摘要：葉輪加工是（shì）當今（jīn）多軸聯運數控加工最常見的實例，也是數控加（jiā）工的難點之一（yī）。本文詳細地介紹（shào）了葉輪加工的全過（guò）程及加工過程的注意事（shì）項，為複雜產品的模型建立和多坐標（biāo）數控編程提（tí）供了設計思路和方法。

      關鍵詞：UG；整體葉輪；多軸加工

      作為動力機械的關鍵（jiàn）部件（jiàn）,整體式葉輪廣泛（fàn）應用於航（háng）天航空等領域,其加工技術一直是製造業中的一個重要課題。葉（yè）輪的加工質量直接影響整（zhěng）機的動力性能和機械效率,數控加工（gōng）是目前國內外廣泛采（cǎi）用的加工整體（tǐ）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（zhuàng）複雜,其葉片（piàn）多為非可展扭曲直紋麵。②整體（tǐ）葉輪相鄰（lín）葉片的空間較小,而（ér）且在徑向上設有半徑的減（jiǎn）小通道越來越窄,因此加工葉輪葉片曲麵時除了刀具與被加工葉片之間發生幹涉外,刀（dāo）具（jù）極易（yì）與相鄰葉片發生（shēng）幹涉。③刀位規劃時的約束條件多（duō）,自動生成無幹涉刀位軌跡較困難。前國外一般應用整體葉（yè）輪的五坐（zuò）標加工專用軟件,如美國NREC公司的MAX25,MAX2AB 葉輪加工（gōng）專用軟件等。目前,我國（guó）大多數生產葉輪的廠家（jiā）多數采用國外（wài）大型CAD /CAM軟件,如UG NX、CATIA、MasterCAM等（děng）來加工（gōng）整體葉輪。本文選用目前流（liú）行且功能強大的UG NX 對複雜曲麵整體葉輪進行加工仿真研究。

      1．整體葉（yè）輪數控加（jiā）工工藝

      根（gēn）據葉輪的幾何結構特（tè）征和使用要求(如圖1) ,其基本加工工藝（yì）流程為: ①在鍛壓鋁材上車削加工回轉（zhuǎn）體的基本形狀； ②外型整體粗加工（gōng）； ③流（liú）道（dào）粗加工； ④葉片精加工； ⑤對底部倒圓進（jìn）行（háng）清根。

圖1 葉輪幾何結構特征

      2．機床準（zhǔn）備

      DMU- 100T 是（shì）從德國DMG 公司引進的一台全閉環五（wǔ）軸聯動數控加工中心, 采用主軸擺動+圓工作台旋（xuán）轉結構。行程參數為: X軸1080mm, Y軸710mm, Z軸710mm, A軸(主軸擺動)360°, C 軸( 工作台旋（xuán）轉)360°。該機床（chuáng）具有轉速高、聯動結構穩定性高、五軸聯動技術成熟的特點。機床控（kòng）製係統采用HEIDENHAIN iTNC 530 係（xì）統。利用UG/Post Builder 軟件構建DMU-100T機床專用的後處（chù）理。

      3．刀具的選擇

      為提高加工效率,在進行流道（dào）開粗和流道半精加工過程中（zhōng）盡可（kě）能選用（yòng）大直徑球頭銑刀,但是也要注意使刀具直徑小於兩（liǎng）葉片（piàn）間最（zuì）小距離；在葉（yè）片精加工過程中,應在保證不過切的（de）前提下盡可能選擇大（dà）直（zhí）徑球頭刀,即保證刀具半徑大於流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在（zài）對流道（dào）和相鄰葉片的交接部分進行清根（gēn）時,選擇（zé）的（de）刀具半徑小於流道和（hé）葉（yè）片相接部分的最小倒圓半徑。

      4． 數控編程

      4.1 粗（cū）加工

      粗加工是以快速切除毛坯餘量為目的，其考慮的（de）重點是加工效率，要求大的（de）進給量和盡可能大（dà）的切削深度。以便在較短的時間內切除盡可能多的餘量（liàng），粗加工（gōng）對表麵質量的要求（qiú）不高，因此，提高粗加工效率對曲（qǔ）麵加工效率及降低加工成本具有重要意義。在UG加工狀態下，在"創建操作"對話框（kuàng）中，選擇類型（xíng）"MIL-CONTOUR"建立（lì）機床控製（zhì）操作，再選擇子類型"CAVITY-MILL" 型（xíng）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" 跟隨周邊"，背吃刀量（liàng）的0.6mm，刀具與刀具（jù）之間的步距為刀具直徑的65%，部件側麵與底麵留餘量0.5mm。其刀（dāo）具路徑如圖2所以示。

