0 引言

作為動力機械的關鍵部件，整體式葉輪廣泛應用于航天航空等領域，其加工技術一直是制造業中的一個重要課題。葉輪的加工質量直接影響整機的動力性能和機械效率，數控加工是目前國內外廣泛采用的加工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復雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面。②整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上設有半徑的減小通道越來越窄，因此加工葉輪葉片曲面時除了刀具與被加工葉片之間發生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發生干涉。③刀位規劃時的約束條件多，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，如美國NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專用軟件等。目前，我國大多數生產葉輪的廠家多數采用國外大型CAD/CAM 軟件，如NX、CATIA、MasterCAM等來加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強大的NX對復雜曲面整體葉輪進行加工仿真研究。

1 整體葉輪數控加工工藝

根據葉輪的幾何結構特征和使用要求(如圖1)，其基本加工工藝流程為：①在鍛壓鋁材上車削加工回轉體的基本形狀；②開粗加工流道部分；③半精加工流道部分；④葉片精加工；⑤對倒圓部分進行清根。

圖1 葉輪零件

1.1 刀具的選擇

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于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過程中，應在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑大于流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在對流道和相鄰葉片的交接部分進行清根時，選擇的刀具半徑小于流道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

1.2 5坐標數控機床結構

葉輪加工應當使用5 坐標數控加工中心完成。5坐標是指在3個平動坐標軸基礎上增加2個轉動坐標軸(A，B 或A，C或B，C)且5個軸可以聯動。由于具有2個轉動軸，導致5坐標機床可以有很多種運動軸配置方案，但它們可以歸于如下3大結構類型：

(1)刀具擺動型

這種結構類型是指2個轉動軸都作用于刀具上，由刀具繞2個互相正交的軸轉動以使刀具能指向空間任意方向。這類機床的主要特點是擺動機構結構較復雜。一般剛性較差，但其運動靈活，機床使用操作(如裝卡工件)較方便。

(2)工作臺回轉/擺動型

這種結構類型是指2個轉動軸都作用于工件上，根據運動的相對性原理，它與由刀具擺動產生的效果在本質上是一樣的。這種結構也是定、動軸結構，只是其動軸緊靠工件。這類機床的主要特點是其旋轉/搖動工作臺剛性容易保證、工藝范圍較廣，而且容易實現。但由于工件要隨工作臺在空間擺動，因此這種結構主要適合于中小規格的機床用于加工體積不大的零件。

(3)刀具與工作臺回轉/擺動型

這種結構類型是指刀具與工件各具有一個擺動運動。這種結構不是定、動軸結構，2個回轉軸在空間的方向都是固定的。對于其2個轉動軸的配置情況，這類機床的特點介于上述兩類機床之間。對于5坐標機床，不管是哪種類型，由于它們具有2個回轉坐標，相對于靜止的工件來說，其運動合成可使刀具軸線的方向在一定的空間內(受機構結構限制)任意運動，從而具有保持最佳切削狀態及有效避免刀具干涉的能力。因此，5坐標加工又可以獲得比4坐標加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜于大型或直母線類零件的高效高質量加工以及異型復雜零件的加工。

2 數控加工的刀軸控制

多坐標加工與3坐標加工的本質區別在于：在3坐標加工情況下，刀具軸線在工件坐標系中的方向是固定的，它始終平行于Z軸，而在多軸加工中，刀具軸線在工件坐標系中一般是不斷變化的。這就涉及到刀軸控制方式的確定問題。若數控編程不能有效地控制刀具軸的運動，刀具的位移和擺角運動之間匹配不好，在一些加工情況下，會對加工零件產生意想不到的有害影響。

葉輪用5坐標數控機床加工，由于葉片的扭曲很大，流道比較窄，刀具在葉片上及流道內要合理擺動，才能防止葉輪過切，并得到光順的刀紋。從圖1葉輪的三維模型可以看到，加工流道的底面時，刀具軸必須在兩個相鄰葉片之間擺動，不能與葉片相碰，也就是說，葉片是流道加工的邊界條件。NX 中提出了一種刀具軸迭代方式-插補刀具軸(Interpolated Tool Axis)，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 。當驅動或零件幾何體非常復雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體(如點、線、矢量、較為光順的驅動幾何體)時，插補刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化。插補還能調節刀軌，避免碰到障礙物。可以從驅動幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動。刀具軸通過用戶在驅動幾何體上指定矢量進行插補。指定的矢量越多，對刀具軸的控制越多。加工左右兩個葉片的時候，由于葉面是直紋面，刀具軸的控制方式選用直紋面驅動刀具軸(Swarf Drive Tool Axis)，這種驅動方式可以保持刀具軸平行于驅動幾何體。使用這種方法時，驅動幾何體引導刀具側刃，零件幾何體引導刀具底部。可以控制輸出很好的加工刀軌，加工出來的曲面質量相當高。

