葉輪是渦輪式發動機、汽車增壓器等動力機械的核心部件, 其加工技術一直是研究的（de）焦點（diǎn）。整體葉輪的結構複雜, 規劃（huá）加工軌跡時（shí）約束條件多, 加工時易（yì）產生碰撞幹涉, 采用傳統的鑄造成（chéng）型後修光法、石蠟精密鑄造法等較難保（bǎo）證（zhèng）葉片、流道以及葉片與輪（lún）轂倒角處的加工質量[ 1] 。五軸數控加工因具備有效避免幹涉、可側銑直紋麵、切削狀態良（liáng）好等優點（diǎn）, 從而成為提（tí）高整體（tǐ）葉輪加工效率和質量的首（shǒu）選。

      目前, 許多加（jiā）工整體葉輪的企業多采用一些（xiē）功能強大、界麵良好、適用麵廣的通（tōng）用型CAD/ CAM軟件, 如U G NX、CAT IA、Pro/ Eng ineer 等。本文（wén）基於整體葉輪的幾何特征, 利用大型通用CAD/CAM 軟件UG NX3. 0 對（duì）其進行加（jiā）工軌跡規劃。

      1 整體葉輪五軸數控加（jiā）工工藝分析

      根據複雜型麵零件（jiàn）的多軸數控加工特點, 整體葉輪的五軸數控加工一般遵循如下的基本技術路（lù）線( 如圖1 所示) 。

      1. 1 葉輪幾何模型特征分析

      分析整體葉輪的（de）葉片、流（liú）道等幾何特征, 確定葉片曲（qǔ）麵、流道麵和清（qīng）根的特征參數, 判斷葉片（piàn）曲麵（miàn）的類型, 圖2 即為葉輪的基本幾何特征。整體（tǐ）葉輪的關鍵體素是葉片, 葉片曲麵可以分為直（zhí）紋曲（qǔ）麵和（hé）自由曲麵( 非直紋曲麵（miàn）) , 其中直紋麵又可分為可展直紋麵和非可展直紋麵（miàn）。此外, 為合理（lǐ）選擇刀具並規劃加工軌跡, 也要確定流道的進水口寬度、出水口寬度等參數值。

      1. 2 整體葉輪加工工藝方案

      根據葉輪的（de）幾何結構特征和（hé）使用要求, 確定基本的加工工藝流程（chéng）為[ 2] : ( 1) 在鍛鋁材料上車削（xuē）加（jiā）工回轉體的基本形狀; ( 2) 開粗加工流道部分; ( 3)精加工流道部分; ( 4) 葉片精加工; ( 5) 清根。本文主要對流道開粗、精加工和葉片（piàn）精加工加工（gōng）軌跡規劃進（jìn）行研究。根據整體葉輪的（de）幾何模型特征, 可以基本確定（dìng）加工所使用機床型號、刀具參數、夾具和裝夾方式等。整體葉輪為葉片分布均勻的回轉體類（lèi）零件, 建議選擇其底麵圓心為工件原點, 以此簡化工件的找正和後處理的過程。

      加（jiā）工整體（tǐ）葉輪可使用由3 個平動軸（zhóu）和2 個轉動軸構成的標準多坐標機床, 例如刀具（jù）雙擺動、工作台（tái）雙回轉（zhuǎn）和刀具與工作台分別回轉等類型。本文所使用的五軸加工中心VMC - 1100 為工作台雙回轉結構, 即由3 個平動軸和A, C 2 個轉動軸構成,如圖3 所示。

      為提高加工效率, 在不發生碰撞幹涉的同時盡可能選用大直徑銑刀, 並優先選擇多刃銑刀。在進行流道粗加工（gōng）時優先選用平底銑刀, 流道、葉片的精加工盡可能（néng）選用球頭銑刀。對於流道較窄（zhǎi）的葉輪, 在加工（gōng）窄流道處時, 可以適當選擇（zé）錐度球頭（tóu）銑刀。

      2 麵向特征規劃葉輪加工（gōng）軌跡

      U G NX3. 0 提供了大量多坐標數控加（jiā）工（gōng）編程方法, 一般選用（yòng）Surface Area( 曲麵區域) 驅動方式來規劃葉輪加工軌跡（jì）。Surface Area 提供了大量刀（dāo）軸控製方式, 其中Relative to Drive( 相對於驅動幾何)、I nterpolate( 插補) 和Sw arf ( 直紋麵) 等方（fāng）式比較適合規劃整（zhěng）體葉輪的加工軌跡。

      整體葉輪的幾何形（xíng）狀比較複雜（zá）, 流道狹窄、葉片薄且彎（wān）曲程（chéng）度大（dà）, 極易發生碰撞幹涉, 因此其加工軌跡規劃的主要難點體現於流道開粗、精加工和葉片型麵加（jiā）工。此外, 應特別注意在所選定機床的行程內（nèi）規劃加工軌跡, 盡量避免刀軸方向發生突變。

      在以往整體葉（yè）輪數控加工的許多文（wén）獻（xiàn）中（zhōng）[ 1, 3] ,規劃加工軌（guǐ）跡的過程主要考慮（lǜ）到滿足其幾何準確性和誤差等級等方麵, 很少能夠考慮到整體葉輪在使用（yòng）中的受力情況, 即沒有充分考慮其在使（shǐ）用中的磨損及失效情況。根據對葉片使用要求的分析, 在規劃整（zhěng）體葉輪數控加工軌跡的過程中除了要滿足幾何準確性和加工誤差外, 還要按照葉輪片的受力方向規劃加工軌跡（jì）, 這樣可以增加葉輪片的強度和剛度, 改善（shàn）使用性能（néng）, 如圖4 所示（shì）。

