1 葉輪簡要介紹

　　葉輪是壓縮機、透平機和泵等的核心部件，其加工質量的優劣對壓縮機的性能有著決定性的影響。20世紀80年代中期，在先進透平機械的結構設計中，出現了“三元整體葉輪”結構。三元葉輪是根據透平式流體機械內部流體的三元真實流動狀況而設計的，能大幅度地降低能耗。整體式三元葉輪是指輪轂和葉片在同一毛坯上，具有結構緊湊、曲面誤差小、強度高等優點。由于葉輪采取了整體式結構，而葉片的形狀又是機械加工中較難加工的復雜形狀曲面構成的，因此加工時軌跡規劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時極易發生碰撞干涉，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。

　　目前國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用軟件，主要有美國葉輪制造公司NREC推出的專用軟件包：MAX-5，MAX-AB;瑞士Starrag生產的數控機床所帶的整體葉輪加工模塊，還有Hypermill等專用葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如：UG、CATIA、PRO/E、MasterCAM等也能用于整體葉輪的加工。本文選用UG NX4.0對整體葉輪進行加工軌跡規劃。

　　2 加工工藝及裝備分析

　　2.1 加工工藝流程規劃

　　葉輪的一般構成形式是若干組葉片均勻分布在輪轂上，相鄰兩個葉片間構成流道，葉片與輪轂的連接處有一個過渡圓角，使葉片與輪轂之間光滑連接。葉片曲面為直紋面或自由曲面。整體葉輪的幾何形狀比較復雜，一般流道較狹窄且葉片扭曲程度大，容易發生干涉碰撞。因此主要難點在于流道和葉片的加工，刀具空間、刀尖點位和刀軸方位要精確控制，才能加工到其幾何形狀的每個角落，并使刀具合理擺動，避免發生干涉碰撞。

　　葉輪加工首先由最初的毛坯——棒料、鑄造件或者鍛壓件采用車床進行外輪廓的車削加工，得到葉輪回轉體的基本形狀。通過對葉輪結構和加工工藝的分析，葉輪加工主要由粗加工葉片間流道(葉輪開粗)、流道曲面的半精加工、葉片精加工、流道精加工和倒圓部分的清根加工等工序組成。

　　2.2 刀具選擇

　　刀具剛性和幾何形狀是葉輪加工刀具選擇的主要因素，在流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑的刀具。粗加工刀具一般選擇圓柱平底銑刀。精加工選擇錐柄球頭刀具，錐度有利于提高刀具的剛性，但錐度不宜太大，一般3~5度較合適 。為提高加工效率，在不發生碰撞干涉的情況下盡可能選用大直徑銑刀，并優先選多刃銑刀。

　　2.3 機床選擇

　　加工整體葉輪可用五軸聯動的機床，還需考慮以下因素：機床各軸的最大行程、工作臺的擺動范圍、機床功率等。本文加工中使用的MIKRON UCP800 Duro五軸聯動加工中心為雙回轉工作臺結構，它帶有一個繞Z軸旋轉的C軸和繞X軸擺動的A軸。UCP800 Duro配置了20000 r/min主軸，Heidenhain iTNC530數控系統。X軸行程：-400~400mm，Y軸行程：-320~330mm，Z軸行程：105~605mm，A軸擺動角度：-105~120度。

　　3 葉輪加工編程

　　UG NX提供了大量多坐標數控加工編程方法及刀軸控制方式，要選擇合適的加工方法，并注意合理選擇粗精加工余量、切削工藝參數如加工步距、加工深度、主軸轉速、機床進給率等，對于提高產品的加工效率和質量是至關重要的。還要根據葉輪的幾何特征合理設置進退刀方式，從而避免過切和干涉。

　　3.1 粗加工流道

　　粗加工葉輪流道的過程中將去除大量材料，其考慮的重點是加工效率，要求大的進給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內切除多的切屑。粗加工對表面質量的要求不高，因此要合理規劃刀具路徑，提高粗加工效率。開粗加工時可以采用可變軸輪廓銑(Variable Contour)，選擇流道面為零件面(Part Geometry)和驅動幾何面(Drive Geometry)，葉片面和輪轂面為干涉檢查面。由于葉片高度較大，粗加工時可分層銑削，即給零件留不同的余量，可調整曲面百分比減少切削過程中的空走刀。

　　開粗時也可采用型腔銑(Cavity Mill)。型腔銑以平面的切削層來切削材料，刀具在每層沿著幾何體的輪廓加工。由于開粗時余量大，可以選取兩個不同的方向進行開粗，注意選取方向時應使加工范圍盡可能大，盡量去除多的材料。這種方法的加工效率高，但剩余的加工余量大且不規則，還需進行補加工，從而使余量均勻。