3 葉輪數控加工

傳統的葉輪加工方法是葉片與輪廓采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪廓上。此方法不僅費時費力，且葉輪的各種性能難以保證。近年來，多坐標數控技術的發展使得葉輪的整體加工成為可能并日益普及。葉輪整體加工是指輪廓與葉片在同一毛坯上加工成形。其加工過程大致包括以下幾個主要工序：①粗加工；②半精加工；③葉片曲面精加工。

曲面零件的加工一般也需經過粗、半精和精加工過程。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，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盡可能多的切屑，粗加工對表面質量的要求不高，因此，提高粗加工效率對曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。曲面粗加工一般可采用2 種方法：偏置法和層切法。

偏置法適合于毛坯形狀與零件形狀相似的情況，如鑄造與鍛造毛坯，否則將產生較多的空行程而影響加工效率。

層切法用一系列假想水平面與零件面和毛坯邊界截交，得到一系列二維切削層。然后用平底刀對各切削層進行分層加工。對于型腔等邊界受到約束的情況，還需考慮垂直進刀問題及相鄰切削層的走刀軌跡過渡問題。在此，毛坯是零件的包羅體，采用層切法的型腔銑進行粗加工。

本文采用20R6環形刀，進行開槽加工，加工余量設為1mm，由于該葉輪流道上出口加工深度大于下出口深度，本論文用變深度加工方法加工，建立十層流道近似面，逐層往下偏置加工。每一層以偏置面作為工件幾何體，同時也是驅動幾何體，以這樣的方法做出來的加工軌跡線清晰不紊亂。曲面區域加工方法進行加工沒有直接以零件作為工件幾何體，必須選擇零件作為檢查幾何體，否則即使發生了過切現象，系統也不能作出正確的提示。

加工第一偏置層時需要考慮垂直進刀問題，做出一條刀軸方向控制線，在非切削參數設置界面，選擇工況下拉條中初始化進刀，定義好起刀點，逼近運動設置成刀軸控制線方向。回放刀路模擬進刀如圖2所示。

圖2 回放刀路模擬進刀圖

偏置法加工葉輪時，相鄰切削層的走刀軌跡過渡問題必須解決，每一層的進退刀要設置好。如果都按照NX系統默認方式加工。刀具會在加工完一層以后，返回安全平面，然后再到下一層的進刀點，影響加工效率。本論文將每一層的退刀點確定在這一層的最后一個加工點，不使刀具提刀。將下一層的進刀點定為上一層的退刀點，以線性方式移動到進刀點。這樣做的好處是刀具沒有返回安全平面的動作，而且整個粗加工刀具軌跡可以完全相連，如圖3所示，這樣減少了不必要的退刀動作，提高了加工效率。

圖3 軌跡線連接圖

由于是插補刀具軸方式，刀具軸矢量方向要設定好，第一層的矢量方向如圖4所示，可以做出矢量控制線，修改插補刀具數據點，要使得刀具軸的擺動變得更加光順，還可以添加數據點。在確定矢量方向時，注意盡量使得刀具軸擺動幅度變小。

圖4 第一層刀具軸矢量方向圖

左右兩個葉片的加工采用直紋面驅動刀具軸，驅動面選擇葉片的表面，零件幾何體選擇葉片表面本身，最后生成的軌跡線如圖5a、b所示。

圖5 粗加工兩個葉片的刀軌圖

4 機床模擬加工仿真

NX系統自帶有三種類型的五軸機床，本論文選用其中的回轉/擺 動型機床進行虛擬仿真加工，擺頭旋轉軸是B軸，轉臺旋轉軸是C軸。通過機床導航器調入機床組件和刀具組件，葉輪零件安放在轉臺上面即可進行加工仿真。粗加工第一層加工仿真效果如圖6所示。

圖6 機床加工仿真圖

5 結論

本文利用NX軟件對整體葉輪進行了加工仿真，合理選擇了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了刀軸的控制方式。在NX/CAM模塊通過選擇了適當的刀具軌跡驅動方法進行了流道和葉片的加工仿真，生成的加工軌跡。最后利用NX的機床模擬仿真功能進行了仿真驗證，以保證生成刀具軌跡的正確性。