1 引言

      葉（yè）輪是渦輪式發動機（jī）的核心部（bù）件。其典型（xíng）的應用還有離心壓縮機、泵、徑（jìng）流式渦輪和膨脹機等許多（duō）動力機械。其加工質量的優劣對發動機的性能有著決定性的影響。然而，通常發動機中的葉輪為整體葉輪，而其葉片的形狀又是（shì）機（jī）械（xiè）中最難加工的曲麵構成的。因此，整體葉輪的加工一直是機械加工中長期困擾工程技術人員的難題。為了加工出合格的葉（yè）輪，人們（men）想出了很多的辦法。由最初的鑄造（zào）成型後修光，到後（hòu）來的石（shí）蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法。其中，也有的廠家利（lì）用三坐標仿（fǎng）形銑。但是這些方法（fǎ）不是加工效率低下，就是精度或產品機械性能不佳，一直到數控加工技術應用到葉輪的加工（gōng）中，這些問題才得到了根本的（de）解決。[1~4,8~10]

      葉輪加工的（de）複雜性主要在於（yú）其葉片是複雜的曲麵造型。而且能否精確地加工出形狀（zhuàng）複雜的葉輪已成為（wéi）衡量數控機床（chuáng）性（xìng）能的一（yī）項重要標準。曲麵根據形成原（yuán）理可以分為直紋曲麵和非直（zhí）紋曲麵。直紋麵又可（kě）分為可（kě）展直紋麵和非可展（zhǎn）直紋麵，對於可（kě）展直紋（wén）麵，完全可（kě）以（yǐ）使用非數控機床（chuáng）進行加（jiā）工。而對於非可展直紋麵和自由曲麵（非（fēi）直紋曲麵）葉片的整體葉輪來說，則必須用四軸以（yǐ）上聯動的數控機床才能準確地將其加工出來（lái）。

      由於數控機床（chuáng）具有四軸聯動或五軸聯動的功能，則（zé）利用它進行葉輪加工時，既（jì）可以保證刀具的球頭部分對工件進行（háng）準確地切削，又可以利用其（qí）轉動軸（zhóu）工作（zuò）使刀具的刀體或刀杆部（bù）分避讓開工件其（qí）它部分，避免發生幹（gàn）涉或過切。

      2 國內外葉輪數（shù）控加工（gōng）發（fā）展現狀

      早在七（qī）十年代初我國的幾家大型企業就開始（shǐ）將數控機（jī）床用（yòng）於（yú）整體葉輪的加工上。目（mù）前，我國已有越來越多的廠家開始采用鍛（duàn）造毛坯後多坐標NC 加工成型的（de）方（fāng）法加工葉輪，尤（yóu）其是國防工業中所用的關鍵（jiàn）葉輪，如火箭（jiàn）發動機的轉子、風（fēng）扇，飛機發（fā）動機的渦輪等（děng）。目前都已采用多坐標數控機床加工。國內所用的機床大多是引（yǐn）進的具有國際先進水（shuǐ）平的四、五軸聯動（dòng）數控機床（chuáng）。

      按葉輪的（de）曲麵形（xíng）狀的不同，在數控機床上加工（gōng）葉（yè）輪采用了兩（liǎng）類方法。第一類是（shì）點銑法，即用球頭刀按葉片的流線方向（xiàng）逐行走刀（加工一個葉片一般需50~200 次走刀），逐漸加工出葉片曲麵。這種方法（fǎ）在自由曲麵（miàn）型葉片上（shàng）普遍采（cǎi）用（yòng），在一小部分直（zhí）母線型葉（yè）片上也采用。我國航天用的轉子、風扇都采用這種點銑法。

