1 葉輪簡(jiǎn)要介紹

　　葉輪是壓縮機(jī)、透平機(jī)和泵等的核心部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)壓縮機(jī)的性能有著決定性的影響。20世紀(jì)80年代中期，在先進(jìn)透平機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了“三元整體葉輪”結(jié)構(gòu)。三元葉輪是根據(jù)透平式流體機(jī)械內(nèi)部流體的三元真實(shí)流動(dòng)狀況而設(shè)計(jì)的，能大幅度地降低能耗。整體式三元葉輪是指輪轂和葉片在同一毛坯上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、曲面誤差小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。由于葉輪采取了整體式結(jié)構(gòu)，而葉片的形狀又是機(jī)械加工中較難加工的復(fù)雜形狀曲面構(gòu)成的，因此加工時(shí)軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時(shí)極易發(fā)生碰撞干涉，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)加工專用軟件，主要有美國(guó)葉輪制造公司NREC推出的專用軟件包：MAX-5，MAX-AB;瑞士Starrag生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床所帶的整體葉輪加工模塊，還有Hypermill等專用葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如：UG、CATIA、PRO/E、MasterCAM等也能用于整體葉輪的加工。本文選用UG NX4.0對(duì)整體葉輪進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃。

　　2 加工工藝及裝備分析

　　2.1 加工工藝流程規(guī)劃

　　葉輪的一般構(gòu)成形式是若干組葉片均勻分布在輪轂上，相鄰兩個(gè)葉片間構(gòu)成流道，葉片與輪轂的連接處有一個(gè)過(guò)渡圓角，使葉片與輪轂之間光滑連接。葉片曲面為直紋面或自由曲面。整體葉輪的幾何形狀比較復(fù)雜，一般流道較狹窄且葉片扭曲程度大，容易發(fā)生干涉碰撞。因此主要難點(diǎn)在于流道和葉片的加工，刀具空間、刀尖點(diǎn)位和刀軸方位要精確控制，才能加工到其幾何形狀的每個(gè)角落，并使刀具合理擺動(dòng)，避免發(fā)生干涉碰撞。

　　葉輪加工首先由最初的毛坯——棒料、鑄造件或者鍛壓件采用車床進(jìn)行外輪廓的車削加工，得到葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。通過(guò)對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析，葉輪加工主要由粗加工葉片間流道(葉輪開(kāi)粗)、流道曲面的半精加工、葉片精加工、流道精加工和倒圓部分的清根加工等工序組成。

　　2.2 刀具選擇

　　刀具剛性和幾何形狀是葉輪加工刀具選擇的主要因素，在流道尺寸允許的情況下盡可能采用大直徑的刀具。粗加工刀具一般選擇圓柱平底銑刀。精加工選擇錐柄球頭刀具，錐度有利于提高刀具的剛性，但錐度不宜太大，一般3~5度較合適 。為提高加工效率，在不發(fā)生碰撞干涉的情況下盡可能選用大直徑銑刀，并優(yōu)先選多刃銑刀。

　　2.3 機(jī)床選擇

　　加工整體葉輪可用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床，還需考慮以下因素：機(jī)床各軸的最大行程、工作臺(tái)的擺動(dòng)范圍、機(jī)床功率等。本文加工中使用的MIKRON UCP800 Duro五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，它帶有一個(gè)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸和繞X軸擺動(dòng)的A軸。UCP800 Duro配置了20000 r/min主軸，Heidenhain iTNC530數(shù)控系統(tǒng)。X軸行程：-400~400mm，Y軸行程：-320~330mm，Z軸行程：105~605mm，A軸擺動(dòng)角度：-105~120度。

　　3 葉輪加工編程

　　UG NX提供了大量多坐標(biāo)數(shù)控加工編程方法及刀軸控制方式，要選擇合適的加工方法，并注意合理選擇粗精加工余量、切削工藝參數(shù)如加工步距、加工深度、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床進(jìn)給率等，對(duì)于提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量是至關(guān)重要的。還要根據(jù)葉輪的幾何特征合理設(shè)置進(jìn)退刀方式，從而避免過(guò)切和干涉。

