摘要（yào）：葉輪加工是當今多軸（zhóu）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（xì）地（dì）介紹了葉（yè）輪加工的全過程及（jí）加工過程的注意事項，為複雜產品的模型建立和多坐標數控編程提供了設計思路和方法。

      關鍵詞：UG；整體葉輪；多軸加（jiā）工

      作為動力機械的關鍵部件,整體式葉輪（lún）廣泛應用於航天（tiān）航空等領（lǐng）域,其（qí）加工技術一直是製造業中的一個（gè）重要課題。葉（yè）輪的加工質（zhì）量直接影響整機的（de）動力性能和機械效（xiào）率（lǜ）,數控（kòng）加（jiā）工是目（mù）前國內外廣泛采用的加工整體三元葉輪的方（fāng）法。整體葉輪的加工難點主要（yào）表現（xiàn）在: ①三（sān）元整體（tǐ）葉輪的形狀複雜,其葉片多為非可展扭曲直紋麵。②整體葉輪相鄰葉片的空間（jiān）較小,而且在徑向上設有半徑的減小通道越來越窄,因（yīn）此加工葉輪（lún）葉片曲麵時除了刀具與被加工（gōng）葉片之間發生幹涉外,刀具極（jí）易（yì）與相鄰葉片發生幹涉。③刀（dāo）位規劃時的約束條件多,自動生成無幹涉刀位軌跡較困難。前國外一般（bān）應用整體葉輪的五坐標加（jiā）工專用軟件,如美國NREC公司的MAX25,MAX2AB 葉輪加工專用軟件等。目（mù）前（qián）,我國大多數生產葉輪的廠家多（duō）數采用國外大（dà）型CAD /CAM軟件,如UG NX、CATIA、MasterCAM等來加工整體葉輪。本文選（xuǎn）用目前流（liú）行且（qiě）功能強大的UG NX 對複雜曲麵整（zhěng）體葉輪進行（háng）加工仿真研究。

      1．整體葉輪數（shù）控（kòng）加工工藝（yì）

      根據葉輪的幾何結構特征和使用要求(如圖1) ,其基本加工工藝流程為: 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（jiā）工； ④葉（yè）片精（jīng）加工； ⑤對底部倒圓進行清根。

圖1 葉輪幾何結構特征（zhēng）

      2．機床準備

      DMU- 100T 是（shì）從德國DMG 公司（sī）引進的一台全閉（bì）環五軸聯動數控加（jiā）工（gōng）中心, 采用主軸擺動+圓（yuán）工作台旋轉結（jié）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（zuò）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（chéng）熟的（de）特點。機床控製係統采用（yòng）HEIDENHAIN iTNC 530 係（xì）統。利（lì）用UG/Post Builder 軟件構建DMU-100T機床專用的後處理。

      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（guò）程中盡可（kě）能選（xuǎn）用大直徑球頭（tóu）銑刀,但是也要注意使刀具直徑小於兩葉片間最小距離；在（zài）葉片精加工過程中,應在保證不過切（qiē）的前提下盡（jìn）可能選擇大直徑球頭刀,即保證刀具半徑大於流道和葉片相接部（bù）分的最大倒圓半徑。在對流道和相（xiàng）鄰葉片的交接部分進行清根時（shí）,選擇的刀具半徑小於流道（dào）和葉片（piàn）相接部分的最小倒圓半徑。

      4． 數控編程

      4.1 粗加工

      粗加工是以快速切除毛坯餘量（liàng）為目的，其考慮的重點是加工效率，要求大（dà）的進給量和盡可能大的切（qiē）削深度。以便在較短的時間內切除盡可能多的餘（yú）量，粗加工對表麵質量的要求不高，因此，提高粗加工效率對曲麵加工效率及降低加工成本具有重要意義（yì）。在（zài）UG加工狀態下，在"創建操作"對話框中，選擇類型"MIL-CONTOUR"建立機床控製操作，再選擇子類型"CAVITY-MILL" 型腔銑（xǐ）。這是（shì）三軸聯（lián）動的粗加工模式，選用直徑為25R5的圓角（jiǎo）銑刀加工，切削方（fāng）式采用" 跟隨（suí）周邊"，背吃刀量的0.6mm，刀具與刀具之間的步距為刀具直徑（jìng）的65%，部件側麵與底麵留餘量0.5mm。其刀（dāo）具路徑如圖（tú）2所以示。

