1 引言

      葉輪類零件在軍工、冶金、石化、礦山等（děng）許多行業中廣泛應用，如風機、發動機葉輪、壓縮機及水泵葉輪等。葉輪型（xíng）麵的設計以流體力學和空氣動力學等理論為依據，構成符合上述理（lǐ）論的流動性（xìng）曲麵。葉輪曲麵的精度難以通過一般的加工方法和手段達（dá）到，因此，加工精度（dù）和表麵質量對葉輪（lún）性能參數有很大影響。普通葉輪多采用鑄造成型後機械（xiè）加工成型或葉片單獨加工後將葉片（piàn）與輪轂焊接的（de）方法，如圖1 所示。由於葉輪工作麵形狀（zhuàng）複雜，難以保證鑄造精度，而後續的加工工藝（yì）過程複雜。如精度要求高的葉輪，從圖紙到成品，一般都要經過多個工（gōng）序（xù）。在光整加工方麵，則是按照光（guāng）學屏幕上放大了的截麵圖曲線經過普通砂帶磨後由人工直接拋光到（dào）位，多（duō）個截麵之間的平滑過渡不易（yì）保證，廢品率高，拋光工人的勞動強度很大。拋光工人所做（zuò）工作性質單一（yī），技術含量不（bú）高。使葉（yè）輪曲麵精度難以保證，表麵質量差，難以達到設（shè）計要求（qiú）。

      近十多年的數控技術迅速發展和數控（kòng）機（jī）床的廣泛使用使我國的製造技術得到很大提高。特別（bié）是五坐標軸以上的數控機床逐漸裝備到企業中，使得整體（tǐ）加工葉輪類零（líng）件成（chéng）為可（kě）能。五坐標機（jī）床功能強大、加工效率高、質（zhì）量好。五（wǔ）坐標數控加工中心在加工複（fù）雜曲麵方麵有獨到之處，是數控加（jiā）工領域研究熱（rè）點。總之，由於（yú）整體葉輪結構的複雜性，其數控加工技術一直是製造（zào）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車削成為葉輪回（huí）轉體的基本形狀，在五軸數控加工中心上使輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成, 滿足壓氣機葉輪產品強度要求，曲麵誤差小，動平衡時去（qù）質量較少，因（yīn）此是較理想的加工方法。

      2 五軸數控加工中心

      五（wǔ）軸（zhóu）加工中心具（jù）有X、Y、Z 三個移動坐（zuò）標軸和兩個轉動坐標軸。最大的優勢在於（yú）五個軸可以聯動（dòng）。對於安裝於夾具上的工件來（lái）說，合成運動可使刀具在五軸的空間內任意（yì）控製，保證了切削曲麵可加工到位（wèi），並避免了刀具對工件（jiàn）的誤切削。比三、四軸加工中心具有更廣的（de）工藝範（fàn）圍和加工精度（dù）更高（gāo）、質（zhì）量更好。五軸加（jiā）工中心特別適宜於具有大型（xíng）複雜曲麵零件的加工。

      3 葉輪加工特（tè）點及工藝方案分（fèn）析

      3.1 葉輪加工特（tè）點分析

      （1）葉輪上有很（hěn）多葉片（piàn），葉片數按（àn）輪轂直（zhí）徑大小不同而不（bú）同，葉片有長有（yǒu）短，葉片為空間曲麵、扭曲程度高，並且有後仰的（de）趨（qū）勢，加工時刀具的相對擺動極易對相鄰葉片產生（shēng）切（qiē）削幹涉，因此刀具（jù）切削方向的（de）選（xuǎn）擇尤其重（chóng）要。另外，曲（qǔ）麵需要分段加工，應注意保證加工表麵的一致（zhì）性；（2）葉（yè）片之間的流道相對較窄，加（jiā）工空間較小，難以采用強度和剛性較好的大（dà）直（zhí）徑刀具；（3） 葉（yè）片進氣與出氣邊緣圓角曲率（lǜ）半徑變化大，使刀具和夾（jiá）具角度變化大；（4）為滿足強度的需要，葉輪輪（lún）轂與葉片之間（jiān）的過渡采用了變圓角方式，應十分注意刀具的選擇；（5）葉片屬於（yú）結（jié）構複雜（zá）的（de）薄壁件、工藝剛性差，在工藝（yì）安排上需要考（kǎo）慮多（duō）工步反複加（jiā）工葉片型麵的措施，以防加工殘餘應力所帶來的形變。（6）整體葉輪的材料一般有鋁合金、不鏽（xiù）鋼、鈦合金等，因此（cǐ）在工藝安排上應盡量考慮因材料不同所帶來的問題。

      3.2 葉（yè）輪加工工（gōng）藝（yì）方案分析（xī）

      整體葉輪的數控加工工藝（yì）過程主要有6 大步驟：（1）鍛造毛坯；（2）數控車（chē）削（xuē）粗加工出回轉體形狀（zhuàng）；（3）五軸數（shù）控機床銑削加工葉片型麵；（4）輪轂表麵數控車削精加（jiā）工（gōng）；（5）葉片型麵的（de）光整加工（砂帶磨削、手工拋光）；（6）其（qí）間穿插多次熱處理和檢驗工序。

      其中，五軸（zhóu）數控機床銑削加工葉片型麵工序由以下（xià）工步組成：（1）氣道開（kāi）槽粗加工；（2）氣道擴槽粗加工；（3）葉片型麵粗加工；（4）氣流通（tōng）道擴槽銑削半精加（jiā）工；（5）葉片曲麵的銑削半（bàn）精（jīng）加工（gōng）；（6） 氣流（liú）通道擴槽銑（xǐ）削精加工；（7）葉片曲麵的銑削（xuē）精加工；（8）葉片及（jí）輪（lún）轂之間的（de）清根銑削。

