摘要：葉輪加工（gōng）是當今多軸聯運數控加工最常見的實例（lì），也是數控加工的難點之一。本文詳細地介紹了葉輪（lún）加工的全過程（chéng）及加工過程的注意事項（xiàng），為複雜產品的模型建（jiàn）立和多坐標數控（kòng）編程提（tí）供了設計（jì）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,整體式葉輪廣泛應用於航（háng）天航空等領域（yù）,其加工技術一直是（shì）製造業中的一個重要課題。葉輪的加工質（zhì）量直接影響整機的動力性能和機械效率,數控加（jiā）工是目（mù）前國內外廣泛采用的（de）加工（gōng）整體三元葉輪的方法。整體葉輪的加工難點主要表現在: ①三元整體葉輪的形狀複雜,其葉片多為非（fēi）可展扭曲直紋麵。②整體（tǐ）葉輪（lún）相鄰葉片的空間較小,而且在徑向上設（shè）有半（bàn）徑（jìng）的減（jiǎn）小通道越來越窄,因此加工葉輪葉片曲麵時除了刀具與被加工葉片（piàn）之間（jiān）發生幹涉外,刀（dāo）具極易與相鄰葉片（piàn）發生幹涉。③刀位規劃時的約（yuē）束條件多,自（zì）動生成（chéng）無幹涉刀位軌跡較困難。前國（guó）外一般應用整（zhěng）體葉輪的五坐標加工（gōng）專用軟件,如美國（guó）NREC公司的MAX25,MAX2AB 葉輪加工專用（yòng）軟件等。目前（qián）,我國大多數生產葉輪的廠家多數采用（yòng）國外大型CAD /CAM軟件,如UG NX、CATIA、MasterCAM等來加工整體葉輪。本文選用（yòng）目前流行且功能強大的UG NX 對複雜（zá）曲麵整體葉輪進（jìn）行加工仿真研究。

      1．整體葉輪數控（kòng）加工工藝

      根據（jù）葉輪的幾何結構（gòu）特征和使用要求(如圖1) ,其基本加工工藝流（liú）程為: ①在（zài）鍛壓鋁材（cái）上車削加工（gōng）回轉體的基本形狀； ②外型整體粗加工； ③流道粗加工； ④葉片精加工； ⑤對底部倒圓進行清根。

圖1 葉輪幾何結（jié）構特征

      2．機床準備

      DMU- 100T 是從德國DMG 公司引進的一台全閉環五軸聯動數控加工中心, 采用主軸擺動+圓工作台旋轉結構。行（háng）程參（cān）數為（wéi）: X軸1080mm, Y軸710mm, Z軸710mm, A軸(主軸擺動)360°, C 軸( 工作台旋轉)360°。該機床具有轉速高、聯動結構穩定性高、五軸（zhóu）聯動技術成熟的特點。機床控製係統采用HEIDENHAIN iTNC 530 係統。利用UG/Post Builder 軟件構建DMU-100T機床專用的後處理。

      3．刀具的選（xuǎn）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,但是也要注意使刀具直徑小於兩葉片間最小距離；在葉片精加（jiā）工過程（chéng）中,應在（zài）保證不過切的前提（tí）下盡可能選擇大直（zhí）徑球頭刀,即保證刀具半徑大於流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在對流道和相鄰（lín）葉片的交接部分進行清根時,選擇的刀具半徑小於流（liú）道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

      4． 數控編程

      4.1 粗加工

      粗加（jiā）工是以快速切除毛坯餘量為目的，其考慮（lǜ）的重點是加工效率，要求大的進給量和盡可能大的切削深度。以便在較短的時間（jiān）內切（qiē）除盡可能多（duō）的餘（yú）量（liàng），粗加工對表麵質量的（de）要求不高，因此，提高粗加工效率對曲麵（miàn）加工效率及降低加工成本具有重要意義。在UG加工狀態下，在"創建操作"對話（huà）框中，選擇類型"MIL-CONTOUR"建立機床控製（zhì）操作（zuò），再選擇子類型"CAVITY-MILL" 型腔銑（xǐ）。這是三軸聯動（dòng）的粗加工模式（shì），選用直徑（jìng）為25R5的圓角銑刀加工，切削（xuē）方式采用" 跟隨周邊（biān）"，背吃刀量的0.6mm，刀具與刀具之間的步距為刀具直徑的65%，部件側麵與底（dǐ）麵留餘量0.5mm。其刀具路徑（jìng）如圖2所以示。