      以航天部某機器廠加（jiā）工某（mǒu）型號葉輪為例，葉輪材（cái）料為TC6 鈦合金。其加工方法即是（shì）在四軸聯動的機床上利用圓柱（zhù）球頭（tóu）銑刀進行點銑加（jiā）工。即從葉片頂部開始，沿葉片的流線方向（xiàng），用球頭刀的刀頭部分對其進行切（qiē）削，當其走刀行程加工完一側的一條流線後，經過退刀及進刀後，刀具即向輪轂方向移動0.3mm，進行下一次切削，直（zhí）到葉片的一麵加工完畢（bì），再對（duì）另一麵進行切削。如圖1。

      利用這種方法加工出的葉片能夠較精（jīng）確地符（fú）合（hé）葉片設（shè）計（jì）型麵的要求，精度較（jiào）高，而且加工走刀方向和設計流線方向（xiàng）相同，對葉輪運行時的動力性能有利。但是其最顯著的缺點為加工效率低下，上述所加工葉輪直徑為279mm，葉片高度為40~75mm。用這種方（fāng）法加工出一個完整的葉輪（lún）耗費機時500 個左右，需占用機床一個月，耗費大量的機時費和人（rén）工費用（yòng）。大大增加（jiā）了產（chǎn）品的生產成本。而且，這種點銑（xǐ）的切削方式，隻有刀具頭部（bù）一點或一（yī）圈切（qiē）削刃參加切削，刀具磨損嚴重，需要經常換刀及重磨刀具，生產成本進一步（bù）增（zēng）加。第二類是側銑法。即用圓柱銑刀或圓錐（zhuī）銑刀的側刃銑（xǐ）削葉片曲（qǔ）麵，它主要用於（yú）直母線型葉輪的加工上。我國增（zēng）壓器模型葉（yè）輪已采用此種方法製造。這種銑削方法比采用點銑法（fǎ）能顯著改（gǎi）善葉片的表麵粗糙度以及顯著提高葉輪（lún）的加工效率，但（dàn）是我國國防工業中，由於對側銑加工的方法有疑慮，很少采用側銑的方（fāng）法（fǎ），使葉輪的加工效（xiào）率低下。

      盡（jìn）管非可展直紋麵是（shì）非可展的，（也（yě）就是說（shuō），存在於（yú）直母線兩端的曲（qǔ）麵（miàn）法矢方向（xiàng）是不平行（háng）的）但它畢竟是由直母線沿導線掃描形成（chéng）的。（以直紋拋物麵為例，就是直母線的一（yī）端以直（zhí）線為（wéi）導線，而另一（yī）端以（yǐ）拋物線為導（dǎo）線，掃描而成的）也就（jiù）是說，將曲麵離（lí）散後，可以得到曲麵上的一條條方向各不相同的直線。

      正是利用很大部分葉輪曲麵為非可展直紋麵（miàn）這一特（tè）性。國外許多家公司已開始采用四軸側銑來加工非可展直紋麵葉片（piàn）的整體葉輪。其中世界上最著（zhe）名的美國NREC 公司提供的（de）資料上就介（jiè）紹（shào）了該公司生產的軟件MAX5就能夠完成為葉輪的四軸側銑數控加工生成數控代碼的工作。[7]在該軟件中采用了（le）三項美國專利來解決用側銑加工非可展直紋麵的誤差問題。用數控（kòng）編程時進行（háng）的處（chù）理工作來避免理論切（qiē）削誤差。同時，軟（ruǎn）件中針對各種（zhǒng）不同的葉輪形（xíng）式還設計了切（qiē）削路徑的模板，可以直接生成刀具軌跡，然後根據具體（tǐ）情況再（zài）進行調整，這（zhè）樣可以大大地節約編程時間，提高效率。

      據調查，在俄羅斯的葉輪加工中，也已大量使用側（cè）銑（xǐ）的加工方法進行加工，前（qián）例中提到葉輪在俄羅（luó）斯隻（zhī）需幾十個小時即可加（jiā）工完成，而有些非重要用途的鋁材料葉輪甚（shèn）至隻需幾十分鍾即可加工完畢。生產效率大大提高，而且利用側銑的方法加工，可（kě）以（yǐ）避免刀具與工件接觸區集（jí）中於一點，從而減輕了刀具磨損，這兩項都大大（dà）地降低（dī）了生（shēng）產成本和（hé）表麵粗糙度。

