叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，它在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业中均有广泛应用，如航空发动机上的整体叶轮、坦克发动机增压器叶轮、水泵及压缩机叶轮等。这类零件形状特征明显。工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。传统的叶轮生产一般采用铸造成型后修光的方法，但是随着设计理论的发展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，模具制造的难度比较大，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度难以保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集中，产生气蚀，叶轮的动平衡性能差。
整体式叶轮的加工是指轮廓和叶片在同一毛坯体上进行的整体加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮廓上的工艺方法，所以在加工中有很大的难度，被公认为机械加工的难点。五坐标机床功能强大、加工效率高、质量好，受到制造业内人士的青睐。
五轴联动数控铣床虽然能很好地加工整体式叶轮，加工质量也能满足要求，但是加工工艺要涉及车床和铣床，工序分散，这样就影响了叶片加工的质量和加工效率。现代车铣复合设备提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中的装夹定位简单、定位基准不变、粗加工手段多样和排屑方便等优点，加工的精度更容易获得保证，同时大大缩短了生产过程链。车铣复合机床的发展，也对CAM软件提出了更多的要求。复杂的车铣复合设备用传统的手工编程是很难实现的，并且效率很低；很多传统的以铣削为发展方向的CAM软件也无法完成此类型的编程，而EdgeCAM软件顺应机床的发展形势，支持多主轴、多刀塔的车铣复合设备。EdgeCAM提供了众多智能的加工策略，从简单的轮廓加工到复杂的曲面加工；从车削外形到车铣复合加工；从投影加工到残料加工、清根加工、等粗糙度加工等数十种加工策略可供选择。使得任何复杂零件的编程操作都游刃有余。无论是计算生成刀具路径的速度还是刀具路径优化的手段，都处处体现出高效率的本质。特别是随着机械加工的发展，车铣复合加工的优势逐渐被人们所重视，在这一领域中，EdgeCAM的高级车铣模块可以适应多轴车铣复合编程工作。
1 整体叶轮的分析
整体叶轮作为透平机械的关键零件，经常运行于高转度情况下，对制造水平的要求非常高，制造质量对叶轮的性能有着重要的影响。为了获得理想的动力学特性，整体叶轮叶片大都采用了大扭角、根部变圆角等结构，这种结构特点对于加工非常困难。同时，叶片曲面制造质量要求非常高，叶轮叶片又比较薄，制造中会出现大量的工艺问题，因此要制造出满足设计要求的叶轮，不仅要有良好的制造方法，还要有良好的工艺作保证。
1.1 图样分析
整体叶轮主要由叶片、轮毂两部分组成，如图1所示，其中叶片和轮毂交界处（即叶根），常加工为变圆角过渡。文中试加工的整体叶轮有10片叶片，叶轮直径为200mm，叶轮高度120mm，出口叶片高度15mm，叶轮进口直径114mm，进口叶片高度30mm，叶片厚度最薄处3mm，相邻叶片间最小间距为18mm。
1.2 整体叶轮加工难点
为了使叶轮满足气动性能要求，叶轮常采用了大扭角，根部变圆角等结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求，整体叶轮加工难度如下：
(1)整体叶轮加工槽道变窄，而叶片相对较长，相对刚度低，是一种典型的薄壁类零件，加工过程中易发生变形，使得整体叶轮加工难度增加。
(2)在叶片距最窄处叶片深度30mm，相邻叶片最小间距18mm，在小刀径情况下，刀具刚性差，容易断，控制切削深度也是关键。