      3.3 五（wǔ）軸銑削加工的幾個關鍵（jiàn）工序分析

      （1）開槽加工及切削方向的確定

      葉輪的毛（máo）坯為回（huí）轉體形（xíng）狀，葉片間的氣道經粗加工開通，形成通道，為（wéi）加工葉片做好準備。開槽加工中槽（cáo）的位置宜選在氣流通道的中間位（wèi）置，多分為上下兩個部分加工，應注意兩部份刀路銜接問題。刀路平行於氣流通道，並保證槽底與（yǔ）輪轂表麵（miàn）留有（yǒu）一定的加工餘量。一般采用圓柱形玉米銑刀或圓柱形立銑刀銑削加工，由於氣道寬度不（bú）等，所以在刀具直徑方麵應在下部（bù）寬闊處（chù）采用（yòng）大直徑刀具、上（shàng）部狹窄（zhǎi）處采用小直徑刀具的方法，如圖3 所示。

      （2）葉（yè）輪氣道（dào）的擴槽粗加工（gōng）及葉型粗加工

      采用球頭銑刀，擴槽（cáo）及輪轂底麵粗加工在一次加工中完成，且葉型的粗（cū）加工一並完成，可以提高工作（zuò）效率。走刀方式（shì）與開槽加工方式相同。從開槽位置（zhì）開始，從中心向外緣往兩邊葉片（piàn）擴槽，擴槽加工要保證葉（yè）型為後續半精和精加工留有足夠餘量（liàng）。考慮到生（shēng）產效率，粗加工時走刀行寬（kuān）應取大些.

      （3）葉（yè）片曲麵的半精、精加工

      葉片曲麵的半精、精加工采用球頭銑（xǐ）刀。均采用側（cè）刃切削方式，其中，半精加工采用（yòng）如圖4 所示的環切方式，精加工（gōng）采用圖（tú）5所示的切入（rù）切出方式，以提高表麵質量。應注意每次（cì）加工的背吃刀量不宜過大，可采（cǎi）用2 到3 次以（yǐ）上的分層銑削加工。考慮到被加工表麵的加工質量，走刀行寬應取小些（xiē）。

      （4）葉片及輪轂之（zhī）間的圓角清（qīng）根采（cǎi）用多種球頭銑刀（dāo），應注意刀具直徑與圓角的匹配。

      4 基（jī）於UGNX6.0 的葉輪造型與加工編（biān）程

      采用數控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM 係統結構如圖6 所示。

      五軸數控加工中心加工葉輪的數控編程方法如下。

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

      （2）進入加工方式界（jiè）麵，按創建程序-創建刀具-創建幾何體（幾何視圖導航器）之編程點和毛坯-創建操作，進（jìn）入可變輪廓銑加工（mill_multi_axis）方式。

      （3）開槽時可變（biàn）輪廓銑對話框設置（zhì）：部件幾何體設置為“幾何（hé）體”；過濾方法設置為“麵”，確定了幾何體以（yǐ）麵為（wéi）加工基準；驅（qū）動方法設置為“表麵積”，驅動曲麵為輪轂氣流底（dǐ）麵。並在表麵積對話框中設置“驅（qū）動曲麵”和“切削方向”等參數；投影矢量設置為“垂直於驅動體”；軸設置為 “朝向點”，點特征位置為輪轂氣流底麵；另外設置切削參數等項，完成開槽的刀路設（shè）置。

      （4）葉片型麵銑削時可變輪廓銑對話框設置：驅動方法設置為（wéi）“表麵（miàn）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。其它設置與前麵相似。（5）當單（dān）個葉（yè）片的每一個加（jiā）工程序完成後（hòu），可使用旋轉複（fù）製功（gōng）能生成其餘（yú）葉片的同類加工程序。注意不可在單個葉片所（suǒ）有（yǒu）程序完成後再進行複製，否則加工順序（xù）上違背了粗、中、精加工要分開（kāi）的要求，造成過大殘餘應力。

      5 葉輪數控編程實例

      圖2 所示的（de）小型汽輪機葉（yè）輪（lún）產品，直徑準300mm，高60mm，材料為鋁合金。葉槽（cáo）通道最小尺寸為30mm，葉片及輪轂之間的圓（yuán）角為（wéi）R3，在（zài）選擇（zé）刀具時應（yīng）特別注意。圖7 為葉輪毛坯（pī）。毛坯（pī）由定位軸定位（wèi），上麵螺母壓緊。定位軸安裝於機床工作台上。

      加工機（jī）床采用了立式五軸聯動高（gāo）速加工中心，數控機床（chuáng）主要參數X 軸行程900mm，Y 軸行程600mm，Z軸行程550mm。C 軸旋（xuán）轉範（fàn）圍0°～360°，B 軸擺動範圍-90°～90°，40 把刀位刀庫，數控（kòng）係統為（wéi）SIEMENS 840D。表1、表2、表3 分別為葉輪氣流通道粗、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（cān）數。

      圖8 為氣道開槽刀路仿真。圖9 為葉片（piàn）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（tú）11為葉輪3D 仿真結果。

      6 結語

      本文（wén）對整體葉輪的加工工藝和編程方法進行了（le）研究。一般的加工方法和三、四軸數控機床在加工（gōng）葉輪曲麵時，加工精度達不到要（yào）求。通（tōng）過五（wǔ）軸數控機床和UG 軟件的配合，可以實現整體葉輪的銑削加工，在很大程度上提高了（le）加工質量和（hé）生產效率，在五（wǔ）軸（zhóu）數控加工方法實施方麵做出了有益（yì）的探索。