      而且，這些年發展起來的高速切削（xuē）在葉輪葉片加工中已（yǐ）經廣（guǎng）泛使用。Starrag 公司提供的（de）五軸（zhóu）、四軸葉輪葉片加工機（jī）床的最（zuì）高轉速可達（dá）5 萬轉/分（fèn）。實際生產中轉速也常用到1 萬轉/分左右。使用硬質（zhì）合金刀（dāo）具加工不鏽鋼普遍切削速度為150米/分。

      在編程（chéng）方麵（miàn），葉輪的數控加工代碼的（de）生成也是一個很重要的（de）步驟。目前多數廠家采用通用CAD/CAM 的商用（yòng）軟件編製葉輪的數控加工程序。目前用得較多的（de）有UGⅡ，CAMAND 等。采用這些軟件（jiàn）編（biān）程有不（bú）便之處，由於通用軟件並非針對某（mǒu）一種零件設計，所以其功能（néng）繁多、界麵複雜。輸入參數後須（xū）經（jīng）過（guò）許多步驟才能編出程序（xù），且需多次反（fǎn）複，而且編（biān）程人（rén）員必須對葉輪幾何造型很熟悉，同時用相當多的時間學習掌握了通用軟件的使用方法才能（néng）編出葉（yè）輪數控加工程序。

      也有部分工廠未采用通（tōng）用軟件，而是針對某一（yī）葉輪編製了專用程序，但現在情況多是使用麵窄，使用性能也較差。例（lì）如，航天機電集團某廠（chǎng）所做風扇是使用早年北京郵電（diàn）大學研製的程序，此程序還是DOS 下所（suǒ）編製的（de），使用很不方便。航天機電集團三院某所的加工轉子的軟件也是在此基礎上改編的。

      國際上（shàng）有（yǒu）許多工廠與我國（guó）的（de）情況類似，也采用通（tōng）用軟（ruǎn）件編製葉（yè）輪數控加工程序（xù）。但一（yī）些先（xiān）進的多坐標（biāo）數控機床生產廠商(如STARRAG)及專業的葉輪（lún）加工（gōng）工廠（如美國的NREC）都推出了專用於葉輪（lún）的數控加工（gōng）軟件包，如MAX-5， MAX-AB，STARRAG 程序等。不采用通用的CAD/CAM 軟件有一係（xì）列的優（yōu）點。這是因為專用軟件的生產廠商通常（cháng）都（dōu）有多年的葉輪加工和數控編程的經驗，軟件中針對不同（tóng）特征的葉輪設計了刀具路徑模板。對於葉輪加工中最易出（chū）現的幹涉問（wèn）題，也有了充分的（de）考慮（lǜ）。這些都（dōu）是通用軟件所不（bú）具備的（de）。另外（wài），這些軟件通常集（jí）成性好，可以和設計結果和（hé）工藝設計直接相（xiàng）連。作為專用軟件，界麵更為簡（jiǎn）潔、重點突出，利於設計人員掌（zhǎng）握。這些程（chéng）序盡管編程性能優良，但所包含的工藝信息都很少。一（yī）般隻提供刀具尺寸表、轉（zhuǎn）速表、進給率表等，而（ér）缺乏推薦的切（qiē）削（xuē）刀具與切削量，更沒有如何減少加工變形的指南。

      我國尚缺乏在這種專用於葉輪的數控加工的編程軟件，國內少（shǎo）數工廠已經認識到（dào）專用軟件的優越性，意欲引進。但國外索價昂貴。所以開發中國產權的（de）葉輪數控加工軟件迫在眉睫。