圖2 整體粗加工路徑

      4.2 開槽與擴槽

      葉片扭曲且包角較（jiào）大, 刀具要在通道內要（yào）合理擺動,使得（dé）刀具盡可能地接近葉片的（de）兩（liǎng）側麵而又（yòu）不過切輪廓及輪蓋, 采用通常的刀軸驅動方法很難實現（xiàn）。刀軸插補( ToolAxis Interpolation) 這一功能對於葉輪通道加工非（fēi）常有用,它通過（guò）在葉片與輪廓的交線上定義一係列的矢量以控製刀軸, 輪廓（kuò）麵上其餘刀具（jù）位置點（diǎn）的刀（dāo）軸矢（shǐ）量由U、V 雙向線性插值或樣條插值獲得。這樣, 刀軸（zhóu）能很好地按照加工（gōng）的（de）需（xū）要而得（dé）到控製, 在不過切的情況下, 最大限度地減少葉片麵與輪廓之間的（de）殘留區。邊界矢量的定義是（shì）一個十分細致的工作, 其基本原則是: 避免刀軸的突變, 保證刀軸平滑（huá）變化。在創建操作（zuò）對（duì）話框中，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（hé）體選擇整體葉輪，為了避免有過切現象，選擇流道兩側的麵為（wéi）幹涉檢（jiǎn）查麵，選擇驅動方式為"表麵積"，刀軸選（xuǎn）擇（zé）" 垂直於驅動（dòng）體"，選用直徑為6mm的球刀（dāo）加工，選擇多重深度切削，步進方式采用增量式，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（dāo）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（de）刀具路（lù）徑如圖3所以示。用刀路變換命（mìng）令加（jiā）工其餘流道曲麵。

圖3 流道粗加工（gōng）路徑

      4.3葉片精加工

      SWARF方法也叫側刃（rèn）或表麵驅動法, SWARF驅動刀軸隨葉片直紋麵的U向或V向連（lián）續（xù）變化, 刀具底部（bù）接觸輪廓麵。側麵接觸葉片表（biǎo）麵形成（chéng）單條刀路, 從而實現葉片的精加工。

      在創建操作對話（huà）框中，選擇類型"mill_multi_zxis" 多（duō）軸銑加工操作（zuò）建立模板，選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。選擇驅動方式為"表（biǎo）麵積"，為（wéi）了加工到位，設置（zhì）曲麵百分比方法如圖4所（suǒ）示。刀軸選擇（zé）"側刃驅動"，切削模（mó）式選擇單向。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留餘量為0。產生的刀（dāo）路路徑如圖5所示，用刀路變換命（mìng）令加工其餘葉輪（lún）曲麵。

圖（tú）4 曲麵百（bǎi）分（fèn）比設置 

圖5主葉片精加工路徑（jìng）

圖6 分流葉片精加工路徑

      4.4流道精加工

      同樣選擇類（lèi）型"mill_multi_zxis"多軸銑（xǐ）加工（gōng）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，為了避免（miǎn）有（yǒu）過切現象，選擇流道兩側的麵為幹涉檢查麵（miàn），選擇驅動方式為"表麵積"，刀軸選擇"插補"步進方式（shì）采用"殘餘波峰高度"，殘餘高度為0.005,選（xuǎn）用直徑為6mm的球刀加工（gōng）。產生的刀路路徑（jìng）如圖（tú）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（lù）徑

      4.5　模擬加工仿真

      UG係統自帶有三種類型的五軸機（jī）床,本論文選用其中的回轉/擺動型機床（chuáng）進（jìn）行虛（xū）擬仿真加（jiā）工,旋（xuán）轉軸（zhóu）是A軸,轉台（tái）旋（xuán）轉軸是（shì）C軸。通過機床導航（háng）器調入機床組件和刀具組件,葉輪零件安放在轉台上麵即可進（jìn）行加工仿真如圖7所示。

圖8 模擬加工結果

      4.6　機床加（jiā）工

      通過模（mó）擬仿真加工（gōng）檢查零件加工過程中機床是（shì）沒有任何碰撞、過切現象，可以在機床實際加工，通過（guò）機床完整的加工出零件（jiàn）如（rú）圖所示。

圖9 加工過（guò）程中的零件                                                圖10 加工好的零件

      5．結論

      本（běn）文（wén）利用UG NX軟件對整體葉輪進行了加工仿（fǎng）真（zhēn）,合理選擇了加工（gōng）使用的刀具和機床,並針對流道（dào）和葉片的幾何特征確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（gōng），生成的加工軌跡（jì）。

      文中介紹的對流道的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義矢量方向來（lái）控製刀具軸（zhóu）。當驅動或零件幾何體非常複雜，又沒有附加刀具軸控（kòng）製幾何（hé）體時，插補（bǔ）刀具軸可以控製劇烈的刀具軸變化，調節刀軌，避免（miǎn）碰到障礙物。指定的（de）矢量越多，對刀具軸的控製越多。使用這種方法時，驅動幾何體引導刀具側刃（rèn），零件幾何體引導刀具底部。可（kě）以控（kòng）製輸出很好的加工刀軌，加工出來的曲麵（miàn）質量相當高。

      五軸加工是最難（nán）也是最重要的（de）是避免發生幹涉，本文對對流道和底（dǐ）部圓角加工時對刀具的進退倒進行了控製（zhì），依（yī）據葉輪的（de）特征，區域之間快速移動（dòng）時以（yǐ）球的方式控製（zhì）刀軸的移（yí）動，使刀軌變的更清晰，這（zhè）樣不（bú）僅提高（gāo）加工效（xiào）率，而且使加工變（biàn）的更加安全。