　　3.1 粗加工流道

　　粗加工葉輪流道的過(guò)程中將去除大量材料，其考慮的重點(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)切除多的切屑。粗加工對(duì)表面質(zhì)量的要求不高，因此要合理規(guī)劃刀具路徑，提高粗加工效率。開(kāi)粗加工時(shí)可以采用可變軸輪廓銑(Variable Contour)，選擇流道面為零件面(Part Geometry)和驅(qū)動(dòng)幾何面(Drive Geometry)，葉片面和輪轂面為干涉檢查面。由于葉片高度較大，粗加工時(shí)可分層銑削，即給零件留不同的余量，可調(diào)整曲面百分比減少切削過(guò)程中的空走刀。

　　開(kāi)粗時(shí)也可采用型腔銑(Cavity Mill)。型腔銑以平面的切削層來(lái)切削材料，刀具在每層沿著幾何體的輪廓加工。由于開(kāi)粗時(shí)余量大，可以選取兩個(gè)不同的方向進(jìn)行開(kāi)粗，注意選取方向時(shí)應(yīng)使加工范圍盡可能大，盡量去除多的材料。這種方法的加工效率高，但剩余的加工余量大且不規(guī)則，還需進(jìn)行補(bǔ)加工，從而使余量均勻。

　　3.2 流道曲面的半精加工

　　半精加工流道時(shí)選擇可變軸輪廓銑(Variable Contour)，選擇葉片間的流道曲面為部件幾何體，將整個(gè)葉輪部件選擇為檢查幾何體，驅(qū)動(dòng)方式選擇為“曲面區(qū)域”。驅(qū)動(dòng)幾何體與部件幾何體相同。由于整體葉輪相鄰葉片之間空間較窄，且葉片扭曲程度大，容易發(fā)生干涉碰撞，因此刀具在流道內(nèi)要合理擺動(dòng)，才能防止干涉。刀軸矢量可以選擇插補(bǔ)方式(Interpolate)，這種方式可以通過(guò)在指定的點(diǎn)定義矢量方向來(lái)控制刀具軸。可以做出矢量控制線，添加或修改插補(bǔ)刀具數(shù)據(jù)點(diǎn)，在確定矢量方向時(shí)注意定義所需要的足夠多的矢量，使得擺動(dòng)變得更加光順。注意驅(qū)動(dòng)路徑方向應(yīng)指向外，若方向相反，點(diǎn)擊材料反向更正驅(qū)動(dòng)路徑方向。刀軸插補(bǔ)矢量及產(chǎn)生的刀具路徑。刀軸插補(bǔ)矢量及產(chǎn)生的刀具路徑如圖1所示。

　　a 流道半精加工刀軸矢量             b流道半精加工刀具路徑

　　圖1 流道曲面的半精加工

　　3.3 葉片精加工

　　葉輪的葉片扭曲程度大且高度較高，葉片間流道距離小，是體現(xiàn)加工復(fù)雜性的主要部分，因此需合理設(shè)置刀軸矢量，避免刀具與已加工葉片及其他葉片發(fā)生干涉。根據(jù)葉片型面特征，以刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工葉片型面可分為“線接觸”(側(cè)銑法)和“點(diǎn)接觸”兩類成型方式 。

　　對(duì)于可展直紋面葉輪，可用側(cè)銑法加工，即用圓柱銑刀的側(cè)刃銑削葉片曲面，刀軸控制方法為Swarf。側(cè)銑時(shí)一次走刀可將整個(gè)葉片加工完，精加工時(shí)間大為縮短，加工效率高，加工表面質(zhì)量好。

　　對(duì)于自由曲面葉輪使用點(diǎn)接觸銑削，刀具在切削過(guò)程中始終保持刀刃與被加工曲面相切于一個(gè)點(diǎn)，銑刀按葉片流線方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，逐行走刀，最終加工出葉片曲面，是一種精確成型的加工方式。

