0.前言

　　葉輪是一種加工要求非常特殊的零件， 它是由全 3D 自由曲面構成的幾何體，并且曲率變化扭曲非常大，無法使用普通三軸數控機床加工，在這樣的前提條件下，由于加工后的曲面質量的精度要求特別高，必需采用高精度五軸數控機床加工。 此外葉輪在實際使用中，葉輪的表面紋理與材料的金屬條紋直接影響其使用的壽命與效率、 質量，這些因素可以通過先進的 CAM 軟件編寫特殊的高效優化的程序，以達到我們所預期的理想效果。 一般常用軟件 HYPERMILL、Cimatron、Unigraphics、PowerMill 等均具備了葉輪加工能力。本文通過使用Cimatron 軟件，論述用于深井漩渦壓力機中的零件———葉輪的工藝編排以及智能 NC 程序編寫。

1.深井漩渦壓力機葉輪工藝分析

　　該葉輪加工難度分析如下：

　　1.1 此葉輪直徑為 260mm，葉片的最高長度為 160mm，兩葉片之間最短距離為 15mm 如圖所 1 所示。

　　1.2 由于葉片高，整體葉輪需要開粗毛坯料比較多，且最大只能使用為 Ф15mm 直徑的刀具開粗， 所以我們必需選擇分層使用不同長度的刀具進行開粗以提高整體的加工效率;

　　1.3 此葉輪曲面為自由曲面、 流道窄、葉片扭曲嚴重，并且有后仰的趨勢，加工時極易產生干涉，加工難度高。 有時為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保證加工表面的一致性也有一定困難;

　　1.4 由于葉輪強度的需要， 輪轂與葉片之間還應當加工出底部加強圓角。 由于槽道窄，葉片高，圓角的加工也是個難點。

2.葉輪加工工藝編排

　　2.1 確定毛坯類型。 為了提高我們加工效率，我們把坯料通過車削加工成為該葉輪最大外形回轉體形狀。

　　2.2 粗加工。 在兩葉片之間的毛坯料位置是我們需要粗加工的。 此處位置葉片扭曲較大，為了保證加工時葉片的偏擺精度，選擇五軸聯動粗加工的策略。 對于刀具的選擇，我們選擇 D15R2 的牛鼻刀，采用盡量大的刀具進行粗加工，提高效率。 由于 D15R2 的刀具不符合熱膨脹帶錐度卡頭的裝夾規格， 故我們準備兩把不同長度的 D15R2 的刀具進行粗加工。 由于粗加工時選用牛鼻刀且粗加工完畢后，需要進行半精加工以及精加工。為此，粗加工時輪轂底部預留 0.3mm 余量，葉片壁面預留 0.5mm 余量。

　　2.3 半精加工與精加工。 由于葉輪都是規則性的零件，所以半精加工與精加工可能只是在于刀具大小的選擇與切削量、轉速、進給的差異。

　　2.4 葉片根部圓角清根。 對于葉輪的葉片圓角根部清根加工，一直是葉輪加工中的最大重點之一，此部位加工質量的好壞直接影響葉輪的強度與使用質量。 加工策略可采用根部隨形清角工藝方案處理該處圓角。 刀具夾頭采用熱膨脹帶錐度夾頭。

3. Cimatron葉輪數控加工程序編寫設計

　　3.1 根據以上工藝的分析與加工思路的整理，在 Cimatron 軟件 NC環境下建立所需要用到的刀具卡頭與刀具庫。

　　3.2 建立五軸的 ToolPath，并確定編程坐標系。 選擇葉輪作為加工的 part，定義車削完畢的葉輪最大外形回轉體作為加工毛坯。

　　3.3 葉輪兩葉片之間的粗加工程序編寫。 由于葉輪的外形復雜，決定了這個葉輪不能用五軸 3+2 定位加工。 故我們采用五軸聯動粗加工。 在 Cimatron 軟件中，采用 Areospeace 的五軸航空銑功能可以快速實現程序的編制。

　　3.3.1 進入五軸航空銑，選擇 D15R2L60 的刀具 ，在 Patten 中選擇Parallel to surface 策略。 選擇輪轂面作為參考曲面，兩邊也片面作為驅動曲面。 設定驅動曲面余量 0.5mm，并控制所加工的深度為 45mm。

　　3.3.2 在 Sorting 設定走刀方式為順銑單向走刀。

　　3.3.3 在葉輪編程中， 刀軸的控制是非常重要的。 在這個葉輪里面， 我們在 Tool Axis control (刀軸控制) 選擇為 Be tilted relative to cutting direction，Lead angle to cutting direction (前傾角 )為-10 度 ，Tiltangle at side of the cutting direction(側傾角)為 90 度，在刀具加工中選擇 smooth 光順所加工的軌跡。

