1 引言（yán）

      葉輪是渦輪式（shì）發動機的核心部件。其典型的應用還有離心壓縮機、泵、徑流（liú）式渦輪和（hé）膨脹機等許多動力（lì）機械。其加（jiā）工質量的優劣對發動機（jī）的性能有著決定（dìng）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（yòu）是機械中（zhōng）最難加工的曲（qǔ）麵構成的（de）。因此，整體葉輪的加工一直是機械加工（gōng）中長（zhǎng）期（qī）困（kùn）擾工程技術人員的難題。為（wéi）了加工出合格的葉（yè）輪，人們想出了很多（duō）的（de）辦法。由最初的鑄造成型（xíng）後修（xiū）光，到後來的石蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法（fǎ）。其中，也（yě）有的（de）廠家利用三坐標仿形銑。但是這些方法不是加工效率低下，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（lún）的加工中，這些（xiē）問題才得到了根本的解決。[1~4,8~10]

      葉輪加工的複雜性主要在於其葉片是複雜的曲麵（miàn）造型。而且能否精確地（dì）加工出形狀（zhuàng）複雜的葉輪已成（chéng）為衡量數控機床性能的一項重（chóng）要標準。曲麵根據形成原理可以分為直紋曲麵和非直紋曲麵。直紋麵又可分為可展直紋麵和非可展直紋麵，對於可（kě）展直紋麵，完全可以（yǐ）使用非數控機床進行加工。而對於非可展直紋麵和自由曲麵（非直（zhí）紋曲麵）葉片的（de）整體葉輪來說，則必須用四軸以上（shàng）聯（lián）動的數（shù）控機（jī）床（chuáng）才能準確（què）地將其（qí）加工出來（lái）。

      由於數（shù）控機床具有四軸聯動（dòng）或（huò）五軸聯動的功能（néng），則利用它進行葉（yè）輪（lún）加工（gōng）時，既可以保證刀具（jù）的球（qiú）頭部分對工件進行（háng）準確地切削，又可以利用其轉動軸工作使刀具的刀體或刀杆部分避讓開工件其它部分，避免發生幹涉或過切。

      2 國內外葉輪（lún）數（shù）控加工發展現狀

      早在（zài）七（qī）十年代初我國的幾家大型企業就開始將數控機床用於整體葉輪的加工上。目前，我國已有越來越（yuè）多的廠家開始采用鍛造毛（máo）坯後（hòu）多坐標NC 加工成型的方法加工葉輪，尤其是國防工業中所用的關鍵（jiàn）葉輪，如火箭發動機的轉子、風扇，飛機發動機的渦輪等。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進的（de）具有國際（jì）先進水平的（de）四、五（wǔ）軸聯動數控機（jī）床。

      按葉輪的曲麵形狀的不同，在數控機床（chuáng）上加工葉輪采用了兩類方法。第一類是點銑法，即用球頭刀按（àn）葉片的流線方向逐行（háng）走刀（加工一個葉（yè）片（piàn）一般需50~200 次走刀），逐漸加工出葉片（piàn）曲麵。這種方（fāng）法在自由曲麵型葉片（piàn）上普遍采用，在一小部分直母線型葉片上也采用。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工某型號（hào）葉輪為例，葉（yè）輪材料為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球頭銑（xǐ）刀進行點銑加（jiā）工。即從葉片頂（dǐng）部開始，沿葉片的流線方向，用（yòng）球（qiú）頭刀的刀頭（tóu）部分對其進行切削，當其走刀行程（chéng）加工（gōng）完一側的一（yī）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（qiē）削，直到葉片的一麵加工完畢，再對另一麵進行切削。如圖1。

      利用這種方法加工出的葉片能夠較精確地符合葉片設計型麵的要求，精度較高，而且加工走刀方向和設計流線方向相同，對葉輪運行時的動力性能有利。但是（shì）其最顯著的（de）缺點為加工效率低下，上述所加工葉輪直（zhí）徑為279mm，葉片高度為40~75mm。用這種（zhǒng）方法加工出一個完整的葉輪耗費（fèi）機時500 個左右，需占用機床（chuáng）一個月，耗費大量的機時費和人工費用。大大增（zēng）加了產品的生產成本。而且，這種點銑的切削方式，隻有刀（dāo）具（jù）頭部一點或一圈切削刃參加（jiā）切削，刀具磨損嚴重，需要經常換（huàn）刀（dāo）及重磨刀具，生產（chǎn）成本進（jìn）一（yī）步增加。第二類是側（cè）銑法。即用圓（yuán）柱銑刀或圓錐銑刀的側（cè）刃銑削（xuē）葉（yè）片曲麵，它主要用於直（zhí）母線型葉輪的加工上。我國增壓器（qì）模型葉輪已采用此種方法製造。這（zhè）種銑削（xuē）方法比采用點（diǎn）銑法能顯著改善葉片的表麵粗糙度以及顯著提高葉輪的加工效率，但是我國國防工業中，由於對側銑加工的方法有（yǒu）疑慮，很少采（cǎi）用側銑的方法，使葉輪的加工（gōng）效率低下。