      2. 1 流道特征開粗加工軌跡規劃

      流道開粗加工過程去除主要加工餘量, 直接影響著精加工的效率和質量, 提高開粗加工的效率和質量對整個葉輪的加（jiā）工具有重要意義。葉輪流道部分的（de）加工餘量並不隨著葉輪型線均勻分布, 切削過程（chéng）中切削深度不斷（duàn）變化, 刀具（jù）受力變化較為劇烈, 大大縮短了刀具壽命, 降低了加工質量, 這需要合理規劃加工軌跡。

      流（liú）道開（kāi）粗加工通常需分成若幹層漸（jiàn）進開（kāi）粗。根據葉片型麵的V 向分割流道區域, 可使粗加工的各層厚度比較均勻（yún）, 加工過程穩定。在進水邊和出水邊（biān）之間（jiān）設定若幹輔（fǔ）助麵作為驅動麵, 選擇兩側的葉片為幹涉檢查麵, 如圖5 所示。流道開粗加工常用的刀軸控製方式為（wéi）Interpolate、Relative toDrive 等。

      此（cǐ）外, 也可沿葉（yè）輪中心線方向和垂直於中（zhōng）心線的方向進行開粗, 可選用的驅（qū）動方法為CAVITYMILL( 型（xíng）腔銑) 等, 圖6 即（jí）為（wéi）沿垂直中心線方向開粗。

      2. 2 流道特征精加工軌跡規劃

      整體葉輪的流道部分（fèn）沿（yán）葉（yè）片型線由窄（zhǎi）變寬, 且最窄處（chù）恰（qià）好是葉片（piàn）彎曲（qǔ）程度最大處, 因此此處最容易發生幹涉碰撞。Interpolate 刀軸控製（zhì）方式適用（yòng）於規劃葉片等各葉片間有重疊區域形體的加工軌跡, 因此特別適合規劃流（liú）道精加工軌跡。此外, 其他常用的還有Relat ive to Drive、Relat ive to Vector等。

      為了（le）獲得較高的流道精加工質量（liàng）和效率, 需要合理設置加工參數和進退刀參數, 圖7 為使用Interpolate刀（dāo）軸控製（zhì）方式、殘餘高（gāo）度為0. 015mm 時得到的仿真加工結果（guǒ）。

      2. 3 葉片特征（zhēng）精加工軌跡規劃

      一般說來, 葉輪的（de）葉片曲麵扭（niǔ）曲程度較大（dà）, 是體現加工複雜性的主要部分。根據整（zhěng）體葉輪型麵的曲麵（miàn）形狀的不（bú）同, 在多軸數控機床上加工（gōng）整體（tǐ）葉輪主要可采用2 種方法[ 1]: 第一種是（shì）點銑法, 即用球頭（tóu）銑（xǐ）刀按葉片的流線方向逐行走刀( 加工一個葉（yè）片一般需50~ 200 次走刀) , 逐（zhú）漸加工出葉片葉型曲麵（miàn）, 此方法主要用於自由（yóu）曲麵。第二種是側銑法, 即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側刃銑削葉片曲麵, 主要用於可展直紋麵和直母線型葉輪的（de）加工上。

      規劃葉片加工軌跡時一般使用的刀軸控（kòng）製方式為Relat ive to Drive 和Sw arf 等, 其中Relat ive toDrive 適用於點銑法, Swarf 可（kě）有效進行側銑加工（gōng）。圖（tú）8 為選擇出水麵為驅動（dòng）麵（miàn）, 使用Sw arf 方式側銑（xǐ）加工時的（de）仿真結果。

      2. 4 幹涉檢查幾何的選擇

      整體葉輪的幾何型（xíng）麵複雜性決定了規劃加工軌跡的碰（pèng）撞幹（gàn）涉檢查難度較（jiào）高, 為避免幹涉碰（pèng）撞和過切, 必須選擇足夠的幹涉檢查麵。一般有3 種碰撞幹涉類型（xíng）[ 3] : ( 1) 刀具與相（xiàng）鄰（lín）葉（yè）片之間的幹涉; ( 2) 刀（dāo）具與自身葉片之（zhī）間的幹涉（shè）; ( 3) 刀具與被加工區域相（xiàng）鄰區域之間的幹（gàn）涉。

      3 加工實例

      本文通過分析（xī）整體葉（yè）輪的加工工（gōng）藝, 合理選擇刀具, 設置加工參數（shù）, 基於特征（zhēng）利用U G NX3. 0 規劃了流道（dào）粗、精加工軌跡和葉片的側銑精加工（gōng）軌跡。為保（bǎo）證加工軌跡的正確性, 使用U G NX3. 0的仿真功能和專業數控加（jiā）工仿真軟件VERICUT對加工軌跡以及生成的NC 代碼進行了仿真驗證。最（zuì）後在（zài）配有HNC- 22M 世紀星銑削數控係統的國產VMC- 1100 五軸數控加工中心加工了一個8葉片整體（tǐ）葉輪( 如圖9 所示) , 尺寸D @ H 為160mm@ 70mm。加工（gōng）得（dé）到的整體葉輪無過切現象, 加工過程平穩、刀具受力較為均勻。其中葉片（piàn）通（tōng）過側銑一次成形, 光潔（jié）度較高; 流道殘餘高度01015mm, 其最狹窄處材料去除良好, 符合工藝要求。