基于UG NX的整体叶轮五轴数控加工

1 前言

　　叶轮是压缩机、透平机和泵等的核心部件，其加工质量的优劣对压缩机的性能有着决定性的影响 。20世纪80年代中期，在先进透平机械的结构设计中，出现了“三元整体叶轮”结构。三元叶轮是根据透平式流体机械内部流体的三元真实流动状况而设计的，能大幅度地降低能耗 。整体式三元叶轮是指轮毂和叶片在同一毛坯上，具有结构紧凑、曲面误差小、强度高等优点。由于叶轮采取了整体式结构，而叶片的形状又是机械加工中较难加工的复杂形状曲面构成的，因此加工时轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易发生碰撞干涉，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，主要有美国叶轮制造公司NREC推出的专用软件包：MAX-5，MAX-AB；瑞士Starrag生产的数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有Hypermill等专用叶轮加工软件。此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E、MasterCAM等也能用于整体叶轮的加工 。本文选用UG NX4.0对整体叶轮进行加工轨迹规划。

2 加工工艺及装备分析

　　2.1 加工工艺流程规划

　　叶轮的一般构成形式是若干组叶片均匀分布在轮毂上，相邻两个叶片间构成流道，叶片与轮毂的连接处有一个过渡圆角，使叶片与轮毂之间光滑连接。叶片曲面为直纹面或自由曲面。整体叶轮的几何形状比较复杂，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大，容易发生干涉碰撞。因此主要难点在于流道和叶片的加工，刀具空间、刀尖点位和刀轴方位要精确控制，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动，避免发生干涉碰撞。

　　叶轮加工首先由最初的毛坯——棒料、铸造件或者锻压件采用车床进行外轮廓的车削加工，得到叶轮回转体的基本形状。通过对叶轮结构和加工工艺的分析，叶轮加工主要由粗加工叶片间流道（叶轮开粗）、流道曲面的半精加工、叶片精加工、流道精加工和倒圆部分的清根加工等工序组成。

　　2.2 刀具选择

　　刀具刚性和几何形状是叶轮加工刀具选择的主要因素，在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径的刀具。粗加工刀具一般选择圆柱平底铣刀。精加工选择锥柄球头刀具，锥度有利于提高刀具的刚性，但锥度不宜太大，一般3~5度较合适 。为提高加工效率，在不发生碰撞干涉的情况下尽可能选用大直径铣刀，并优先选多刃铣刀。

　　2.3 机床选择

　　加工整体叶轮可用五轴联动的机床，还需考虑以下因素：机床各轴的最大行程、工作台的摆动范围、机床功率等。本文加工中使用的MIKRON UCP800 Duro五轴联动加工中心为双回转工作台结构，它带有一个绕Z轴旋转的C轴和绕X轴摆动的A轴。UCP800 Duro配置了20000 r/min主轴，Heidenhain iTNC530数控系统。X轴行程：-400~400mm，Y轴行程：-320~330mm，Z轴行程：105~605mm，A轴摆动角度：-105~120度。