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。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等来加工整体叶轮。本文选用目前流行且功能强大的NX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工回转体的基本形状；②开粗加工流道部分；③半精加工流道部分；④叶片精加工；⑤对倒圆部分进行清根。
图1 叶轮零件
1.1 刀具的选择
为提高加工效率，在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。
1.2 5坐标数控机床结构
叶轮加工应当使用5 坐标数控加工中心完成。5坐标是指在3个平动坐标轴基础上增加2个转动坐标轴(A，B 或A，C或B，C)且5个轴可以联动。由于具有2个转动轴，导致5坐标机床可以有很多种运动轴配置方案，但它们可以归于如下3大结构类型：
(1)刀具摆动型
这种结构类型是指2个转动轴都作用于刀具上，由刀具绕2个互相正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂。一般刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作(如装卡工件)较方便。
(2)工作台回转/摆动型
这种结构类型是指2个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理，它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的。这种结构也是定、动轴结构，只是其动轴紧靠工件。这类机床的主要特点是其旋转/摇动工作台刚性容易保证、工艺范围较广，而且容易实现。但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构主要适合于中小规格的机床用于加工体积不大的零件。
(3)刀具与工作台回转/摆动型
这种结构类型是指刀具与工件各具有一个摆动运动。这种结构不是定、动轴结构，2个回转轴在空间的方向都是固定的。对于其2个转动轴的配置情况，这类机床的特点介于上述两类机床之间。对于5坐标机床，不管是哪种类型，由于它们具有2个回转坐标，相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限制)任意运动，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，5坐标加工又可以获得比4坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于大型或直母线类零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。
2 数控加工的刀轴控制
多坐标加工与3坐标加工的本质区别在于：在3坐标加工情况下，刀具轴线在工件坐标系中的方向是固定的，它始终平行于Z轴，而在多轴加工中，刀具轴线在工件坐标系中一般是不断变化的。这就涉及到刀轴控制方式的确定问题。若数控编程不能有效地控制刀具轴的运动，刀具的位移和摆角运动之间匹配不好，在一些加工情况下，会对加工零件产生意想不到的有害影响。
叶轮用5坐标数控机床加工，由于叶片的扭曲很大，流道比较窄，刀具在叶片上及流道内要合理摆动，才能防止叶轮过切，并得到光顺的刀纹。从图1叶轮的三维模型可以看到，加工流道的底面时，刀具轴必须在两个相邻叶片之间摆动，不能与叶片相碰，也就是说，叶片是流道加工的边界条件。NX 中提出了一种刀具轴迭代方式-插补刀具轴(Interpolated Tool Axis)，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(如点、线、矢量、较为光顺的驱动几何体)时，插补刀具轴可以控制剧烈的刀具轴变化。插补还能调节刀轨，避免碰到障碍物。可以从驱动几何体上去定义所需要的足够多的矢量以保证光顺的刀具轴移动。刀具轴通过用户在驱动几何体上指定矢量进行插补。指定的矢量越多，对刀具轴的控制越多。加工左右两个叶片的时候，由于叶面是直纹面，刀具轴的控制方式选用直纹面驱动刀具轴(Swarf Drive Tool Axis)，这种驱动方式可以保持刀具轴平行于驱动几何体。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。
3 叶轮数控加工
传统的叶轮加工方法是叶片与轮廓采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮廓上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。近年来，多坐标数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能并日益普及。叶轮整体加工是指轮廓与叶片在同一毛坯上加工成形。其加工过程大致包括以下几个主要工序：①粗加工；②半精加工；③叶片曲面精加工。
曲面零件的加工一般也需经过粗、半精和精加工过程。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切屑，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。曲面粗加工一般可采用2 种方法：偏置法和层切法。
偏置法适合于毛坯形状与零件形状相似的情况，如铸造与锻造毛坯，否则将产生较多的空行程而影响加工效率。
层切法用一系列假想水平面与零件面和毛坯边界截交，得到一系列二维切削层。然后用平底刀对各切削层进行分层加工。对于型腔等边界受到约束的情况，还需考虑垂直进刀问题及相邻切削层的走刀轨迹过渡问题。在此，毛坯是零件的包罗体，采用层切法的型腔铣进行粗加工。
本文采用20R6环形刀，进行开槽加工，加工余量设为1mm，由于该叶轮流道上出口加工深度大于下出口深度，本论文用变深度加工方法加工，建立十层流道近似面，逐层往下偏置加工。每一层以偏置面作为工件几何体，同时也是驱动几何体，以这样的方法做出来的加工轨迹线清晰不紊乱。曲面区域加工方法进行加工没有直接以零件作为工件几何体，必须选择零件作为检查几何体，否则即使发生了过切现象，系统也不能作出正确的提示。
加工第一偏置层时需要考虑垂直进刀问题，做出一条刀轴方向控制线，在非切削参数设置界面，选择工况下拉条中初始化进刀，定义好起刀点，逼近运动设置成刀轴控制线方向。回放刀路模拟进刀如图2所示。
图2 回放刀路模拟进刀图
偏置法加工叶轮时，相邻切削层的走刀轨迹过渡问题必须解决，每一层的进退刀要设置好。如果都按照NX系统默认方式加工。刀具会在加工完一层以后，返回安全平面，然后再到下一层的进刀点，影响加工效率。本论文将每一层的退刀点确定在这一层的最后一个加工点，不使刀具提刀。将下一层的进刀点定为上一层的退刀点，以线性方式移动到进刀点。这样做的好处是刀具没有返回安全平面的动作，而且整个粗加工刀具轨迹可以完全相连，如图3所示，这样减少了不必要的退刀动作，提高了加工效率。
图3 轨迹线连接图
由于是插补刀具轴方式，刀具轴矢量方向要设定好，第一层的矢量方向如图4所示，可以做出矢量控制线，修改插补刀具数据点，要使得刀具轴的摆动变得更加光顺，还可以添加数据点。在确定矢量方向时，注意尽量使得刀具轴摆动幅度变小。
图4 第一层刀具轴矢量方向图
左右两个叶片的加工采用直纹面驱动刀具轴，驱动面选择叶片的表面，零件几何体选择叶片表面本身，最后生成的轨迹线如图5a、b所示。
图5 粗加工两个叶片的刀轨图
4 机床模拟加工仿真
NX系统自带有三种类型的五轴机床，本论文选用其中的回转/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。粗加工第一层加工仿真效果如图6所示。
图6 机床加工仿真图
5 结论
本文利用NX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。在NX/CAM模块通过选择了适当的刀具轨迹驱动方法进行了流道和叶片的加工仿真，生成的加工轨迹。最后利用NX的机床模拟仿真功能进行了仿真验证，以保证生成刀具轨迹的正确性。
(审核编辑: Doris)
