作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，整體式葉輪廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的動(dòng)力性能和機(jī)械效率，數(shù)控加工是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的加工整體三元葉輪的方法。整體葉輪的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：① 三元整體葉輪的形狀復(fù)雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面；② 整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上設(shè)有半徑的減小通道越來(lái)越窄，因此加工葉輪葉片曲面時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉；③刀位規(guī)劃時(shí)的約束條件多，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加]二專(zhuān)用軟件，如美國(guó)NREC 公司的MAX25，MAX2AB葉輪加工專(zhuān)用軟件等。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多數(shù)采用國(guó)外大型CAD／cAM 軟件，如UG NX、CATIA、MasterCAM 等來(lái)加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的UG NX6.0對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究。

1 整體葉輪數(shù)控加工工藝

　　根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求(如圖1)，其基本加工工藝流程為：① 在鍛壓鋁材上車(chē)削加T回轉(zhuǎn)體的基本形狀；② 外型整體粗加工；③ 流道粗加工；④ 葉片精加T； ⑤ 對(duì)底部倒圓進(jìn)行清根。

2 機(jī)床準(zhǔn)備

　　DMU-100T 是從德國(guó)DMG 公司引進(jìn)的一臺(tái)全閉環(huán)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，采用主軸擺動(dòng)+圓工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。行程參數(shù)為：X軸1 080 IT／ITI，y軸719 mm，Z軸710 mm，／3軸(主軸擺動(dòng))103，C軸(工作臺(tái)旋轉(zhuǎn))360。該機(jī)床具有轉(zhuǎn)速高、聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、在軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)成熟的特點(diǎn)。機(jī)床控制系統(tǒng)果用HEIDENHAIN iTNC 520 系統(tǒng)。利用UG Post Builder軟件構(gòu)建DMU-100T、機(jī)味專(zhuān)用的開(kāi)置理。

3 刀具的選擇

　　為提高加工效率，存進(jìn)行流道開(kāi)粗和流道半精加工過(guò)程中盡可能選用大直徑球頭銑刀。但是也要注意使刀具直徑小于葉片間最小距離；在葉片精加工過(guò)過(guò)程中，應(yīng)在保證不過(guò)切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑大于流道和葉片的交接部分的最大倒圓半徑。在對(duì)流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí)，選擇的刀具半徑小于流通和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

4 數(shù)控編程

　　4.1 粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點(diǎn)是加工效率，要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時(shí)間內(nèi)切除盡可能多的余量。粗加工對(duì)表面質(zhì)量的要求不高，因此，提高粗加工效率對(duì)曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。在UG加工狀態(tài)下，創(chuàng)建操作對(duì)話框中。選擇類(lèi)型MIL-CONTOUR建立機(jī)床控制操作，再選擇子類(lèi)型CAVITY-MILL型腔銑。這是三軸聯(lián)動(dòng)的粗加工模式。選用直徑為25R5的圓角銑刀加工，切削方式采用跟隨部件，背吃刀量的0．6mm，刀具與刀具之間的步距為刀具直徑的65%，部件側(cè)面與底面留余量0.5mm。

圖2 整體粗加工路徑

　　4.2 開(kāi)槽與擴(kuò)槽

　　葉片扭曲且包角較大，刀具在通道內(nèi)要合理擺動(dòng)，使得刀具盡可能地接近葉片的兩側(cè)面而又不過(guò)切輪轂及輪蓋。采用通常的刀軸驅(qū)動(dòng)方法很難實(shí)現(xiàn)。刀軸插補(bǔ)(ToolAxis Interpolation)這一功能對(duì)于葉輪通道加丁非常有用，它通過(guò)在葉片與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸，輪轂面上其余刀具位置點(diǎn)的刀軸矢量由U、V 雙向線性插值或樣條插值獲得。這樣，刀軸能很好地按照加工的需要而得到控制。在不過(guò)切的情況下，最大限度地減少葉片面與輪轂之問(wèn)的殘留區(qū)。邊界矢量的定義是一個(gè)十分細(xì)致的工作，其基本原則是避免刀軸的突變，保證刀軸平滑變化。

圖3 刀軸控制矢量

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話框中，選擇類(lèi) mill_multi_zxis多軸銑加工操作建立模飯。選擇;VARIABLE_CONTOUR子類(lèi)型變軸銑.幾何體選擇整體葉輪。為了避免有過(guò)切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面。選擇驅(qū)動(dòng)方式為“表面積。刀軸選擇插補(bǔ)，選用直徑為20 mm 的球刀加工。選擇多重深度切削，步進(jìn)方式采用增量式，增量值為0．5mm。部件留余量為0．3mm。加工時(shí)需要考慮進(jìn)刀退刀的問(wèn)題，在非切削參數(shù)設(shè)置界面，選擇;傳遞快速區(qū)域之間下拉條中定義好逼近、離開(kāi)、移刀運(yùn)動(dòng)的設(shè)置。其中安全設(shè)置設(shè)置為球半徑選擇250mm。用刀路變換命令加工其余流道曲面。

