摘要：葉（yè）輪加工是當今多軸聯運數控加工最常見的實例，也是數控加工的難點之一。本文詳細地介紹了葉（yè）輪加（jiā）工的全過程及加工過程的注意事（shì）項，為複雜產品的模型建立和（hé）多坐標數控（kòng）編程提供了設計思路和方法。

      關鍵詞（cí）：UG；整體葉輪；多軸加工（gōng）

      作為動力機械的關鍵部件（jiàn）,整（zhěng）體式葉輪（lún）廣（guǎng）泛（fàn）應用於航天航空等領（lǐng）域,其加（jiā）工技術一直是製造（zào）業中的（de）一個重要課題。葉輪的加工質量直接影（yǐng）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（zhěng）體（tǐ）三元葉輪的方（fāng）法。整體葉輪的加工（gōng）難（nán）點主要表現在: ①三元整體葉輪的形狀複雜,其葉片多為（wéi）非可展扭曲直紋麵。②整體葉輪相鄰葉片的空間（jiān）較小,而且在徑向上（shàng）設有半徑的減小通道越來（lái）越窄,因此加工葉輪葉片（piàn）曲麵時除了（le）刀具與被加工葉片之間發生幹涉外,刀具極易與（yǔ）相鄰葉片發生幹涉（shè）。③刀位規劃時的約束（shù）條件多,自動生成無幹涉刀位軌跡較困難。前國外一般（bān）應用整體葉輪的（de）五（wǔ）坐標（biāo）加工專用軟（ruǎn）件,如美國NREC公司的MAX25,MAX2AB 葉輪加工專用軟件等。目前,我國大多數生產葉輪的廠（chǎng）家多數采用國外大型（xíng）CAD /CAM軟件（jiàn）,如UG NX、CATIA、MasterCAM等來加工整體葉（yè）輪（lún）。本文選用目前流（liú）行且（qiě）功能強大的UG NX 對複雜曲麵整體（tǐ）葉輪進行加工（gōng）仿真研究。

      1．整體葉輪數控加工工（gōng）藝

      根據葉輪的幾何結（jié）構特征和使用要求(如圖1) ,其基（jī）本加（jiā）工工藝流程為（wéi）: ①在鍛壓鋁材上車削加工回轉體的基本形狀； ②外型整（zhěng）體粗加工； ③流道粗加工； ④葉片精加工； ⑤對（duì）底（dǐ）部倒圓進行清根。

圖1 葉輪幾（jǐ）何結構特征

      2．機床準備（bèi）

      DMU- 100T 是從德國DMG 公司引進的一台全閉（bì）環五軸聯（lián）動數控加工中心, 采用主軸擺動+圓工作台旋轉結構。行程參數（shù）為: X軸1080mm, Y軸710mm, Z軸710mm, A軸(主軸擺動)360°, C 軸( 工（gōng）作台旋轉)360°。該機床具有轉速高、聯動結構穩定性高、五軸聯動技術成熟的特點。機床控製係（xì）統采用HEIDENHAIN iTNC 530 係統（tǒng）。利用（yòng）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（dāo）具直徑（jìng）小於兩葉片間最小距離；在葉片精加工過程中,應在保證不（bú）過切的前提下盡可能選擇大直徑（jìng）球頭刀,即保證刀具半（bàn）徑大於流道和葉片相接部分的最（zuì）大倒圓半徑。在（zài）對流道和相鄰葉片（piàn）的交接部（bù）分進行清根時,選擇的刀具半徑小於流道和葉片相接部分的最小倒（dǎo）圓半徑。

      4． 數控編程

      4.1 粗加工

      粗加工是以快速切除毛坯餘量為目的，其考慮的重點是加工（gōng）效率，要求（qiú）大的進給量和盡可能大的切削深度（dù）。以便在較短（duǎn）的時間內切除盡（jìn）可能多的餘量（liàng），粗加工對表麵質量的要求不高，因此（cǐ），提（tí）高粗加工（gōng）效率對（duì）曲麵加工效率及降低加工成本具有重要意（yì）義（yì）。在UG加工狀態下，在"創建操作"對話框中，選擇（zé）類（lèi）型"MIL-CONTOUR"建立機床控製操作，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（jìng）為25R5的圓角銑刀加工，切削方式采用" 跟隨周邊"，背吃刀量的（de）0.6mm，刀具（jù）與刀具之間的步（bù）距為刀具直徑的65%，部件側麵與底麵（miàn）留餘量0.5mm。其刀具路徑如圖2所以示。

