0 引言

 　　作為動力機械的關鍵部件，整體式葉輪廣泛應用于航天航空等領域，其加工技術一直是制造業中的一個重要課題。葉輪的加工質量直接影響整機的動力性能和機械效率，數控加工是目前國內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在：

　　(1)三元整體葉輪的形狀復雜，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，而且在徑向上設有半徑的減小通道逐漸變窄，因此加工時除了刀具與被加工葉片之間發生干涉外，還容易與相鄰葉片發生干涉；

　　(3)刀位規劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。目前國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用軟件，如美國NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專用軟件等。目前，我國大多數生產葉輪的廠家多數采用國外大型CAD/CAM軟件，如NX、CATIA、MasterCAM等軟件來加工整體葉輪。本文選用功能強大的NX6.0軟件，對復雜曲面整體葉輪進行加工仿真研究。

1 整體葉輪數控加工工藝

　　根據葉輪的幾何結構特征和使用要求(見圖1)，其基本加工工藝流程為：在鍛壓鋁材上車削加工回轉體的基本形狀；外型整體粗加工；流道粗加工；葉片精加工；對底部倒圓進行清根。

    圖1 葉輪幾何結構

2 機床準備

　　DMU-100T是從德國DMG公司引進的一臺全閉環五軸聯動數控加工機床，采用主軸擺動+圓工作臺旋轉結構。行程參數為：X軸1080mm，y軸710mm，Z軸710mm，B軸(主軸擺動)103°，C軸(工作臺旋轉)360°。該機床具有轉速高及聯動結構穩定性高、五軸聯動技術成熟的特點。機床控制系統采用HEIDENHAIN iTNC 530系統。利用NX/Post Builder軟件構建DMU-100T機床專用的后置處理器。

3 刀具的選擇

　　為了提高效率，在流道粗加工和流道半精加工過程中，盡可能選用大直徑球頭銑刀。同時保證刀具直徑小于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過程中，應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相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道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

 4 數控編程

　　 4.1 粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，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切除盡可能多的余量，對表面質量要求不高，因此，提高其效率對提高曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。在NX加工狀態下，在“創建操作”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％，部件側面與底面留余量0.5mm。其刀具路徑見圖2。

    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，刀具要在通道內合理擺動，使刀具盡可能地接近葉片的兩側面，而又不過切輪轂及輪蓋，采用通常的刀軸驅動方法很難實現。刀軸插補(ToolAxis Interpolation)這一功能對葉輪通道加工非常有用，它通過在葉片與輪轂的交線上定義一系列的矢量來控制刀軸，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間的殘留區。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。刀軸控制矢量見圖3。

    圖3 刀軸控制矢量

　　在創建操作對話框中，選擇類型“mill_multiaxis”多軸銑加工操作建立模板，再選擇VARIABLE_CONTOUR”子類型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免過切現象，選擇流道兩側面為干涉檢查面，選擇驅動方式為“表面積”，刀軸選擇“插補”。選用直徑為20mm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，在非切削參數設置界面，選擇“傳遞/快速”區域之間下拉條中定義好逼近、離開及移刀運動的設置，其中“安全設置”設置為“球”半徑，選擇250mm。生成的刀具路徑見圖4。用刀路變換命令加工其余流道曲面。

    圖4 流道粗加工路

4.3 葉片精加工

　　SWARF方法也叫側刃或表面驅動法，SWARF驅動刀軸隨葉片直紋面的U向或V向連續變化，刀具底部接觸輪轂面。側面接觸葉片表面形成單條刀路，從而實現葉片的精加工。

　　在創建操作對話框中，選擇類型“mill_multi_axis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARI-ABLE_CONTOUR”子類型變軸銑。選擇驅動方式為“表面積”。為了加工到位，曲面百分比方法設置見圖5。刀軸選擇“側刃驅動”，切削模式選擇單向。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留余量為0。產生的刀路路徑見圖6，用刀路變換命令加工其余葉輪曲面。

    圖5 曲面百分比設置

    圖6 葉輪精加工路徑

　　4.4 流道精加工

　　同樣選擇類型“mill_multi_axis”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，為了避免過切現象，選擇流道兩側面為干涉檢查面，選擇驅動方式為“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，選用直徑為20mm的球刀加工。產生的刀具路徑見圖7，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

　　同樣選擇類型“mill_multi_ axis”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，選擇驅動方式為“表面積”，刀軸選擇“相對于驅動體”，步進方式采用數字控制模式，步數為15步。設置非切削移動參數→傳遞/連接選項→區域之間→“安全設置”為“球”，半徑選擇200mm，刀具使用R8的球刀。產生的刀路路徑見圖8，變換命令加工其余葉片底部圓角。

    圖8 葉片底部網角清根刀具路徑

　　4.6 機床仿真加工

　　NX系統自帶3種類型的五軸機床，本文選用其中的回轉/擺動型機床進行仿真加工，擺頭旋轉軸是B軸，轉臺旋轉軸是C軸。通過機床導航器調入機床組件和刀具組件，葉輪零件安放在轉臺上面即可進行仿真加工。

5 結論

　　本文利用NX6.0軟件對整體葉輪進行了仿真加工，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，選擇適當的刀具軌跡驅動方法，進行了流道和葉片的加工，生成加工軌跡。

　　文中介紹的對流道的加工采用刀具軸插補刀具軸加工，這種方法可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具軸。當驅動或零件幾何體非常復雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時，插補刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，調節刀軌，避免碰到障礙物。指定的矢量越多，對刀具軸的控制就越多。使用這種方法時，驅動幾何體引導刀具側刃，零件幾何體引導刀具底部，可以控制輸出很好的加工刀軌，加工出來的曲面質量相當高。

　　五軸加工的重點和難點是避免發生干涉，本文對流道和底部圓角加工時，對刀具的進退倒進行了控制，依據葉輪的特征，區域之間快速移動時，以球的方式控制刀軸的移動，使刀軌變得更清晰，這樣不僅提高了加工效率，還使加工更安全。