基于UG NX的整体叶轮五轴数控加工技术

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活动状况而设计的，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，而叶片的外形又是机械加工中较难加工的复杂外形曲面构成的，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，自动天生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。整体叶轮的几何外形比较复杂，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大，轻易发生干涉碰撞。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，才能加工到其几何外形的每个角落，并使刀具公道摆动，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，得到叶循环转体的基本外形。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

　　刀具刚性和几何外形是叶轮加工刀具选择的主要因素，在流道尺寸答应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，锥度有利于进步刀具的刚性，但锥度不宜太大，一般3~5度较合适 。为进步加工效率，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。

3 叶轮加工编程

　　UG NX提供了大量多坐标数控加工编程方法及刀轴控制方式，要选择合适的加工方法，并留意公道选择粗精加工余量、切削工艺参数如加工步距、加工深度、主轴转速、机床进给率等，对于进步产品的加工效率和质量是至关重要的。还要根据叶轮的几何特征公道设置进退刀方式，从而避免过切和干涉。

3.1 粗加工流道

　　粗加工叶轮流道的过程中将往除大量材料，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多的切屑。粗加工对表面质量的要求不高，因此要公道规划刀具路径，进步粗加工效率。

　　开粗加工时可以采用可变轴轮廓铣（Variable Contour），选择流道面为零件面（Part Geometry）和驱动几何面（Drive Geometry），叶片面和轮毂面为干涉检查面。由于叶片高度较大，粗加工时可分层铣削，即给零件留不同的余量，可调整曲面百分比减少切削过程中的空走刀。

　　开粗时也可采用型腔铣（Cavity Mill）。型腔铣以平面的切削层来切削材料，刀具在每层沿着几何体的轮廓加工。由于开粗时余量大，可以选取两个不同的方向进行开粗，留意选取方向时应使加工范围尽可能大，尽量往除多的材料。这种方法的加工效率高，但剩余的加工余量大且不规则，还需进行补加工，从而使余量均匀。

3.2 流道曲面的半精加工

　　半精加工流道时选择可变轴轮廓铣（Variable Contour），选择叶片间的流道曲面为部件几何体，将整个叶轮部件选择为检查几何体，驱动方式选择为“曲面区域”。驱动几何体与部件几何体相同。

　　由于整体叶轮相邻叶片之间空间较窄，且叶片扭曲程度大，轻易发生干涉碰撞，因此刀具在流道内要公道摆动，才能防止干涉。刀轴矢量可以选择插补方式（Interpolate），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。可以做出矢量控制线，添加或修改插补刀具数据点，在确定矢量方向时留意定义所需要的足够多的矢量，使得摆动变得更加光顺。留意驱动路径方向应指向外，若方向相反，点击材料反向更正驱动路径方向。刀轴插补矢量及产生的刀具路径如图1所示。

图1 流道曲面的半精加工