　　圖2為采用點(diǎn)接觸銑削時(shí)生成的刀具路徑。選擇可變軸輪廓銑(Variable Contour)，驅(qū)動(dòng)方式為“曲面區(qū)域”。選擇一個(gè)葉片面作為驅(qū)動(dòng)幾何體，其他相鄰葉片和流道面作為檢查幾何體，刀軸可采用相對(duì)于驅(qū)動(dòng)面(Relative to Drive)，為避免刀具與葉片發(fā)生干涉，需合理設(shè)置前傾角和側(cè)傾角。步進(jìn)方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

　　圖2 葉片精加工刀具路徑

　　3.4 流道精加工

　　流道精加工與流道半精加工基本相同，驅(qū)動(dòng)方式為“曲面區(qū)域”，選擇葉片間的流道曲面為驅(qū)動(dòng)幾何體，將整個(gè)葉輪部件選擇為檢查幾何體，步進(jìn)方式采用“殘余波峰高度”，殘余高度為0.005mm。

　　3.5 葉片根部圓角清根

　　對(duì)于葉片和輪轂連接處的過(guò)渡圓角的加工，選擇圓角面為驅(qū)動(dòng)面，流道面、相鄰葉片面作為干涉檢查幾何體，刀軸采用相對(duì)于驅(qū)動(dòng)(Relative to Drive)并注意設(shè)定合理的傾斜角度。生成的刀具路徑如圖3所示。也可采用朝向線(Toward Line)方式，有時(shí)只用一條控制線，還不能控制加工一個(gè)完整曲面，可能要選用幾條控制線。

　　圖3 葉片根部圓角清根加工刀具路徑

　　3.6 后置處理

　　后置處理主要任務(wù)是將生成的刀軌文件處理、轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)可以接受的數(shù)控代碼文件。UG/Post Builder是與UG/CAM配合的后置處理功能模塊，提供了定義各軸運(yùn)動(dòng)關(guān)系、數(shù)控代碼結(jié)構(gòu)、機(jī)床空間幾何參數(shù)等功能。

　　在UG/Post Builder中選擇機(jī)床的類型為雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床(5-Axis with Dual Rotary Tables)，設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸為A、C軸，設(shè)置MIKRON UCP800 Duro機(jī)床各軸的行程參數(shù)，確定工件坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)的關(guān)系以設(shè)定4th Axis Center to 5th Axis Center的值，并根據(jù)Heidenhain iTNC530系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)置數(shù)控程序文件頭尾的格式等。

　　應(yīng)用配置的后置處理對(duì)所編制的刀具軌跡文件進(jìn)行后置處理，生成數(shù)控代碼文件。

　　3.7 仿真驗(yàn)證

　　對(duì)于生成的數(shù)控代碼文件，應(yīng)通過(guò)UG NX的仿真模塊或Vericut軟件對(duì)刀軌進(jìn)行反復(fù)仿真驗(yàn)證，檢查干涉、過(guò)切等問(wèn)題并及時(shí)修改。確認(rèn)無(wú)誤后，還必須在機(jī)床上進(jìn)行試切，調(diào)試切削的工藝參數(shù)，以便高效加工出合格的葉輪。

　　圖4 在Vericut中對(duì)刀具路徑進(jìn)行仿真驗(yàn)證

　　4 結(jié)論

　　UG NX作為通用軟件，能夠很好的完成葉輪零件的數(shù)控編程。本文利用UG NX軟件對(duì)整體葉輪進(jìn)行了加工編程，合理選擇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刀軸的控制方式，生成加工軌跡，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，保證生成的刀具軌跡的正確性。最后通過(guò)MIKRON UCP800 Duro五軸聯(lián)動(dòng)加工中心實(shí)現(xiàn)了葉輪零件的加工，加工過(guò)程平穩(wěn)，加工表面光潔度高，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。