隨著科技的迅速發展，在機械制造中，像葉片這樣的復雜曲面構件的加工量與日俱增，在實際產品設計與制造中，常常會遇到這樣的自由曲面。這些曲面不能用明確的數學表達式表示，在圖樣上往往只給出一些離散信息。本文應用CATIA對葉片進行建模，得到一個理想的三維葉片實體，后用PowerMILL進行進行仿真和加工。

　　一、 葉片的建模

　　對一個風扇的葉片進行實際的測繪，根據測繪的結果應用CATIA對風扇進行三維實體建模。為了保證后續的加工工作能順利地進行，保證CATIA建模的質量是十分重要的環節。如果在造型過程中，葉片的曲面曲率不連續，出現了尖點，在加工過程中就會出現掉刀或跳刀的現象，影響葉片表面的加工精度。如果在葉片造型中，葉片曲面的曲率變化劇烈，就會產生急劇變化的刀具軌跡，加大刀具對工件的沖擊，也會降低葉片表面的加工質量。下面是葉片建模的基本過程。

　　首先建立葉片中間的圓盤部分，在YOZ平面建立草圖，如圖1。然后以圖1草圖為母線，繞Z軸進行旋轉，使其成為一個圓柱形的實體，如圖2。再應用樣條曲線對葉片的進氣邊和排氣邊進行描述，用三個樣條曲線的控制點控制樣條曲線的曲率，如圖3和圖4。葉片的兩條邊建立完后，以葉片的一點和基本平面為參考，建立參考平面。在參考平面上作第三條參考邊，如圖5。通過這三條曲線建立一個曲面，并對此曲面加厚，如圖6。再進行倒角修整，如圖7。對此建立好的葉片，進行3個120°的陣列，如圖8。對葉片的根部進行倒角，避免出現應力集中點，如圖9。此時得到的葉片表面最大法曲率為0.875，如圖10。

　　二、刀具的選擇與比較

　　五坐標數控加工是指數控機床主軸和工作臺的五個坐標同時做線形插補運動，使刀具走刀要求的空間軌跡，完成對應復雜曲面的加工。平頭立銑刀五坐標端銑數控加工與球頭刀三坐標數控加工相比，各自的主要優點在于以下幾個方面。

　　1.加工效率的比較

　　在同等的殘留高度和刀具半徑的情況下，五坐標端銑數控加工走刀步距大，從而加工效率高，這對于葉片這樣的自由曲面的零件加工具有非常重要的意義，在粗加工過程中應盡量選用平頭銑刀。粗略計算，采用五坐標端銑的效率相當于球頭刀三坐標加工效率的3倍以上。因此，在擁有五坐標聯動的前提下，應盡可能采用平頭銑刀加工曲面。

　　2. 加工表面質量的比較

　　由于用球頭銑刀對葉片表面進行加工時，球頭刀對于葉片表面是以球面的運動去逼近。用端銑刀加工葉片曲面是用平面的包絡運動逼近待加工葉片表面，而且還可以保證加工點處均為高速切削，因此有較好且一致的表面質量。同時，葉片加工中的刀具選擇比較嚴格。選擇刀具時，應考慮毛坯材料、機床、允許的切削用量、剛性和耐用度、精度要求和加工階段等因素，葉片數控銑削過程常用刀具有球頭刀和端銑刀。

　　3.刀具壽命

　　在葉片加工過程中，采用球頭刀對葉片進行銑削時，銑刀軸線在進給平面中與進給方向上實施了向前傾斜一定角度的拽切，刀具的相對壽命最高，而且表面粗糙度也大大降低，如圖11。

　　三、走刀模式的選擇

　　葉片的復雜曲面使得加工過程難以定位和找正，且易變形。綜合考慮幾種走道模式，螺旋走刀加工是葉片走刀的最好模式，如表1。其優勢在于：①減少裝夾次數，節省了因重復定位和找正等工序而大量浪費的工時;②加工軌跡連續，適合高速加工;③加工質量好，加工效率高。

　　應用PowerMill對葉片進行螺旋精加工，中心位置按毛坯中心位置計算。螺旋半徑的設置是用來確定葉片切削時螺旋圖案的開始半徑和結束半徑，開始半徑和結束半徑用來控制葉片銑削時，螺旋圖案的形狀以及刀具的運動方式。開始半徑小于結束半徑時，葉片加工螺旋線是從內向外加工的;開始半徑大于結束半徑時，則葉片加工螺旋線是從外向內加工的。由于葉片加工時，應先加工葉片的外延部，后加工葉片的根部，以減少葉片的變形，所以在加工過程中應選擇后一種加工方式，即從外向內加工。

　　多邊形公差是用來確定刀具在加工葉片過程中螺旋圖案準確性的參數，所以設置多邊形公差越小，則螺旋圖案越近似于阿基米德螺旋線。方向的選項是用來確定刀具的運動方向，為了保證順銑，選用順時針方向加工。

　　四、葉片加工的銑削力，銑削溫度和表面粗糙度

　　本文以LF5和6063T6兩種鋁合金材料為例進行葉片的高速銑削分析。

　　1.轉速

　　由如圖12可以看出，在葉片加工過程中，應用LF5鋁合金葉片加工時，轉數在12000～18000r/min和24000～30000r/min時切削力最小，應用6063T6鋁合金葉片加工時，轉數在12 000～18 000r/min和30 000～36 000r/min時切削力最小。

　　2.切深和進給量

　　如圖13和圖14所示，當應用FT5材料進行葉片加工時，切深分別選用0.5mm或2.5mm，則進給量在0.2mm/z時切削力最小，當應用6063T6材料進行葉片加工時，切深分別選用0.5mm或2.5mm，則進給量選擇0.05mm/z或0.2mm/z時切削力最小。

　　3.步距

　　在葉片加工過程中，由于是對鋁合金材料進行加工，所以步距對切削溫度的影響并不顯著，如圖15。在加工葉片時，大的步距有利于降低切削溫度，也有利于提高生產效率。

　　4.切削深度

　　如圖16所示，在應用FT5進行葉片加工時，切深選擇2.5mm較好。在應用6063T6進行葉片加工時，切深選擇1.5mm表面粗糙度最好。

　　五、應用powerMill進行仿真加工

　　根據以上的分析，首先讀入CATIA中建立好的葉片模型，如圖17所示。然后定義葉片的毛坯，通過PowerMill進行最佳毛坯計算，如圖18所示。再根據前面的分析制作工藝卡片(以LF5為例)，如表2所示。圖19所示為粗加工的仿真，半精加工應用螺旋加工的仿真如圖20所示，精加工的走刀路徑如圖21所示。

　　本文主要介紹在葉片加工過程中的工藝問題和在加工過程中所遇到問題的解決方法。根據葉片零件的典型性，應用高速五軸加工等方法解決了葉片加工中的變形問題、定位問題和加工質量問題，主要探討了高速加工在葉片加工中的實際應用。本文加工葉片選用的材料為LF5和6063T6兩種鋁合金材料，借鑒了其他高速加工材料中對鋁合金的試驗參數和結論，針對鋁合金的葉片形狀零件加工進行了深入的探討和研究。通過選定的兩種鋁合金材料制作葉片，從切削力、切削熱和切削的表面質量方面考慮，優化了切削參數，使葉片達到切削質量的同時，提高葉片的生產效率。