0 引言

 　　作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，整體式葉輪廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的動(dòng)力性能和機(jī)械效率，數(shù)控加工是目前國(guó)內(nèi)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(diǎn)主要表現(xiàn)在：

　　(1)三元整體葉輪的形狀復(fù)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(shè)有半徑的減小通道逐漸變窄，因此加工時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，還容易與相鄰葉片發(fā)生干涉；

　　(3)刀位規(guī)劃時(shí)的約束條件多，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。目前國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專(zhuān)用軟件，如美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專(zhuān)用軟件等。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠(chǎng)家多數(shù)采用國(guó)外大型CAD/CAM軟件，如NX、CATIA、MasterCAM等軟件來(lái)加工整體葉輪。本文選用功能強(qiáng)大的NX6.0軟件，對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究。

1 整體葉輪數(shù)控加工工藝

　　根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求(見(jiàn)圖1)，其基本加工工藝流程為：在鍛壓鋁材上車(chē)削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀；外型整體粗加工；流道粗加工；葉片精加工；對(duì)底部倒圓進(jìn)行清根。

    圖1 葉輪幾何結(jié)構(gòu)

2 機(jī)床準(zhǔn)備

　　DMU-100T是從德國(guó)DMG公司引進(jìn)的一臺(tái)全閉環(huán)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床，采用主軸擺動(dòng)+圓工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。行程參數(shù)為：X軸1080mm，y軸710mm，Z軸710mm，B軸(主軸擺動(dòng))103°，C軸(工作臺(tái)旋轉(zhuǎn))360°。該機(jī)床具有轉(zhuǎn)速高及聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)成熟的特點(diǎn)。機(jī)床控制系統(tǒng)采用HEIDENHAIN iTNC 530系統(tǒng)。利用NX/Post Builder軟件構(gòu)建DMU-100T機(jī)床專(zhuān)用的后置處理器。

3 刀具的選擇

　　為了提高效率，在流道粗加工和流道半精加工過(guò)程中，盡可能選用大直徑球頭銑刀。同時(shí)保證刀具直徑小于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過(guò)程中，應(yīng)在保證不過(guò)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(duì)流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí)，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。

 4 數(shù)控編程

　　 4.1 粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，考慮的重點(diǎn)是加工效率，要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時(shí)間內(nèi)切除盡可能多的余量，對(duì)表面質(zhì)量要求不高，因此，提高其效率對(duì)提高曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。在NX加工狀態(tài)下，在“創(chuàng)建操作”對(duì)話(huà)框中，選擇類(lèi)型“MIL-CONTOUR”建立機(jī)床控制操作，再選擇子類(lèi)型“CAVITY-MILL”型腔銑。這是三軸聯(lián)動(dòng)的粗加工模式，選用直徑為25R5的圓角銑刀加工，切削方式采用“跟隨部件”，背吃刀量的0.6mm，刀具與刀具之間的步距為刀具直徑的65％，部件側(cè)面與底面留余量0.5mm。其刀具路徑見(jiàn)圖2。

    圖2 整體粗加工路徑

　　4.2 開(kāi)槽與擴(kuò)槽

　　葉片扭曲且包角較大，刀具要在通道內(nèi)合理擺動(dòng)，使刀具盡可能地接近葉片的兩側(cè)面，而又不過(guò)切輪轂及輪蓋，采用通常的刀軸驅(qū)動(dòng)方法很難實(shí)現(xiàn)。刀軸插補(bǔ)(ToolAxis Interpolation)這一功能對(duì)葉輪通道加工非常有用，它通過(guò)在葉片與輪轂的交線(xiàn)上定義一系列的矢量來(lái)控制刀軸，輪轂面上其余刀具位置點(diǎn)的刀軸矢量由U、V雙向線(xiàn)性插值或樣條插值獲得。這樣，刀軸能很好地得到控制，在不過(guò)切的情況下，最大限度地減少葉片面與輪轂之間的殘留區(qū)。邊界矢量的定義是一個(gè)十分細(xì)致的工作，其基本原則是：避免刀軸的突變，保證刀軸平滑變化。刀軸控制矢量見(jiàn)圖3。

    圖3 刀軸控制矢量

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話(huà)框中，選擇類(lèi)型“mill_multiaxis”多軸銑加工操作建立模板，再選擇VARIABLE_CONTOUR”子類(lèi)型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免過(guò)切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)面為干涉檢查面，選擇驅(qū)動(dòng)方式為“表面積”，刀軸選擇“插補(bǔ)”。選用直徑為20mm的球刀加工，選擇多重深度切削，步進(jìn)方式采用增量式，增量值為0.5mm，部件留余量為0.3mm。加工時(shí)需要考慮進(jìn)刀退刀的問(wèn)題，在非切削參數(shù)設(shè)置界面，選擇“傳遞/快速”區(qū)域之間下拉條中定義好逼近、離開(kāi)及移刀運(yùn)動(dòng)的設(shè)置，其中“安全設(shè)置”設(shè)置為“球”半徑，選擇250mm。生成的刀具路徑見(jiàn)圖4。用刀路變換命令加工其余流道曲面。

