0 引言
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逐渐变窄，因此加工时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，还容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。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，如美国NREC公司的MAX-5，MAX-AB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NX、CATIA、MasterCAM等软件来加工整体叶轮。本文选用功能强大的NX6.0软件，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(见图1)，其基本加工工艺流程为：在锻压铝材上车削加工回转体的基本形状；外型整体粗加工；流道粗加工；叶片精加工；对底部倒圆进行清根。
图1 叶轮几何结构
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机床，采用主轴摆动+圆工作台旋转结构。行程参数为：X轴1080mm，y轴710mm，Z轴710mm，B轴(主轴摆动)103°，C轴(工作台旋转)360°。该机床具有转速高及联动结构稳定性高、五轴联动技术成熟的特点。机床控制系统采用HEIDENHAIN iTNC 530系统。利用NX/Post Builder软件构建DMU-100T机床专用的后置处理器。
3 刀具的选择
为了提高效率，在流道粗加工和流道半精加工过程中，尽可能选用大直径球头铣刀。同时保证刀具直径小于两叶片间最小距离；在叶片精加工过程中，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相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道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，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，对表面质量要求不高，因此，提高其效率对提高曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。在NX加工状态下，在“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。其刀具路径见图2。
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，刀具要在通道内合理摆动，使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)这一功能对叶轮通道加工非常有用，它通过在叶片与轮毂的交线上定义一系列的矢量来控制刀轴，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间的残留区。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。刀轴控制矢量见图3。
图3 刀轴控制矢量
在创建操作对话框中，选择类型“mill_multiaxis”多轴铣加工操作建立模板，再选择VARIABLE_CONTOUR”子类型变轴铣。几何体选择整体叶轮，为了避免过切现象，选择流道两侧面为干涉检查面，选择驱动方式为“表面积”，刀轴选择“插补”。选用直径为20mm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、离开及移刀运动的设置，其中“安全设置”设置为“球”半径，选择250mm。生成的刀具路径见图4。用刀路变换命令加工其余流道曲面。
图4 流道粗加工路
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_axis”多轴铣加工操作建立模板，选择“VARI-ABLE_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见图5。刀轴选择“侧刃驱动”，切削模式选择单向。选用直径为20mm的球刀加工，部件留余量为0。产生的刀路路径见图6，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_axis”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，为了避免过切现象，选择流道两侧面为干涉检查面，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，选用直径为20mm的球刀加工。产生的刀具路径见图7，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_ axis”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200mm，刀具使用R8的球刀。产生的刀路路径见图8，变换命令加工其余叶片底部圆角。
图8 叶片底部网角清根刀具路径
4.6 机床仿真加工
NX系统自带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仿真加工。
5 结论
本文利用NX6.0软件对整体叶轮进行了仿真加工，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，选择适当的刀具轨迹驱动方法，进行了流道和叶片的加工，生成加工轨迹。
文中介绍的对流道的加工采用刀具轴插补刀具轴加工，这种方法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，插补刀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，对刀具轴的控制就越多。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相当高。
五轴加工的重点和难点是避免发生干涉，本文对流道和底部圆角加工时，对刀具的进退倒进行了控制，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，这样不仅提高了加工效率，还使加工更安全。
(审核编辑: 智汇张瑜)