      3 一種新的數控加工方法

      從理論上講，利（lì）用（yòng）四軸、五（wǔ）軸聯動機（jī）床側銑的方法來（lái）加工（gōng）非可展直紋麵，是有（yǒu）誤差的。而且，對（duì）於直紋（wén）拋物麵這種非可展直紋麵來說，加工一個（gè）曲麵時，刀具與工件的接觸線越長，加工誤差（chà）也就越大。雖然，相對於點銑來說，側銑的加工效率要高出許（xǔ）多（duō）。但（dàn）是如果加工後（hòu）型麵誤差不（bú）合格就不能采用側銑法。可見誤差計算十分重要。美國的NREC 公司也是在（zài）采用計算誤（wù）差後（hòu）通過（guò）調整（zhěng）刀位保證誤差合格，從而進（jìn）行側銑加工。但其刀位調整方法是保密的。

      本文（wén）中正是針對這一問題提出了分片側銑（xǐ）的加工方法進（jìn）行非可展直紋麵的葉輪葉片（piàn）的加工。 [11,12,13,14]也能實現這一功能。

      很容易理（lǐ）解，分片側銑就是利用側銑的方法加工葉（yè）片，但並不是一次就將整個葉片從葉頂到葉根全部銑出。而是將葉（yè）片（piàn）縱向分為幾片，加工時首先用刀具（jù）側（cè）刃加工最外麵（miàn）的一片（piàn）。然後，進行退刀、進刀，再加工相鄰的下（xià）一個分片。分片數越多，工件與刀具的接觸線就越短，理論加工誤差就越小。當分片數足夠多（duō）時，加工誤差就會符合工件要求。具體方法如圖（tú）2。

      在此思想指導下開發的專（zhuān）用葉輪CAD/CAM軟件係統，在刀位計算過程中，首先由用戶選擇分片數。軟件係統則會自動計算出刀位（wèi）點及加工（gōng）誤差，如果加工（gōng）誤差超過設（shè）計人員（yuán）所要求的誤差範圍，則軟件提（tí）示操作者增加分片數，重複上一過程，直到誤差合格（gé）為止，經過計算，上例中所提到的（de）葉輪（lún）葉片分片數大於3 時，誤（wù）差計算即可合格。並且經過（guò）Vericut 仿真軟件驗證，加工（gōng）完成（chéng）件的形狀及誤差均符合要求（qiú）。仿真結果如圖3。這樣，加（jiā）工葉片單麵所需的走刀次數由 250次左右減少（shǎo）到4 次（需進行清根（gēn）），效率可提高（gāo）60 多倍。當然這隻是理論計算，如另外考（kǎo）慮切削力增大對（duì）刀具振動、葉片（piàn）（薄壁件）加工變形的影響，則需工藝人員根據實際情況再（zài）適當增加分片數。據估計實際效率應增加10 倍以上。

      4 結論

      目前國內外葉輪數控方（fāng）法大致分為兩大類：點銑（xǐ）法和側銑法。尤其對直紋葉片曲麵的葉（yè）輪，在國外已廣泛采用側銑（xǐ）法進行加工，加工效率及精度（dù）都較高，已較成熟。而在國內此方法尚在探索（suǒ）階段，應當成為工藝人員的研究方向。與此相應，國外用於（yú）葉（yè）輪的數控加工軟件已較為成熟，但對（duì）於國內（nèi）大（dà）多（duō）數廠家來說價格難以承受；而（ér）國內的數控加工軟件功能及穩（wěn）定（dìng）性尚需進一步提高。本文也在此方麵進行了一些探索，提供了一（yī）種新（xīn）的工藝方案——分（fèn）片側銑。相（xiàng）信在不久的將來國內外葉輪（lún）加工廠家必（bì）將以高效、高質的側銑工藝代替（tì）效率（lǜ）及質量都（dōu）很低下的點銑（xǐ）加工，我國的葉輪生（shēng）產（chǎn）也將跨上一個新的台階。