圖2 整體粗加工路徑

      4.2 開槽與擴槽

      葉片扭曲且包角（jiǎo）較大, 刀具（jù）要在（zài）通道（dào）內要合理擺動,使得刀具盡可能地接近葉片的兩側麵（miàn）而又不過切輪廓及輪蓋（gài）, 采用通常的刀（dāo）軸驅動方法很難實現。刀軸插補（bǔ）( ToolAxis Interpolation) 這（zhè）一功能對於葉輪通道（dào）加工非常有（yǒu）用,它通過在葉片與輪廓的交線上定義一係列（liè）的矢量以控製刀軸, 輪廓麵上其餘刀（dāo）具位置點的刀軸（zhóu）矢量由U、V 雙向線性插值或樣條（tiáo）插值獲（huò）得。這樣, 刀軸（zhóu）能（néng）很好地按照加工的需要而得到（dào）控製, 在（zài）不過切（qiē）的情況下, 最大限度地（dì）減少葉片麵與輪廓（kuò）之間的殘留區。邊界（jiè）矢（shǐ）量的定義是一個十分細致的工作（zuò）, 其基本原則是: 避（bì）免刀軸的突變, 保證刀軸平滑變化。在創建操作對話框（kuàng）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。幾何體選擇整體葉（yè）輪，為了（le）避免有（yǒu）過（guò）切現象（xiàng），選擇流道兩側的（de）麵為幹涉（shè）檢查麵，選擇（zé）驅動（dòng）方式為"表（biǎo）麵積"，刀軸（zhóu）選擇" 垂直於驅動（dòng）體"，選用直徑（jìng）為6mm的球刀加（jiā）工，選擇多重深度切削，步進方式采（cǎi）用增量式，增量值為0.5mm，部件留餘量為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麵,選擇"傳遞/快速"區域之間下拉條（tiáo）中定義好逼近、離開、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（jù）路徑如（rú）圖3所以示。用刀路變換命令加工其餘流道曲麵。

圖3 流道粗加工路徑

      4.3葉片精加工

      SWARF方法也叫側刃或（huò）表麵驅動法, SWARF驅動刀軸隨葉片直紋（wén）麵的U向或V向連續變化, 刀具（jù）底部接觸輪廓麵。側麵接觸葉片表麵形成單條刀路, 從而（ér）實現葉片的精加工。

      在創建操作對話框（kuàng）中，選擇（zé）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。選擇驅動方式為"表麵積"，為了加（jiā）工到位，設置（zhì）曲麵百分比方法如圖4所示（shì）。刀軸（zhóu）選擇"側刃驅動"，切削模（mó）式選擇單（dān）向。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留（liú）餘量為0。產生的刀路路徑如圖5所（suǒ）示，用刀路變換命令加工其餘葉（yè）輪曲麵。

圖4 曲麵百分（fèn）比設置 

圖5主葉片精加工路徑

圖6 分（fèn）流葉（yè）片精（jīng）加工路徑

      4.4流道精加工

      同樣選擇類型（xíng）"mill_multi_zxis"多軸銑加工操作建立模板（bǎn），選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為（wéi）了避免有過切（qiē）現象，選擇流道兩（liǎng）側的麵為幹涉檢查麵，選擇驅動方式為"表麵積"，刀軸選擇"插補"步（bù）進方式采（cǎi）用"殘餘波峰高度"，殘餘高度為（wéi）0.005,選用直徑（jìng）為6mm的（de）球刀加工。產生的刀路路徑如圖6所示，用刀路變換命令加工其餘（yú）流道曲麵。

圖7 流道精加工路徑

      4.5　模擬加工仿（fǎng）真

      UG係統自帶有三種類型的五軸（zhóu）機床,本論（lùn）文選用其中的回（huí）轉/擺動型機床（chuáng）進行虛擬仿真加工,旋轉軸是A軸,轉台旋轉軸是C軸。通過機床導航器調入機床組件和刀具組件,葉輪零（líng）件安放在轉台上麵即可進行加工仿真如圖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）檢查（chá）零（líng）件加工（gōng）過程中機床是沒有任何碰撞、過切現象，可以在機床實際加工，通過機床完整的加工出零（líng）件如圖所示。

圖9 加工過程（chéng）中的零件（jiàn）                                                圖10 加工好（hǎo）的零件

      5．結論

      本文利用UG NX軟件對（duì）整（zhěng）體葉輪進行了加工仿真,合理選擇了加工使（shǐ）用的刀具和機床,並針對（duì）流道（dào）和葉片的幾何特征確定了（le）刀軸的控製方式（shì），過選擇了適當的刀具（jù）軌跡驅動方法進行（háng）了流道和葉片的加工，生成的加工軌跡。

      文中介紹的對流道的（de）加工采用刀具軸插補（bǔ）刀具軸加工，這種方式可以通過在指定的點定（dìng）義矢量方向（xiàng）來控製（zhì）刀具軸（zhóu）。當驅（qū）動（dòng）或零件幾何體非常複（fù）雜，又沒（méi）有附加刀具軸控製幾何體時，插補刀具軸可以（yǐ）控製劇烈的刀具軸變化，調節刀軌，避免碰到障礙物。指定的矢量越多，對刀具軸的控製越多。使用這種方法時，驅動幾何體（tǐ）引導刀具側刃，零件幾何體引導刀具底（dǐ）部。可以控製輸出很好的加工刀軌，加工出來（lái）的曲麵質量相當（dāng）高。

      五軸加工是最難也是最重要的是避免發生幹涉，本文對（duì）對流道和底部圓角加工時對刀具的進退倒進行了控製（zhì），依據葉輪的（de）特征，區域之間快速移動時以球的方式控製刀軸的移動，使刀軌變的更清晰，這樣不僅提高（gāo）加工效率，而且使加工變的更加安全。