　　3.2 流道曲面的半精加工

　　半精加工流道時選擇可變軸輪廓銑(Variable Contour)，選擇葉片間的流道曲面為部件幾何體，將整個葉輪部件選擇為檢查幾何體，驅動方式選擇為“曲面區域”。驅動幾何體與部件幾何體相同。由于整體葉輪相鄰葉片之間空間較窄，且葉片扭曲程度大，容易發生干涉碰撞，因此刀具在流道內要合理擺動，才能防止干涉。刀軸矢量可以選擇插補方式(Interpolate)，這種方式可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具軸。可以做出矢量控制線，添加或修改插補刀具數據點，在確定矢量方向時注意定義所需要的足夠多的矢量，使得擺動變得更加光順。注意驅動路徑方向應指向外，若方向相反，點擊材料反向更正驅動路徑方向。刀軸插補矢量及產生的刀具路徑。刀軸插補矢量及產生的刀具路徑如圖1所示。

　　a 流道半精加工刀軸矢量             b流道半精加工刀具路徑

　　圖1 流道曲面的半精加工

　　3.3 葉片精加工

　　葉輪的葉片扭曲程度大且高度較高，葉片間流道距離小，是體現加工復雜性的主要部分，因此需合理設置刀軸矢量，避免刀具與已加工葉片及其他葉片發生干涉。根據葉片型面特征，以刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標數控銑削加工葉片型面可分為“線接觸”(側銑法)和“點接觸”兩類成型方式 。

　　對于可展直紋面葉輪，可用側銑法加工，即用圓柱銑刀的側刃銑削葉片曲面，刀軸控制方法為Swarf。側銑時一次走刀可將整個葉片加工完，精加工時間大為縮短，加工效率高，加工表面質量好。

　　對于自由曲面葉輪使用點接觸銑削，刀具在切削過程中始終保持刀刃與被加工曲面相切于一個點，銑刀按葉片流線方向連續運動，逐行走刀，最終加工出葉片曲面，是一種精確成型的加工方式。

　　圖2為采用點接觸銑削時生成的刀具路徑。選擇可變軸輪廓銑(Variable Contour)，驅動方式為“曲面區域”。選擇一個葉片面作為驅動幾何體，其他相鄰葉片和流道面作為檢查幾何體，刀軸可采用相對于驅動面(Relative to Drive)，為避免刀具與葉片發生干涉，需合理設置前傾角和側傾角。步進方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

　　圖2 葉片精加工刀具路徑

　　3.4 流道精加工

　　流道精加工與流道半精加工基本相同，驅動方式為“曲面區域”，選擇葉片間的流道曲面為驅動幾何體，將整個葉輪部件選擇為檢查幾何體，步進方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

　　3.5 葉片根部圓角清根

　　對于葉片和輪轂連接處的過渡圓角的加工，選擇圓角面為驅動面，流道面、相鄰葉片面作為干涉檢查幾何體，刀軸采用相對于驅動(Relative to Drive)并注意設定合理的傾斜角度。生成的刀具路徑如圖3所示。也可采用朝向線(Toward Line)方式，有時只用一條控制線，還不能控制加工一個完整曲面，可能要選用幾條控制線。

　　圖3 葉片根部圓角清根加工刀具路徑

　　3.6 后置處理

　　后置處理主要任務是將生成的刀軌文件處理、轉換成數控機床操作系統可以接受的數控代碼文件。UG/Post Builder是與UG/CAM配合的后置處理功能模塊，提供了定義各軸運動關系、數控代碼結構、機床空間幾何參數等功能。

　　在UG/Post Builder中選擇機床的類型為雙轉臺五軸機床(5-Axis with Dual Rotary Tables)，設置兩個轉動軸為A、C軸，設置MIKRON UCP800 Duro機床各軸的行程參數，確定工件坐標原點與機床坐標原點的關系以設定4th Axis Center to 5th Axis Center的值，并根據Heidenhain iTNC530系統的特點設置數控程序文件頭尾的格式等。

　　應用配置的后置處理對所編制的刀具軌跡文件進行后置處理，生成數控代碼文件。

　　3.7 仿真驗證

　　對于生成的數控代碼文件，應通過UG NX的仿真模塊或Vericut軟件對刀軌進行反復仿真驗證，檢查干涉、過切等問題并及時修改。確認無誤后，還必須在機床上進行試切，調試切削的工藝參數，以便高效加工出合格的葉輪。

　　圖4 在Vericut中對刀具路徑進行仿真驗證

　　4 結論

　　UG NX作為通用軟件，能夠很好的完成葉輪零件的數控編程。本文利用UG NX軟件對整體葉輪進行了加工編程，合理選擇加工使用的刀具和機床，并針對流道和葉片的幾何特征確定刀軸的控制方式，生成加工軌跡，進行了仿真驗證，保證生成的刀具軌跡的正確性。最后通過MIKRON UCP800 Duro五軸聯動加工中心實現了葉輪零件的加工，加工過程平穩，加工表面光潔度高，達到了預期的目標。