      盡（jìn）管非（fēi）可展直（zhí）紋（wén）麵是非可展的，（也就（jiù）是說，存在（zài）於直母線兩端的曲（qǔ）麵法矢方向是不平行的）但它畢竟是由直母線沿導線掃描形成的。（以直（zhí）紋拋物麵為例，就是直母線的一端以（yǐ）直（zhí）線為導線，而另一端以拋物線為導線，掃（sǎo）描而成（chéng）的）也就是說，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（shì）利用很大部分葉輪曲麵為（wéi）非可展直紋麵這（zhè）一特性（xìng）。國外許多（duō）家公司已開始采（cǎi）用四軸（zhóu）側銑來加工非可展直紋麵葉片的整體葉輪。其中世（shì）界上最著名的美國NREC 公司提供的資料上就介紹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（shēng）成數控代碼的工作。[7]在該軟件中采用了三項（xiàng）美國（guó）專（zhuān）利來解決用側銑加工非可展直紋麵（miàn）的誤差問題。用數控編程時進行的處理（lǐ）工作來避免理論切削誤差。同時，軟件中針對各種不同的葉輪形（xíng）式還（hái）設計了（le）切削路（lù）徑的（de）模板，可以（yǐ）直接生成刀具軌跡，然後根據具體情況再進行調整，這樣可以（yǐ）大大地節約編程時間，提（tí）高效率。

      據調查，在（zài）俄羅斯的葉輪加工中，也已大量使用側銑的加工方法進行加工，前例中（zhōng）提（tí）到葉輪在俄羅斯隻需幾十個小時即可加工完成，而有些非重（chóng）要用途的鋁材料葉輪甚至隻需幾十分鍾即可加工完畢。生產（chǎn）效率大大提高，而且利用側（cè）銑的方法加工，可（kě）以避免刀具與工件接觸區集中於一點，從而減輕了刀具磨損，這兩項都大大（dà）地降低了生產成本和表麵粗糙度。

      而且，這（zhè）些（xiē）年發展起來的高速切削在葉（yè）輪葉片加（jiā）工中已（yǐ）經廣泛使用。Starrag 公司提供的五軸、四軸葉輪葉片加工（gōng）機床的最高（gāo）轉（zhuǎn）速可達5 萬轉（zhuǎn）/分。實際（jì）生產中轉速也常用到1 萬轉/分左右。使（shǐ）用硬質（zhì）合金刀具加工不鏽鋼普（pǔ）遍（biàn）切削速度為150米/分。

      在編程方麵，葉輪的數控加（jiā）工代碼的生（shēng）成也是（shì）一個很重要的步驟。目前多數廠（chǎng）家采用通用CAD/CAM 的商用軟件編製葉輪的數控加工（gōng）程序。目前（qián）用得較（jiào）多的（de）有UGⅡ，CAMAND 等（děng）。采用（yòng）這些軟件編程有（yǒu）不便之處，由於通用軟件並非針對某一（yī）種零件設計，所以其功能繁多、界麵複（fù）雜（zá）。輸入參數後須經過許（xǔ）多步驟才能編出程（chéng）序，且需多次反複，而且編程人員（yuán）必（bì）須對葉輪幾何造型很熟悉，同時用相當（dāng）多的時間學習掌（zhǎng）握了通用軟件（jiàn）的使用方法（fǎ）才能編出葉輪（lún）數控加工程序。

      也有（yǒu）部（bù）分工廠未（wèi）采用（yòng）通用軟（ruǎn）件，而是針對某一（yī）葉輪編（biān）製（zhì）了專（zhuān）用程序，但現在情況多（duō）是使（shǐ）用麵窄，使用性能也較差。例如，航天機電集團某廠所做風扇是使（shǐ）用早年北京郵電大學研製（zhì）的程序，此程序還是DOS 下（xià）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（ruǎn）件也是在此基（jī）礎上（shàng）改編的。

