1 引（yǐn）言

      葉輪（lún）類零件（jiàn）在軍工、冶金、石（shí）化（huà）、礦山等許多行業中廣泛應用，如風機、發動（dòng）機（jī）葉輪（lún）、壓縮機及水泵葉輪等。葉輪型麵的設計以流（liú）體（tǐ）力學和空氣動力學等理論為依（yī）據，構成符合上述理論的（de）流（liú）動性曲麵。葉輪曲麵的精度難以通過一般（bān）的（de）加工方（fāng）法和手段達到，因此，加工精度和表麵（miàn）質量對葉輪性能參數有很大影（yǐng）響。普（pǔ）通（tōng）葉輪多采用鑄造成型後機械（xiè）加工成型或葉片單獨（dú）加工後將葉片與輪轂焊接的方法（fǎ），如圖1 所示。由於葉（yè）輪工作（zuò）麵形狀複雜，難以保證鑄造精度（dù），而後續的加工工藝（yì）過程（chéng）複雜。如精（jīng）度要求高的葉輪，從圖紙到成品，一般都要經過多個工序（xù）。在光整加工方麵，則是按照光學屏（píng）幕上放大了的截麵圖曲線經過普通砂（shā）帶磨後由人工直接拋光到位，多個截（jié）麵（miàn）之間的（de）平滑過渡不易保證，廢品率（lǜ）高，拋光工人的勞動強度很大。拋光工人所做工作性質單一，技術含量不高。使葉輪曲麵（miàn）精度難以保證，表麵質量差，難以達到設計要求。

      近（jìn）十多年的數控技術迅速發展和數控機床的廣泛使用（yòng）使我國的製造技術得到很（hěn）大提（tí）高。特（tè）別是五坐標軸以上的（de）數控機床（chuáng）逐漸（jiàn）裝（zhuāng）備到企業中，使得整體加工葉（yè）輪類零件成（chéng）為可能。五坐標機床功能強大、加工效率高、質量好（hǎo）。五坐（zuò）標數控加（jiā）工中心在加（jiā）工複雜曲麵方麵有獨到（dào）之處，是數控加（jiā）工（gōng）領域（yù）研究熱點。總（zǒng）之，由於整體葉輪結構的（de）複（fù）雜性，其數控加工技術一直是製造業的難點。整體葉輪如圖2。

      整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件然後（hòu）車削成為葉輪回轉體的（de）基本形狀（zhuàng），在（zài）五（wǔ）軸數控加工中心上使輪轂與葉片在（zài）一個毛（máo）坯上一次加工完成, 滿足壓氣機（jī）葉輪產品強（qiáng）度（dù）要求，曲麵（miàn）誤差小，動平衡時去質量較少，因此（cǐ）是較理想的加工方法。

      2 五軸數控加工中（zhōng）心

      五軸加工中心具（jù）有X、Y、Z 三個移動坐標（biāo）軸和兩個轉動坐標軸。最大（dà）的優勢在於五個軸可以聯（lián）動。對（duì）於安裝於夾具上的工件來說，合成（chéng）運動可使（shǐ）刀具在五軸的（de）空間內任意控製，保證了切削曲麵可加工到位，並避免（miǎn）了刀具對工件的誤切削。比三、四軸加工中心具有更廣的工藝範（fàn）圍和（hé）加工精度更高、質量更好。五軸加工中（zhōng）心特別適宜於具有大型複雜（zá）曲麵零件的加工。

