作為動力機械的關(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)中的一個重要課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機的動力性能和機械效率，數(shù)控加工是目前國內(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越窄，因此加工葉輪葉片曲面時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)劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。國外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標加]二專用軟件，如美國NREC 公司的MAX25，MAX2AB葉輪加工專用軟件等。目前，我國大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多數(shù)采用國外大型CAD／cAM 軟件，如UG NX、CATIA、MasterCAM 等來加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強大的UG NX6.0對復(fù)雜曲面整體葉輪進行加工仿真研究。

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 對底部倒圓進行清根。

2 機床準備

　　DMU-100T 是從德國DMG 公司引進的一臺全閉環(huán)五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，采用主軸擺動+圓工作臺旋轉(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)103°，C軸(工作臺旋轉(zhuǎn))360°。該機床具有轉(zhuǎn)速高、聯(lián)動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、在軸聯(lián)動技術(shù)成熟的特點。機床控制系統(tǒng)果用HEIDENHAIN iTNC 520 系統(tǒng)。利用UG Post Builder軟件構(gòu)建DMU-100T、機味專用的開置理。

3 刀具的選擇

　　為提高加工效率，存進行流道開粗和流道半精加工過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；在葉片精加工過過程中，應(yīng)在保證不過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。在對流道和相鄰葉片的交接部分進行清根時，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)切除盡可能多的余量。粗加工對表面質(zhì)量的要求不高，因此，提高粗加工效率對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”對話框中。選擇類型“MIL-CONTOUR”建立機床控制操作，再選擇子類型“CAVITY-MILL”型腔銑。這是三軸聯(lián)動的粗加工模式。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 開槽與擴槽

　　葉片扭曲且包角較大，刀具在通道內(nèi)要合理擺動，使得刀具盡可能地接近葉片的兩側(cè)面而又不過切輪轂及輪蓋。采用通常的刀軸驅(qū)動方法很難實現(xiàn)。刀軸插補(ToolAxis Interpolation)這一功能對于葉輪通道加丁非常有用，它通過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。在不過切的情況下，最大限度地減少葉片面與輪轂之問的殘留區(qū)。邊界矢量的定義是一個十分細致的工作，其基本原則是避免刀軸的突變，保證刀軸平滑變化。

　　在創(chuàng)建操作對話框中，選擇類 “mill_multi_zxis”多軸銑加工操作建立模飯。選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類型變軸銑.幾何體選擇整體葉輪。為了避免有過切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面。選擇驅(qū)動方式為“表面積”。刀軸選擇“插補”，選用直徑為20 mm 的球刀加工。選擇多重深度切削，步進方式采用增量式，增量值為0．5mm。部件留余量為0．3mm。加工時需要考慮進刀退刀的問題，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、移刀運動的設(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。

　　4.3 葉片精加工

　　SWARF 方法也叫側(cè)刃或表面驅(qū)動法，SwARF驅(qū)動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，從而實現(xiàn)葉片的精加工。在創(chuàng)建操作對話框中，選擇類型“mill_multi_zxis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類型變軸銑。選擇驅(qū)動方式為“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”，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。

　　4.4 流道精加工

　　同樣選擇類型“mill_multi_zxis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免有過切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面，選擇驅(qū)動方式為“表面積”，刀軸選擇“插補”步進方式采用“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。

　　4.5 葉片底部圓角清根加工

　　同樣選擇類型“mill_multi_zxis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類型變軸銑。幾何體選擇根部圓角部位，選擇驅(qū)動方式為“表面積”，刀軸選擇“相對于驅(qū)動體”步進方式采用數(shù)字控制模式，步數(shù)為15步，設(shè)置非切削移動參數(shù)→傳遞／連接選項→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。

　　4.6 機床模擬加工仿真

　　UG系統(tǒng)自帶有3種類型的五軸機床。本文選用其中的回轉(zhuǎn)/擺動型機床進行虛擬仿真加工。擺頭旋轉(zhuǎn)軸是B軸，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸是C軸。通過機床導航器調(diào)入機床組件和刀具組件。葉輪零件安放在轉(zhuǎn)臺上面即可進行加工仿真。

5 結(jié)束語

　　本文利用UG NX6．0軟件對整體葉輪進行了加工仿真，合理選擇了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了刀軸的控制方式，選擇了適當?shù)牡毒哕壽E驅(qū)動方法進行了流道和葉片加工軌跡生成。

　　文中介紹的對流道的加工采用刀具軸插補加工。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，當驅(qū)動或零件幾何體非常復(fù)雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時，插補 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，對刀具軸的控制越多。使用這種方法時，驅(qū)動幾何體引導刀具側(cè)刃，零件幾何體引導刀具底部，可以控制輸出很好的加工刀軌，加工出來的曲面質(zhì)量。

　　對于五軸加工來說，最難最重要的是避免發(fā)生干涉。本文對流道和底部圓角加工時對刀具的進退刀進行了控制，依據(jù)葉輪的特征，區(qū)域之間快速移動時以球的方式控制刀軸的移動，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。