圖2 整體粗加工路徑

      4.2 開（kāi）槽與（yǔ）擴槽

      葉片扭曲且包（bāo）角較大, 刀（dāo）具要在通道（dào）內要合理擺動,使得刀（dāo）具（jù）盡可能地接（jiē）近葉片的兩（liǎng）側麵而又不過切輪廓及輪蓋, 采（cǎi）用通常的刀軸驅動方法很難實現。刀軸插補( ToolAxis Interpolation) 這一（yī）功能對於葉輪通道加工非常有用,它通過在葉（yè）片與輪廓的交（jiāo）線（xiàn）上定（dìng）義一係列的矢量以控製刀軸, 輪廓麵上其餘刀（dāo）具位置點的刀軸矢量由U、V 雙向（xiàng）線性插值或（huò）樣條插值獲得。這樣, 刀軸能很好（hǎo）地按照加工（gōng）的（de）需要而得到（dào）控製, 在不過切的情況（kuàng）下, 最大（dà）限度地減少葉片麵與輪廓之間的殘留區。邊（biān）界矢量的定義是一（yī）個十（shí）分細致的工作, 其基本原則是: 避免刀（dāo）軸（zhóu）的突變, 保證刀軸平滑變化。在創建操（cāo）作對話框（kuàng）中，選擇類型"mill_multi_zxis" 多（duō）軸銑加工（gōng）操作建立模板（bǎn），選擇（zé）"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。幾何體選擇整體葉（yè）輪，為了避免（miǎn）有過切現象（xiàng），選擇流道兩側的麵為幹涉檢查麵，選擇驅動方式為"表麵積"，刀（dāo）軸選（xuǎn）擇" 垂直於驅動體"，選用直徑（jìng）為6mm的球刀加工，選擇（zé）多重深（shēn）度切削（xuē），步進方式采用（yòng）增量式，增量值為0.5mm，部件留餘量為（wéi）0.3mm。加工（gōng）時需要考慮進刀退（tuì）刀的問題,在非切削參數設（shè）置界麵,選（xuǎn）擇（zé）"傳遞/快速"區域之間下拉條中定義好逼近、離開、移刀運動的設置，其中"安全設置（zhì）"設置為"球"半徑選擇250mm. 生成的刀具路徑如圖3所以（yǐ）示。用刀路（lù）變換命令加（jiā）工其餘流道曲麵。

圖（tú）3 流道粗（cū）加工路徑

      4.3葉片精加工

      SWARF方法也叫側刃或表麵驅動法, SWARF驅動刀軸隨葉片直紋麵（miàn）的U向或V向連續變化, 刀具底（dǐ）部接（jiē）觸輪（lún）廓麵。側麵接觸葉片表麵形成單條刀路, 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_zxis" 多軸銑（xǐ）加工操作建立模板，選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。選擇驅動方式為"表（biǎo）麵（miàn）積"，為了加工（gōng）到位，設置曲麵百分比方法如（rú）圖（tú）4所示。刀軸選擇"側刃驅動"，切削模式（shì）選擇單向（xiàng）。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留餘量為0。產生的（de）刀路路徑如圖5所（suǒ）示，用刀路變換命令（lìng）加工其餘（yú）葉輪曲麵。

圖4 曲麵百分比設置 

圖5主葉片精（jīng）加工路徑

圖6 分流葉片精加工（gōng）路徑

      4.4流道精加（jiā）工（gōng）

      同（tóng）樣（yàng）選擇類型"mill_multi_zxis"多軸銑加工（gōng）操（cāo）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（wéi）了避免（miǎn）有（yǒu）過切現象（xiàng），選（xuǎn）擇流道兩側的麵為幹涉檢查麵，選擇驅動方（fāng）式為"表麵積"，刀軸選（xuǎn）擇"插補"步進方式采用"殘餘波（bō）峰高（gāo）度"，殘餘高度為0.005,選用直徑為6mm的球刀加工。產生的（de）刀路路徑（jìng）如圖6所示（shì），用刀路變換命令加工（gōng）其（qí）餘流道曲麵。

圖7 流道精加工路徑

      4.5　模擬加工仿真

      UG係統自帶有三種類型的五軸機床,本論文選用其（qí）中的回轉/擺動型機床進行虛擬仿真加工,旋（xuán）轉軸是（shì）A軸,轉台旋轉軸是（shì）C軸。通過機床（chuáng）導航器調入機床組（zǔ）件（jiàn）和刀具組件,葉輪零件安放在轉台上麵（miàn）即可進行（háng）加工仿真如圖（tú）7所示。

圖8 模擬加工結果

      4.6　機床加工

      通過模擬仿真加工（gōng）檢（jiǎn）查零件加工過程中機床（chuáng）是沒（méi）有任何碰撞、過切現象，可以在機床實際（jì）加工，通過機床完整的加工出零件如圖所（suǒ）示。

圖（tú）9 加工過程中的零（líng）件                                                圖10 加工好的零件

      5．結論

      本文（wén）利用UG NX軟（ruǎn）件（jiàn）對整體葉（yè）輪進行了加工（gōng）仿真,合理選擇了加（jiā）工使（shǐ）用的刀具和機床,並針對流道和葉片的幾（jǐ）何特（tè）征確（què）定了刀軸的控製方式，過選擇了適當的刀具軌跡驅動方法進行了流道和葉片的加工，生成（chéng）的加（jiā）工（gōng）軌跡。

      文中介紹的對流（liú）道的加工采（cǎi）用刀（dāo）具軸插（chā）補刀具軸加工，這（zhè）種方式可以通過在指定的點定義矢量方向來控製刀具軸。當驅動或零件幾何體非常複雜，又沒有附加刀（dāo）具軸控製幾何體時，插補刀具軸可以控製（zhì）劇烈的刀具軸變化，調節刀軌（guǐ），避免碰（pèng）到障礙物。指定的矢（shǐ）量越多（duō），對刀（dāo）具軸的控製越多。使用這種方法時，驅動幾何體引導刀（dāo）具側刃，零件幾（jǐ）何體引導刀具（jù）底部。可以控製輸出很好的加工刀軌，加工出來的曲麵（miàn）質（zhì）量相當高（gāo）。

      五軸加工是最難也是最重要的是避免發生幹涉，本文對對流道（dào）和（hé）底（dǐ）部圓角加工（gōng）時對刀具的進退（tuì）倒進行了控製，依據葉輪的特征，區域之間快速移動時以球的方式控製（zhì）刀（dāo）軸的移動，使刀軌變的更清晰（xī），這樣（yàng）不僅提高加工效率，而且使加工（gōng）變的更加安（ān）全。