圖4 流道粗加工路徑

　　4.3 葉片精加工

　　SWARF 方法也叫側(cè)刃或表面驅(qū)動(dòng)法，SwARF驅(qū)動(dòng)刀軸隨葉片直紋面的U 向或V向連續(xù)變化，刀具底部接觸輪轂面。側(cè)面接觸葉片表面形成單條刀路，從而實(shí)現(xiàn)葉片的精加工。在創(chuàng)建操作對(duì)話框中，選擇類(lèi)型mill_multi_zxis多軸銑加工操作建立模板，選擇VARIABLE_CONTOUR子類(lèi)型變軸銑。選擇驅(qū)動(dòng)方式為表面積，為了加工到位，曲面百分比方法設(shè)置如圖。刀軸選擇側(cè)刃驅(qū)動(dòng)，切削模式選擇單向。選用直徑為20 mm 的球刀加工，部件留余量為0。產(chǎn)生的刀具路徑如圖6所示，用刀路變換命令加工其余葉輪曲面。

圖5 曲面百分比設(shè)置

圖6 葉輪精加工路徑

　　4.4 流道精加工

　　同樣選擇類(lèi)型mill_multi_zxis多軸銑加工操作建立模板，選擇;VARIABLE_CONTOUR子類(lèi)型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免有過(guò)切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面，選擇驅(qū)動(dòng)方式為表面積;，刀軸選擇插補(bǔ)步進(jìn)方式采用殘余波峰高度，殘余高度為0．005 mm，選用直徑為20mm的球刀加工。用刀路變換命令加工其余流道曲面。

圖7 流道精加工刀具路徑

　　4.5 葉片底部圓角清根加工

　　同樣選擇類(lèi)型mill_multi_zxis多軸銑加工操作建立模板，選擇&VARIABLE_CONTOUR子類(lèi)型變軸銑。幾何體選擇根部圓角部位，選擇驅(qū)動(dòng)方式為表面積，刀軸選擇相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體步進(jìn)方式采用數(shù)字控制模式，步數(shù)為15步，設(shè)置非切削移動(dòng)參數(shù)傳遞／連接選項(xiàng)區(qū)域之間安全設(shè)置為球，半徑選擇200 mm，刀具使用R8的球刀，用刀具路徑變換命令加工其余葉片底部圓角。

圖8 葉片底部圓角清根刀具路徑

　　4.6 機(jī)床模擬加工仿真

　　UG系統(tǒng)自帶有3種類(lèi)型的五軸機(jī)床。本文選用其中的回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真加工。擺頭旋轉(zhuǎn)軸是B軸，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸是C軸。通過(guò)機(jī)床導(dǎo)航器調(diào)入機(jī)床組件和刀具組件。葉輪零件安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上面即可進(jìn)行加工仿真。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文利用UG NX6．0軟件對(duì)整體葉輪進(jìn)行了加工仿真，合理選擇了加工使用的刀具和機(jī)床，并針對(duì)流道和葉片的幾何特征確定了刀軸的控制方式，選擇了適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了流道和葉片加工軌跡生成。

　　文中介紹的對(duì)流道的加工采用刀具軸插補(bǔ)加工。這種方式可以通過(guò)在指定的點(diǎn)定義矢量方向來(lái)控制刀具軸，當(dāng)驅(qū)動(dòng)或零件幾何體非常復(fù)雜，又沒(méi)有附加刀具軸控制幾何體時(shí)，插補(bǔ) 具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，調(diào)節(jié)刀軌，避免碰到障礙物。指定的矢量越多，對(duì)刀具軸的控制越多。使用這種方法時(shí)，驅(qū)動(dòng)幾何體引導(dǎo)刀具側(cè)刃，零件幾何體引導(dǎo)刀具底部，可以控制輸出很好的加工刀軌，加工出來(lái)的曲面質(zhì)量。

　　對(duì)于五軸加工來(lái)說(shuō)，最難最重要的是避免發(fā)生干涉。本文對(duì)流道和底部圓角加工時(shí)對(duì)刀具的進(jìn)退刀進(jìn)行了控制，依據(jù)葉輪的特征，區(qū)域之間快速移動(dòng)時(shí)以球的方式控制刀軸的移動(dòng)，使刀軌變得更清晰，這樣不僅提高加工效率，而且使加工變得更加安全。