圖2 整體粗加工路徑

      4.2 開槽與擴槽

      葉片扭曲且包角較大, 刀具（jù）要在通道內要合理擺（bǎi）動,使得刀具盡可能地接近葉片的兩側（cè）麵而（ér）又不（bú）過切輪廓及輪蓋, 采用通（tōng）常的刀軸驅動方法很（hěn）難實現（xiàn）。刀軸插補( ToolAxis Interpolation) 這一（yī）功能對於（yú）葉輪通道加工非常有用,它通過在葉片與輪廓的交（jiāo）線上定義一係（xì）列的矢量以控製刀軸, 輪廓（kuò）麵上其餘刀具位置點（diǎn）的（de）刀軸矢量由U、V 雙向線性插值或樣條插值獲得。這樣（yàng）, 刀軸能很好地按照加工的需要而得到控製, 在不過切的（de）情況下, 最大限度地減少葉片麵與輪廓之間的殘留區。邊界矢（shǐ）量的定義是一個十分細致的工作, 其（qí）基本（běn）原則是: 避免刀軸的突變, 保證刀軸平滑變化。在創（chuàng）建操（cāo）作對話（huà）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。幾何體選擇整體葉（yè）輪，為（wéi）了避免有過切現象，選擇流道兩側的麵為幹涉檢查麵（miàn），選（xuǎn）擇驅動方式為"表麵積"，刀軸選擇" 垂直於驅動體"，選用直徑為6mm的（de）球刀加工，選擇多重深度切削（xuē），步進（jìn）方式采用增量式，增量值為0.5mm，部件留餘（yú）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（yù）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（shè）置（zhì）為"球"半徑選擇250mm. 生成的刀具路徑如圖3所以示。用（yòng）刀路變換命令加工其餘流道曲麵。

圖3 流（liú）道粗加工（gōng）路徑

      4.3葉片精加工

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

      在創（chuàng）建操作對話框中，選（xuǎn）擇類（lèi）型"mill_multi_zxis" 多軸銑加工操作建立模板，選擇（zé）"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。選（xuǎn）擇驅動方式為"表（biǎo）麵積"，為了加工到位，設置曲（qǔ）麵百分比方法如圖（tú）4所示。刀軸選擇"側刃驅動"，切削（xuē）模式選擇單向。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留餘量（liàng）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輪曲麵。

圖4 曲麵百（bǎi）分比設置 

圖5主葉片精加工路徑

圖6 分流葉片精加工路（lù）徑

      4.4流道精加工

      同（tóng）樣選（xuǎn）擇類型"mill_multi_zxis"多軸銑加工（gōng）操作建立模板，選擇（zé）"VARIABLE_CONTOUR"子類型（xíng）變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免有過切現象，選擇流道兩側的麵為幹涉檢查麵，選擇（zé）驅動方式為"表（biǎo）麵積"，刀軸選擇（zé）"插補"步進方式采用"殘餘波峰（fēng）高度"，殘餘高（gāo）度為0.005,選用直徑為6mm的（de）球刀加（jiā）工。產生的刀路路徑如圖（tú）6所（suǒ）示，用刀路變換命令加（jiā）工其餘流道曲（qǔ）麵。

圖7 流道精加工（gōng）路徑

      4.5　模擬加工仿真

      UG係統自帶（dài）有三種類型的五軸機床（chuáng）,本論文選用其中的回轉/擺動型機床進行虛（xū）擬（nǐ）仿真加工（gōng）,旋轉軸是A軸,轉台旋（xuán）轉軸是C軸。通過機床導航器調入機床組（zǔ）件和（hé）刀具組件,葉輪零件安放在轉台（tái）上麵（miàn）即可進行加（jiā）工仿真（zhēn）如圖7所示。

圖8 模擬加工結（jié）果

      4.6　機床加工

      通過模擬仿（fǎng）真加工檢查零件加工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（chuáng）完整的加工出零件如圖所示。

圖9 加（jiā）工過程中的零（líng）件                                                圖10 加工好的零（líng）件

      5．結論

      本文利用UG NX軟件對整體葉輪進行（háng）了加工（gōng）仿真（zhēn）,合理（lǐ）選擇了（le）加工使用的刀具和機床,並針對流道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（dòng）方（fāng）法進行了流道和葉（yè）片的加工，生成的加工軌跡。

      文中介（jiè）紹（shào）的對流道的加工采用刀具軸插補刀具軸加工，這種（zhǒng）方式可以通過在指定的點定（dìng）義矢量方向來控製刀具軸。當驅動（dòng）或零件幾何體非常複雜，又沒（méi）有附加刀具軸控製（zhì）幾何體（tǐ）時，插補刀具軸可（kě）以控製劇烈的刀具軸變（biàn）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（yuè）多。使用這種方法時，驅動幾何體引導刀具側刃，零件幾何體引導刀（dāo）具底部。可以控製輸出很好的（de）加工刀軌，加工出來的曲麵質量相當高。

      五軸加工是最難也是最重要的是避免發生幹涉，本文對對流道和底部圓角加（jiā）工時對（duì）刀具的進退倒進行了控製，依據葉輪（lún）的（de）特征，區（qū）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（bú）僅提高加工效率，而且（qiě）使加工變的更（gèng）加安全。