的工序圖加工出過(guò)渡毛坯。 

　　3.2 葉輪流道開(kāi)槽粗加工和精加工軌跡規(guī)劃

　　流道開(kāi)槽粗加工過(guò)程去除主要加工余量，直接影響著精加工的效率和質(zhì)量，提高開(kāi)粗加工的效率和質(zhì)量對(duì)整個(gè)葉輪的加工具有重要意義。葉輪流道部分的加工余量并不隨著葉輪型線(xiàn)均勻分布，切削過(guò)程中切削深度不斷變化，刀具受力變化較為劇烈，大大縮短了刀具壽命，降低了加工質(zhì)量，這需要合理規(guī)劃加工軌跡。流道開(kāi)粗加工通常需分成若干層漸進(jìn)開(kāi)粗。根據(jù)葉片型面的向分割流道區(qū)域，可使粗加工的各層厚度比較均勻，加工過(guò)程穩(wěn)定。

　　EdgeCAM提供的多軸加工中的五軸加工，加工策略選用通過(guò)兩個(gè)曲面合成，這是加工兩個(gè)葉片之間底面最理想的加工方法；刀軸的控制選用指定曲線(xiàn)控制的方法，該方法最適合葉輪底面和葉根加工中的刀軸控制，可以讓刀軸始終位于一條指定的曲面上。圖5是一個(gè)流道槽的粗加工刀軌，再利用【編輯】【轉(zhuǎn)換】【旋轉(zhuǎn)纏繞】命令，來(lái)復(fù)制其他的流道槽的加工路徑。精加工采用同樣的加工方法。

　　3.3 葉片粗、精加工

　　根據(jù)葉片曲面是關(guān)于葉輪中心軸的非可展直紋面這一特點(diǎn)，為滿(mǎn)足葉片表面粗糙度的要求，葉片表面采用側(cè)刃順銑一次成形法。這里采用五軸側(cè)刃銑的加工方法，沿著葉片的方向順銑，對(duì)葉盆、進(jìn)氣口圓角、葉背連續(xù)進(jìn)行加工。 

　　3.4 仿真驗(yàn)證和試切加工

　　葉輪編程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在刀具軌跡編制好之后，應(yīng)通過(guò)EdgeCAM仿真或者Vericut軟件對(duì)刀軌進(jìn)行反復(fù)仿真驗(yàn)證，檢查過(guò)切、欠切等問(wèn)題，并及時(shí)修改，葉輪仿真加工結(jié)果。在確認(rèn)無(wú)誤的情況之下，還必須在機(jī)床上進(jìn)行試切，試切一般先切出一個(gè)完整的流道和一對(duì)葉片。試切不但檢查數(shù)控程序的問(wèn)題，還要調(diào)試切削的一些工藝參數(shù)，以便高效加工出合格的整體葉輪。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　整體葉輪在EdgeCAM環(huán)境下用車(chē)銑復(fù)合加工過(guò)渡毛坯，葉輪流道開(kāi)槽和葉片加工操作都非常簡(jiǎn)單。雙刀架的使用，有效地縮短單件加工時(shí)間，顯著地提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還減少工件的振動(dòng)；車(chē)、銑在同一個(gè)機(jī)床上完成，使加工工序更加集中，避免了零件的多次拆裝從而獲得更高的位置精度；通過(guò)實(shí)體加工仿真，可以檢查刀具、工件和夾具在加工過(guò)程中是否發(fā)生碰撞。這些可以提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大方便。