      國際上有許多工廠（chǎng）與我國的情（qíng）況類似（sì），也采用通（tōng）用軟件編製葉輪數控加工程序。但一些先進（jìn）的多坐標數控（kòng）機床生產廠商(如STARRAG)及專業的葉輪加工工廠（如美國的NREC）都推出了專用於葉（yè）輪的數控（kòng）加工軟（ruǎn）件包，如MAX-5， MAX-AB，STARRAG 程（chéng）序等。不采用通用的CAD/CAM 軟件有一係列（liè）的（de）優點。這是因為專用軟件的生產廠商通常都有（yǒu）多年的葉輪加工（gōng）和數控編程的經驗，軟件中針對不同特征的葉輪設計了刀具路徑模板。對（duì）於葉輪加工中最易出現的幹涉問題，也有（yǒu）了充分的考慮。這些都是通用（yòng）軟件所不具備的。另（lìng）外，這些軟件通常集成性好，可以和設計結果和工藝設計直接（jiē）相連。作為專用軟（ruǎn）件，界麵更為簡（jiǎn）潔、重點突出，利於設計人員掌握。這些程序盡管編程（chéng）性能優良，但所包含的（de）工藝信息都（dōu）很少。一般隻提供刀具尺寸表、轉速表、進給（gěi）率表等，而缺乏推薦的切削刀具與切削量（liàng），更沒有如何減少（shǎo）加工變形（xíng）的指南。

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

      3 一（yī）種新的數控加工方法

      從理論上講，利用四軸、五軸聯動機（jī）床側銑的（de）方法來加工非可展直（zhí）紋麵（miàn），是有誤差的。而且，對於直紋拋物麵這種非可展直紋麵來說，加工（gōng）一個曲麵時，刀具與工件的接觸線越長，加工誤差（chà）也（yě）就越大。雖（suī）然，相對於點銑來說，側銑的加工效率要高出許多。但是如果加工後型（xíng）麵誤差不合格就不能采用側銑法。可見誤差計算（suàn）十（shí）分重要。美國的NREC 公司也是在采（cǎi）用計算誤差後通過調整刀位保證誤（wù）差合格，從（cóng）而進行側銑加工。但其刀位調整方法是（shì）保密的。

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

      很容易理解，分片側銑就是利用（yòng）側銑的方法加工葉片，但並不是一次就將整個葉片從（cóng）葉頂到葉根全部銑（xǐ）出。而是將葉片（piàn）縱向（xiàng）分為幾片，加工時首先用（yòng）刀具側刃加工最外麵的（de）一片。然後，進行退刀、進刀，再加工相鄰（lín）的下一個分（fèn）片。分片數越多，工件與（yǔ）刀具的接觸線就越短，理論加工誤（wù）差就越小。當（dāng）分（fèn）片數足夠多時，加工誤差就（jiù）會符合工件要求。具體方法如圖2。

      在此思想指導下開發的專用葉輪CAD/CAM軟件係統（tǒng），在刀位計（jì）算過程中，首先由用戶選擇分片數。軟件係統則會自動計（jì）算出（chū）刀位點及加工誤差，如果加工誤差超過設計人員所要求的（de）誤差範圍，則軟件提示操作者增加分片數，重複上一過程，直到誤差合（hé）格為止，經過計（jì）算，上例中所提到的葉輪葉片分片數大於3 時，誤（wù）差計算即可合（hé）格。並且經過Vericut 仿（fǎng）真軟件驗（yàn）證，加工完成件的形狀及誤差均符（fú）合要求。仿真結果（guǒ）如（rú）圖（tú）3。這樣，加工葉片單麵所需的走刀次（cì）數（shù）由 250次（cì）左右減少到4 次（cì）（需進行清（qīng）根），效率可提高（gāo）60 多倍。當然這隻是理論計算，如另外考慮切削力增（zēng）大對刀具振動、葉片（薄壁件）加工變形（xíng）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（bèi）以上。

      4 結論

      目前國內外葉輪數控方法大致分為兩大類：點銑法和側銑法。尤其對直紋葉片曲麵的葉輪，在國外已廣泛采用側銑法進行加工（gōng），加工效率及精度都較高，已較成熟。而在國內此方法尚（shàng）在探索階段，應當成為工（gōng）藝人員的研究方向。與此相應，國外用於葉（yè）輪（lún）的數控加（jiā）工軟件已較為成熟，但對於國內大多數廠家來說價格難以承（chéng）受；而國內的數控加工軟件功能及穩定性尚需進（jìn）一步提高（gāo）。本文也在此方麵進行了一（yī）些探索，提供了（le）一種新的工藝方案——分片側銑。相信在不久的將來國內外葉輪加工廠家必將以高效、高質的（de）側銑工藝代替效率及質量都很低下的點銑加工，我國的葉輪生產也將跨上一個新的台階。