      3 葉輪加工特點及（jí）工藝方案分析

      3.1 葉輪加工特點分析

      （1）葉輪上有很多葉片，葉片數按輪（lún）轂（gū）直徑大小不同而不同，葉片有長有短，葉片為空間曲麵、扭曲程度高，並且有（yǒu）後仰的趨勢，加工時刀具的相（xiàng）對擺動極易對相鄰葉片產生切削幹涉，因此刀具切削方向的（de）選擇尤其重要。另外，曲麵需要分段加工，應注意保證加（jiā）工表（biǎo）麵的一致性；（2）葉片之（zhī）間的流道相對較窄，加工空間較小，難以采用強度和剛性較好的大直徑刀具；（3） 葉片進氣與出氣邊緣圓角曲率半徑變化大，使刀具和夾具角度變化大；（4）為（wéi）滿足強度的需要，葉輪輪轂與葉（yè）片之間的過渡采用（yòng）了變圓角方式，應十分注意刀具的選擇；（5）葉片屬於結構複雜的薄壁件、工藝剛性差（chà），在（zài）工藝（yì）安排上需要考慮多工步反複加工葉片型麵的措施，以防加工殘餘（yú）應力所帶來的形變。（6）整體葉輪的材料一般有鋁合金、不鏽鋼、鈦合金等，因此在工（gōng）藝安排（pái）上應盡量考慮因材料不（bú）同所（suǒ）帶來的問題。

      3.2 葉輪加工工藝方案分析

      整體葉輪的數控加工工藝過（guò）程主要有6 大步驟：（1）鍛造毛坯；（2）數控車削粗（cū）加工出回轉體形狀；（3）五軸數控機床銑（xǐ）削加工葉片型麵；（4）輪轂表麵數控車削精加工；（5）葉片型麵的光整加工（砂帶磨削、手工拋光）；（6）其間穿（chuān）插多次熱處理和（hé）檢驗工序。

      其中，五（wǔ）軸數控機床銑削加工（gōng）葉片型麵工序由以下工步組成：（1）氣道開槽粗加（jiā）工；（2）氣道（dào）擴槽粗加工；（3）葉片型麵粗加工；（4）氣流通道擴槽銑削半精加工；（5）葉片曲麵的銑削半精加工（gōng）；（6） 氣（qì）流通道擴槽銑削精加工；（7）葉片曲麵的銑削精加工；（8）葉片及輪轂之間的清根銑削。

      3.3 五軸銑削加工的（de）幾個關（guān）鍵工序分析

      （1）開槽加工及切削（xuē）方向的確定

      葉輪的毛坯為回轉體形狀，葉片間的氣道經粗加工開通，形成（chéng）通道，為加工葉片做（zuò）好準備（bèi）。開槽加工中槽（cáo）的位置（zhì）宜選在氣流通道（dào）的中間位置，多分為上下（xià）兩個部分加工，應注意兩部份刀路銜接（jiē）問題。刀路平行於氣流（liú）通道（dào），並保證槽底與輪轂表麵留有一定的加工餘量。一般采用圓柱形玉米銑刀或（huò）圓柱形（xíng）立銑刀銑（xǐ）削加工，由於（yú）氣道寬（kuān）度不等，所（suǒ）以在刀具直徑方麵應在下部寬闊處采（cǎi）用大直徑（jìng）刀具、上部狹窄處采用小直徑刀具的方法，如圖3 所示。

      （2）葉輪氣道的擴槽（cáo）粗加工及葉型粗加工

      采用球頭銑刀，擴槽及輪轂底麵粗加工在一次加工中完成，且葉型的粗加工一並完成（chéng），可以提高工作效率。走刀方式與開槽加工方式相同。從（cóng）開槽位置開始（shǐ），從（cóng）中心向外緣往（wǎng）兩邊葉片（piàn）擴槽，擴槽加工要保證葉型為後續半精和精（jīng）加工留有足夠餘量。考慮到生產效率，粗加工時走刀行（háng）寬應取大些.

      （3）葉片曲麵的半精、精加工

      葉片曲麵的半（bàn）精、精加工采用球頭銑刀。均采（cǎi）用側刃切削（xuē）方式，其（qí）中，半精加工采用如（rú）圖4 所示（shì）的環切方式，精加工采用圖5所示的切入切（qiē）出方式，以（yǐ）提高表麵質量。應注意每次加工的背吃刀量不宜過大（dà），可采用2 到3 次以上的分層銑削加工。考慮到（dào）被加工表麵的加工質量，走刀行寬應（yīng）取小些。

