作为动力机械的关键部件，整体式叶轮广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。叶轮的加工质量直接影响整机的动力性能和机械效率，数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。整体叶轮的加工难点主要表现在：① 三元整体叶轮的形状复杂，其叶片多为非可展扭曲直纹面；② 整体叶轮相邻叶片的空间较小，而且在径向上设有半径的减小通道越来越窄，因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具极易与相邻叶片发生干涉；③刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。国外一般应用整体叶轮的五坐标加]二专用软件，如美国NREC 公司的MAX25，MAX2AB叶轮加工专用软件等。目前，我国大多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型CAD／cAM 软件，如UG NX、CATIA、MasterCAM 等来加工整体叶轮。本文选用目前流行且功能强大的UG NX6.0对复杂曲面整体叶轮进行加工仿真研究。

1 整体叶轮数控加工工艺

　　根据叶轮的几何结构特征和使用要求(如图1)，其基本加工工艺流程为：① 在锻压铝材上车削加T回转体的基本形状；② 外型整体粗加工；③ 流道粗加工；④ 叶片精加T； ⑤ 对底部倒圆进行清根。

2 机床准备

　　DMU-100T 是从德国DMG 公司引进的一台全闭环五轴联动数控加工中心，采用主轴摆动+圆工作台旋转结构。行程参数为：X轴1 080 IT／ITI，y轴719 mm，Z轴710 mm，／3轴(主轴摆动)103，C轴(工作台旋转)360。该机床具有转速高、联动结构稳定性高、在轴联动技术成熟的特点。机床控制系统果用HEIDENHAIN iTNC 520 系统。利用UG Post Builder软件构建DMU-100T、机味专用的开置理。

3 刀具的选择

　　为提高加工效率，存进行流道开粗和流道半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀。但是也要注意使刀具直径小于叶片间最小距离；在叶片精加工过过程中，应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀，即保证刀具半径大于流道和叶片的交接部分的最大倒圆半径。在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时，选择的刀具半径小于流通和叶片相接部分的最小倒圆半径。

4 数控编程

　　4.1 粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，其考虑的重点是加工效率，要求大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的余量。粗加工对表面质量的要求不高，因此，提高粗加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。在UG加工状态下，创建操作对话框中。选择类型MIL-CONTOUR建立机床控制操作，再选择子类型CAVITY-MILL型腔铣。这是三轴联动的粗加工模式。选用直径为25R5的圆角铣刀加工，切削方式采用跟随部件，背吃刀量的0．6mm，刀具与刀具之间的步距为刀具直径的65%，部件侧面与底面留余量0.5mm。

图2 整体粗加工路径

　　4.2 开槽与扩槽

　　叶片扭曲且包角较大，刀具在通道内要合理摆动，使得刀具尽可能地接近叶片的两侧面而又不过切轮毂及轮盖。采用通常的刀轴驱动方法很难实现。刀轴插补(ToolAxis Interpolation)这一功能对于叶轮通道加丁非常有用，它通过在叶片与轮毂的交线上定义一系列的矢量以控制刀轴，轮毂面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U、V 双向线性插值或样条插值获得。这样，刀轴能很好地按照加工的需要而得到控制。在不过切的情况下，最大限度地减少叶片面与轮毂之问的残留区。边界矢量的定义是一个十分细致的工作，其基本原则是避免刀轴的突变，保证刀轴平滑变化。

图3 刀轴控制矢量

　　在创建操作对话框中，选择类 mill_multi_zxis多轴铣加工操作建立模饭。选择;VARIABLE_CONTOUR子类型变轴铣.几何体选择整体叶轮。为了避免有过切现象，选择流道两侧的面为干涉检查面。选择驱动方式为“表面积。刀轴选择插补，选用直径为20 mm 的球刀加工。选择多重深度切削，步进方式采用增量式，增量值为0．5mm。部件留余量为0．3mm。加工时需要考虑进刀退刀的问题，在非切削参数设置界面，选择;传递快速区域之间下拉条中定义好逼近、离开、移刀运动的设置。其中安全设置设置为球半径选择250mm。用刀路变换命令加工其余流道曲面。

图4 流道粗加工路径

　　4.3 叶片精加工

　　SWARF 方法也叫侧刃或表面驱动法，SwARF驱动刀轴随叶片直纹面的U 向或V向连续变化，刀具底部接触轮毂面。侧面接触叶片表面形成单条刀路，从而实现叶片的精加工。在创建操作对话框中，选择类型mill_multi_zxis多轴铣加工操作建立模板，选择VARIABLE_CONTOUR子类型变轴铣。选择驱动方式为表面积，为了加工到位，曲面百分比方法设置如图。刀轴选择侧刃驱动，切削模式选择单向。选用直径为20 mm 的球刀加工，部件留余量为0。产生的刀具路径如图6所示，用刀路变换命令加工其余叶轮曲面。

图5 曲面百分比设置

图6 叶轮精加工路径

　　4.4 流道精加工

　　同样选择类型mill_multi_zxis多轴铣加工操作建立模板，选择;VARIABLE_CONTOUR子类型变轴铣。几何体选择整体叶轮，为了避免有过切现象，选择流道两侧的面为干涉检查面，选择驱动方式为表面积;，刀轴选择插补步进方式采用残余波峰高度，残余高度为0．005 mm，选用直径为20mm的球刀加工。用刀路变换命令加工其余流道曲面。

图7 流道精加工刀具路径

　　4.5 叶片底部圆角清根加工

　　同样选择类型mill_multi_zxis多轴铣加工操作建立模板，选择&VARIABLE_CONTOUR子类型变轴铣。几何体选择根部圆角部位，选择驱动方式为表面积，刀轴选择相对于驱动体步进方式采用数字控制模式，步数为15步，设置非切削移动参数传递／连接选项区域之间安全设置为球，半径选择200 mm，刀具使用R8的球刀，用刀具路径变换命令加工其余叶片底部圆角。

图8 叶片底部圆角清根刀具路径

　　4.6 机床模拟加工仿真

　　UG系统自带有3种类型的五轴机床。本文选用其中的回转/摆动型机床进行虚拟仿真加工。摆头旋转轴是B轴，转台旋转轴是C轴。通过机床导航器调入机床组件和刀具组件。叶轮零件安放在转台上面即可进行加工仿真。

5 结束语

　　本文利用UG NX6．0软件对整体叶轮进行了加工仿真，合理选择了加工使用的刀具和机床，并针对流道和叶片的几何特征确定了刀轴的控制方式，选择了适当的刀具轨迹驱动方法进行了流道和叶片加工轨迹生成。

　　文中介绍的对流道的加工采用刀具轴插补加工。这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具轴，当驱动或零件几何体非常复杂，又没有附加刀具轴控制几何体时，插补 具轴可以控制剧烈的刀具轴变化，调节刀轨，避免碰到障碍物。指定的矢量越多，对刀具轴的控制越多。使用这种方法时，驱动几何体引导刀具侧刃，零件几何体引导刀具底部，可以控制输出很好的加工刀轨，加工出来的曲面质量。

　　对于五轴加工来说，最难最重要的是避免发生干涉。本文对流道和底部圆角加工时对刀具的进退刀进行了控制，依据叶轮的特征，区域之间快速移动时以球的方式控制刀轴的移动，使刀轨变得更清晰，这样不仅提高加工效率，而且使加工变得更加安全。