开式整体叶轮数控加工技术研究

　　整体叶轮作为透平机械的核心部件，已经被广泛的应用于航空、航天及其他工业领域。与传统的分体式叶轮结构相比较，整体叶轮将叶片和轮毂设计成一个整体，在提高了零件性能的同时，也增加了零件加工的难度。一个叶片的加工失败，将导致整个零件的报废，因此导致目前生产中整体叶轮的成品率较低。

　　目前整体叶轮加工一般采用铸造、电火花加工、电解加工及数控铣削加工等方法。其中5坐标数控加工以其灵活、高效、零件表面质量高和生产周期短等优点而成为整体叶轮加工常用的方法。然而，在整体叶轮数控加工中极可能出现的干涉碰撞、加工变形等问题，严重影响了零件的质量。因此，研究该类零件的数控加工技术有着重要的现实意义。

　　开式整体叶轮是整体叶轮的一种，与之相对的是闭式整体叶轮，即所谓的带箍整体叶轮。这2种叶轮的结构特点决定了其数控加工方式的不同，即开式整体叶轮可以环绕叶片走刀，同时加工叶盆与叶背，而闭式整体叶轮则只能多次装夹，分别加工叶盆和叶背。由于环绕叶片加工需要刀具通过叶轮流道，因此极易在开式整体叶轮的数控加工过程中出现干涉碰撞现象，需要进行适当的处理以避免其发生。

　　针对开式整体叶轮，本文提出一套数控加工关键技术，包括合理的刀具轨迹以及刀轴矢量的规划等，最后给出了加工实例。与已有加工方法相比，本文主要从数控编程角度来合理安排整体叶轮数控加工刀具轨迹，以达到减小变形、提高加工质量的目的。

1 国内外研究现状

　　国外一些学者对整体叶轮的数控加工做了大量的研究。

　　欧共体科学技术委员会支持的BE.97.4078项目联合了SNECMA、Dassault System、dCade、Volvo Aero Norg AS、Rolls Royce Plc等大公司和一些科研机构共同研究复杂曲面的5坐标数控加工技术，该技术可广泛应用于叶轮及发动机叶片的生产和制造，在叶轮的5坐标数控加工方面代表当今世界发展的最高水平。

　　在应用软件方面，目前多数厂家采用通用的CAD/CAM的商用软件编制叶轮的数控加工程序。针对这一情况，国际上一些先进的多坐标数控机床生产厂商及专业的叶轮加工工厂都推出了专用于叶轮的数控加工软件包，如MAX-5，MAX-AB，STARRAG等。

　　在国内，西北工业大学做了大量的研究工作，并取得了显著的成绩，开发出了“叶轮类零件多坐标NC编程专用软件系统”。另外，北京航空航天大学以及哈尔滨工业大学等高校在整体叶轮的数控加工方面也做了一定的研究工作。但从目前国内已有的文献看，对开式整体叶轮的数控加工技术研究还比较少。

2 开式整体叶轮数控加工关键技术

　　2.1 流道可加工性分析

　　本文所说的流道可加工性分析是指刀具能否从流道的进气口(出气口)沿流道方向加工到出气口(进气口)。分析的目的是需要确定刀具是否能够通过流道并且允许多大直径的刀具通过。若能通过，则可以采取环绕叶片走刀的方式，而这种方式对防止叶片加工变形最有利，并且叶片表面不会出现对刀痕；若不可以，则只能采取多次装夹、分片加工叶片的方式。

　　判断叶片之间流道是否允许刀具通过，可沿相邻两叶片根部中间位置选取一系列的点，以这些点为刀尖点，选择一定直径的刀具，适当调整刀轴矢量，计算刀轴与叶片之间的距离，并与刀具直径相比较，从而判断干涉。若不存在干涉，则可以选择环绕叶片走刀方式。选择相邻叶片根部中间位置是因为该处干涉碰撞条件最苛刻。若该位置不存在干涉，则其他位置也不会有干涉。如图1所示。

图1 流道可加工性分析