　　3.3.4 在處理葉輪加工時所產生的碰撞干涉中，Cimatron 有很好的解決方法。 在 Gouge Check 中，選擇刀具與兩邊葉片之間的干涉，自動處理為刀具一旦與葉片在 0.5mm 以內發生干涉， 在±180 度以內自動偏擺傾斜刀軸避開干涉。

　　3.3.5 在 Link 里面合理地設定進退刀方式， 該零件需要設定垂直圓弧進刀。

　　3.3.6 參數設定完畢，計算刀路程序。 粗加工程序分別由D15R2_L60mm，D15R2_L125mm 的刀具分兩部分完成。

　　3.4 葉片半精加工與精加工。葉輪上葉片的曲面為 3D 自由曲面且有后仰倒扣，在加工中有相當難度，編寫的導軌路徑需要達到五軸等高隨形螺旋的效果才能更好控制葉片的加工表面質量。 具體步驟如下：

　　3.4.1 進入五軸航空銑 ， 選擇 D16R8 的刀具 ， 在 Patten 中選擇Morph between 2 curves 策略。 選擇葉片面作為驅動曲面，葉片上端部分邊界為第一驅動曲線，葉片下端部分邊界為第二驅動曲線，設定刀路軌跡延伸 10mm，設定驅動曲面余量為 0.2mm。

　　3.4.2 在 Sorting 設定走刀方式為順銑螺旋走刀，步距為 1mm。

　　3.4.3 葉片加工時，我們在 Tool Axis control(刀軸控制)選擇為 Betilted relative to cutting direction， 設 定 有 利 的 Lead angle to cutting direction (前傾角) 為-3 度與 Tilt angle at side of the cutting direction(側傾角)為 89.2 度，在刀具加工中選擇 By two vectors 光順刀具運行的軌跡。

　　3.4.4 在處理葉片加工時所產生的碰撞干涉中 ， 同樣在 GougeCheck 中，選擇刀具與葉片曲面之間的干涉 ，自動處理為刀具一旦與葉片發生干涉，在±90 度以內自動偏擺傾斜刀軸避開干涉;另選擇輪轂面作為刀具軸向殘余毛坯干涉的保護面，設定干涉余量為 0.2mm。

　　3.4.5 在 Link 里面合理地設定水平圓弧相切進退刀方式。

　　3.4.6 參數設定完畢，計算刀路程式。

　　3.5 輪轂曲面半精加工與精加工。 輪轂曲面半精加工時，注意前面粗加工預留輪轂面 5mm 的余量，需要分層加工。 半精加工后輪轂面預留 0.2mm 余量作為后續的精加工。

　　3.5.1 半精加工程序與 D15R2_L125mm 刀具粗加工策略是相同的。 此時只是需要改變刀具的類別，重新選擇 D12R6mm 的刀具;按工藝分析中參數設定切削量，余量與轉速，進給等參數。

　　3.5.2 為了更加優化刀路軌跡， 在 Sorting 設定走刀方式為順銑單向，從輪轂加工范圍間下刀，向兩邊偏置走刀方式，以提高輪轂面的質量。

　　3.5.3 刀軸控制 。 我們在 Tool Axis control ( 刀軸控制 ) 選擇為Tilted through curve，選擇兩葉片空間平分曲線作為刀軸控制線 ，刀具將沿 3D 空間曲線移動加工，大大降低刀軸的擺動幅度。

　　3.6 葉輪清根程序編寫。

　　3.6.1 進入五軸航空銑 ， 選擇 D10R5 的刀具 ， 在 Patten 中選擇Morph between 2 curves 策略。 選擇圓角面作為驅動曲面，圓角上端部分邊界為第一驅動曲線，圓角下端部分邊界為第二驅動曲線，設定刀路軌跡延伸 10mm，設定驅動曲面余量為 0，其他加工參數按照工藝分析的參數一一對應設定。

　　3.6.2 刀軸控制由程式根據曲面的曲率自動計算一個合理的偏擺角度。

　　3.6.3 在干涉檢查中的設定最關重要。 為了讓刀具在清角加工過程中，與旁邊的葉片不發生干涉，故我們需要把所有的葉片曲面選擇做為干涉檢查面，當刀具與曲面發生干涉，刀具將自動前傾/側傾自動偏擺傾斜刀軸避開干涉區域。 同時，選擇圓角面與輪轂面作為刀具軸向干涉的保護面，設定干涉余量為 0.005mm。

4.在五軸機床加工

　　通過 Cimatron 的五軸后處理器輸出加工 NC 代碼。 只需要局部一個葉輪六分之一的程序即可，代碼傳輸到機床以后，在機床控制系統通過程序的旋轉陣列加工即可。

5.結束語

　　在 Cimatron 軟件中，結合實際工藝的分析可以高效，安全，智能地把復雜的異型葉輪在實際生產中得心應手地編寫程序，輸出安全的 G—CODE。 該程序已經在MIKRON UCP710 五軸加工中心上試切成功，在幾何精度，尺寸精度，表面光潔度等各方面均達到客戶所要求的范圍內如圖 2 所示。