      （4）葉片及輪轂之（zhī）間的（de）圓角清根采用多種球（qiú）頭銑刀，應注意刀具直徑與（yǔ）圓角的（de）匹配。

      4 基於UGNX6.0 的葉輪造（zào）型與加工編程

      采用數控加工方法（fǎ）加工整體葉輪的CAD/CAM 係統（tǒng）結構如圖6 所示。

      五軸數（shù）控加工中心加工葉輪的（de）數控編程方法如下。

      （1）打開UG NX6.0，進入建模方式，根據葉片各截麵型值點生成曲線，再由多條（tiáo）曲線光滑連接生成葉片曲麵。對葉輪進行建模。

      （2）進入加工方（fāng）式界麵，按創（chuàng）建（jiàn）程序-創建刀具-創建（jiàn）幾何體（幾何視圖導航（háng）器）之編程點和毛坯-創建（jiàn）操作（zuò），進入可變輪廓銑加工（mill_multi_axis）方式。

      （3）開槽時可變輪廓銑對話框設置：部件（jiàn）幾何體設置為“幾何體”；過濾方法設置為“麵”，確定了幾何體以麵為（wéi）加工基準；驅動方法設置為“表麵積”，驅動曲（qǔ）麵為（wéi）輪轂氣流底麵。並在表麵積對話框（kuàng）中設置“驅動曲麵”和（hé）“切削方向”等參數（shù）；投影（yǐng）矢量設置為“垂直於（yú）驅動體（tǐ）”；軸設置為 “朝向（xiàng）點”，點特征位置為輪轂氣流底麵；另外設置切（qiē）削（xuē）參數等項（xiàng），完成開槽的刀路設置（zhì）。

      （4）葉片型麵銑削時可變（biàn）輪廓銑對話框設置：驅動方法設置為“表麵積”，驅動曲麵為葉片曲麵；軸設置改為“側刃驅動體”，選擇合適的刀軸方向（xiàng）。其它設置與前麵相似。（5）當單（dān）個葉片的（de）每一個加工程序完成後，可使用旋轉複製功能生成其餘葉片的（de）同類加（jiā）工程序（xù）。注（zhù）意不（bú）可（kě）在單個葉（yè）片所有程序（xù）完成後再進（jìn）行複製，否則加（jiā）工順序（xù）上違背了粗、中、精加工要分開的要求，造成過（guò）大殘餘應力。

      5 葉輪數控（kòng）編程（chéng）實例

      圖2 所示（shì）的小型汽輪機葉輪產品，直徑準300mm，高60mm，材料（liào）為鋁合金。葉槽通道最小尺寸為30mm，葉片及輪轂（gū）之間的圓角（jiǎo）為R3，在選擇刀具時應特別注意。圖7 為葉輪毛坯（pī）。毛坯由定位軸定位，上麵螺母壓（yā）緊。定（dìng）位軸安裝於機床工作台上。

      加工機床采用了立式五軸聯動高速加工中（zhōng）心，數控機床主要參數X 軸行程（chéng）900mm，Y 軸行程600mm，Z軸行程550mm。C 軸旋轉範圍（wéi）0°～360°，B 軸（zhóu）擺動（dòng）範圍-90°～90°，40 把刀位刀（dāo）庫，數（shù）控係統為SIEMENS 840D。表1、表（biǎo）2、表3 分別（bié）為葉輪氣流通（tōng）道粗、半精、精加工參數（shù）表，表4 為葉片與輪轂間的圓角清根加工參數。

      圖8 為（wéi）氣道開槽刀路仿真。圖9 為葉片型（xíng）麵粗加工刀路仿真。圖10 為葉片及輪轂圓角清根刀路仿真。圖11為葉輪3D 仿真結果。

      6 結語

      本文對整體葉輪的加工工藝和編（biān）程方法進行了研究。一般的加（jiā）工方法和三、四軸數控機床在加工葉輪曲麵時，加工精度達不到要求。通過五軸數控機床和UG 軟件的配合，可以實現整體葉（yè）輪的銑削加工，在很大程度上提高了加工質量和生產效率，在五軸數控加工方法實施方麵做出了有（yǒu）益的探索。