(3)此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片有扭曲，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。因此，为了加工合格的整体叶轮，必须综合考虑此整体叶轮的叶片薄壁、大扭角、小刀径的特点，为规划出一套合理的加工方案做好准备。
2 整体叶轮的加工工艺方案
2.1 车铣复合加工机床
车铣复合加工设备应用的领域广泛，除可以应用于某些产品的大批量加工场合之外，对于一些小批量或单件的生产，车铣复合加工设备也大有用武之地，因其具有至少一个旋转轴的控制能力，使其应用范围得以扩展，甚至可以替代多坐标联动加工中心的工作。
车铣复合加工机床，可以通过双刀架的同步操作来完成零件的多个工序加工，同一个工件由于有多种加工工序，在利用计算机辅助加工软件完成零件编程的同时，可以通过工序的优化，在加工条件允许的前提下，尽量使两个刀架同时处于工作状态，无疑可以有效地缩短加工时间。
车铣复合加工机床一般有普通的C&Y车铣设备和具有B轴功能的高端车铣设备，普通的C&Y车铣设备通过X，Y，C三轴联动来完成型面的加工，对具有B轴功能的高端车铣设备来说，通过B轴摆角定位加工或者X，Y，Z，B和C五轴加工，可以获得更好的加工表面质量。
实验所用机床是从日本马扎克(MAZAK)公司进口的车铣复合加工机床INTECREX-1001V，它具有双主轴双刀架，X，Y，Z，B和C五轴可联动。
2.2 确定整体叶轮加工工艺
针对数控加工工艺规划的一般步骤，拟定出整体叶轮初步加工工艺方案，然后进行参数优化，最后得到的加工工艺过程。
3 整体叶轮CAM及仿真
整体叶轮的几何形状比较复杂，流道狭窄、叶片薄且弯曲程度大，极易发生碰撞干涉，因此，其加工轨迹规划的主要难点体现于流道开槽粗、精加工和叶片型面加工。
EdgeCAM提供了大量的多轴车铣复合加工的方法，其中包括C&Y车铣、B轴加工、双刀塔加工、五轴联动加工等方法。
3.1 叶轮基本回转体车削加工
EdgeCAM提供了非常方便的双刀塔加工。将棒料加工成过渡毛坯时，首先进入车削加工环境，用上刀架加工右端面；再将当前刀架切换至下刀架，进行双刀架粗车外圆，上、下刀架加工的工序图加工出过渡毛坯。
3.2 叶轮流道开槽粗加工和精加工轨迹规划
流道开槽粗加工过程去除主要加工余量，直接影响着精加工的效率和质量，提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布，切削过程中切削深度不断变化，刀具受力变化较为剧烈，大大缩短了刀具寿命，降低了加工质量，这需要合理规划加工轨迹。流道开粗加工通常需分成若干层渐进开粗。根据叶片型面的向分割流道区域，可使粗加工的各层厚度比较均匀，加工过程稳定。
EdgeCAM提供的多轴加工中的五轴加工，加工策略选用通过两个曲面合成，这是加工两个叶片之间底面最理想的加工方法；刀轴的控制选用指定曲线控制的方法，该方法最适合叶轮底面和叶根加工中的刀轴控制，可以让刀轴始终位于一条指定的曲面上。图5是一个流道槽的粗加工刀轨，再利用【编辑】【转换】【旋转缠绕】命令，来复制其他的流道槽的加工路径。精加工采用同样的加工方法。
3.3 叶片粗、精加工
根据叶片曲面是关于叶轮中心轴的非可展直纹面这一特点，为满足叶片表面粗糙度的要求，叶片表面采用侧刃顺铣一次成形法。这里采用五轴侧刃铣的加工方法，沿着叶片的方向顺铣，对叶盆、进气口圆角、叶背连续进行加工。
3.4 仿真验证和试切加工
叶轮编程是一个复杂的过程，在刀具轨迹编制好之后，应通过EdgeCAM仿真或者Vericut软件对刀轨进行反复仿真验证，检查过切、欠切等问题，并及时修改，叶轮仿真加工结果。在确认无误的情况之下，还必须在机床上进行试切，试切一般先切出一个完整的流道和一对叶片。试切不但检查数控程序的问题，还要调试切削的一些工艺参数，以便高效加工出合格的整体叶轮。
4 结束语
整体叶轮在EdgeCAM环境下用车铣复合加工过渡毛坯，叶轮流道开槽和叶片加工操作都非常简单。双刀架的使用，有效地缩短单件加工时间，显著地提高生产效率，同时还减少工件的振动；车、铣在同一个机床上完成，使加工工序更加集中，避免了零件的多次拆装从而获得更高的位置精度；通过实体加工仿真，可以检查刀具、工件和夹具在加工过程中是否发生碰撞。这些可以提高加工质量和生产效率，为实际应用带来很大方便。
(审核编辑: 智汇胡妮)