    圖4 流道粗加工路

4.3 葉片精加工

　　SWARF方法也叫側(cè)刃或表面驅(qū)動(dòng)法，SWARF驅(qū)動(dòng)刀軸隨葉片直紋面的U向或V向連續(xù)變化，刀具底部接觸輪轂面。側(cè)面接觸葉片表面形成單條刀路，從而實(shí)現(xiàn)葉片的精加工。

　　在創(chuàng)建操作對(duì)話(huà)框中，選擇類(lèi)型“mill_multi_axis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARI-ABLE_CONTOUR”子類(lèi)型變軸銑。選擇驅(qū)動(dòng)方式為“表面積”。為了加工到位，曲面百分比方法設(shè)置見(jiàn)圖5。刀軸選擇“側(cè)刃驅(qū)動(dòng)”，切削模式選擇單向。選用直徑為20mm的球刀加工，部件留余量為0。產(chǎn)生的刀路路徑見(jiàn)圖6，用刀路變換命令加工其余葉輪曲面。

    圖5 曲面百分比設(shè)置

    圖6 葉輪精加工路徑

　　4.4 流道精加工

　　同樣選擇類(lèi)型“mill_multi_axis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類(lèi)型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪，為了避免過(guò)切現(xiàn)象，選擇流道兩側(cè)面為干涉檢查面，選擇驅(qū)動(dòng)方式為“表面積”，刀軸選擇“插補(bǔ)”，步進(jìn)方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005，選用直徑為20mm的球刀加工。產(chǎn)生的刀具路徑見(jiàn)圖7，用刀路變換命令加工其余流道曲面。

    圖7 流道精加工刀具路徑

　4.5 葉片底部圓角清根加工

　　同樣選擇類(lèi)型“mill_multi_ axis”多軸銑加工操作建立模板，選擇“VARIABLE_CONTOUR”子類(lèi)型變軸銑。幾何體選擇根部圓角部位，選擇驅(qū)動(dòng)方式為“表面積”，刀軸選擇“相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體”，步進(jìn)方式采用數(shù)字控制模式，步數(shù)為15步。設(shè)置非切削移動(dòng)參數(shù)→傳遞/連接選項(xiàng)→區(qū)域之間→“安全設(shè)置”為“球”，半徑選擇200mm，刀具使用R8的球刀。產(chǎn)生的刀路路徑見(jiàn)圖8，變換命令加工其余葉片底部圓角。

    圖8 葉片底部網(wǎng)角清根刀具路徑

　　4.6 機(jī)床仿真加工

　　NX系統(tǒng)自帶3種類(lèi)型的五軸機(jī)床，本文選用其中的回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型機(jī)床進(jìn)行仿真加工，擺頭旋轉(zhuǎn)軸是B軸，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸是C軸。通過(guò)機(jī)床導(dǎo)航器調(diào)入機(jī)床組件和刀具組件，葉輪零件安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上面即可進(jìn)行仿真加工。

5 結(jié)論

　　本文利用NX6.0軟件對(duì)整體葉輪進(jìn)行了仿真加工，合理選擇了加工使用的刀具和機(jī)床，并針對(duì)流道和葉片的幾何特征確定了刀軸的控制方式，選擇適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)行了流道和葉片的加工，生成加工軌跡。

　　文中介紹的對(duì)流道的加工采用刀具軸插補(bǔ)刀具軸加工，這種方法可以通過(guò)在指定的點(diǎn)定義矢量方向來(lái)控制刀具軸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)或零件幾何體非常復(fù)雜，又沒(méi)有附加刀具軸控制幾何體時(shí)，插補(bǔ)刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，調(diào)節(jié)刀軌，避免碰到障礙物。指定的矢量越多，對(duì)刀具軸的控制就越多。使用這種方法時(shí)，驅(qū)動(dòng)幾何體引導(dǎo)刀具側(cè)刃，零件幾何體引導(dǎo)刀具底部，可以控制輸出很好的加工刀軌，加工出來(lái)的曲面質(zhì)量相當(dāng)高。

　　五軸加工的重點(diǎn)和難點(diǎn)是避免發(fā)生干涉，本文對(duì)流道和底部圓角加工時(shí)，對(duì)刀具的進(jìn)退倒進(jìn)行了控制，依據(jù)葉輪的特征，區(qū)域之間快速移動(dòng)時(shí)，以球的方式控制刀軸的移動(dòng)，使刀軌變得更清晰，這樣不僅提高了加工效率，還使加工更安全。