基于UGNX6.0的整体叶轮加工工艺及数控编程

3 叶轮加工特点及工艺方案分析

　　3.1 叶轮加工特点分析

　　（1）叶轮上有很多叶片，叶片数按轮毂直径大小不同而不同，叶片有长有短，叶片为空间曲面、扭曲程度高，并且有后仰的趋势，加工时刀具的相对摆动极易对相邻叶片产生切削干涉，因此刀具切削方向的选择尤其重要。另外，曲面需要分段加工，应注意保证加工表面的一致性；（2）叶片之间的流道相对较窄，加工空间较小，难以采用强度和刚性较好的大直径刀具；（3） 叶片进气与出气边缘圆角曲率半径变化大，使刀具和夹具角度变化大；（4）为满足强度的需要，叶轮轮毂与叶片之间的过渡采用了变圆角方式，应十分注意刀具的选择；（5）叶片属于结构复杂的薄壁件、工艺刚性差，在工艺安排上需要考虑多工步反复加工叶片型面的措施，以防加工残余应力所带来的形变。（6）整体叶轮的材料一般有铝合金、不锈钢、钛合金等，因此在工艺安排上应尽量考虑因材料不同所带来的问题。

　　3.2 叶轮加工工艺方案分析

　　整体叶轮的数控加工工艺过程主要有6 大步骤：（1）锻造毛坯；（2）数控车削粗加工出回转体形状；（3）五轴数控机床铣削加工叶片型面；（4）轮毂表面数控车削精加工；（5）叶片型面的光整加工（砂带磨削、手工抛光）；（6）其间穿插多次热处理和检验工序。

　　其中，五轴数控机床铣削加工叶片型面工序由以下工步组成：（1）气道开槽粗加工；（2）气道扩槽粗加工；（3）叶片型面粗加工；（4）气流通道扩槽铣削半精加工；（5）叶片曲面的铣削半精加工；（6） 气流通道扩槽铣削精加工；（7）叶片曲面的铣削精加工；（8）叶片及轮毂之间的清根铣削。

　　3.3 五轴铣削加工的几个关键工序分析

　　（1）开槽加工及切削方向的确定

　　叶轮的毛坯为回转体形状，叶片间的气道经粗加工开通，形成通道，为加工叶片做好准备。开槽加工中槽的位置宜选在气流通道的中间位置，多分为上下两个部分加工，应注意两部份刀路衔接问题。刀路平行于气流通道，并保证槽底与轮毂表面留有一定的加工余量。一般采用圆柱形玉米铣刀或圆柱形立铣刀铣削加工，由于气道宽度不等，所以在刀具直径方面应在下部宽阔处采用大直径刀具、上部狭窄处采用小直径刀具的方法，如图3 所示。

　　（2）叶轮气道的扩槽粗加工及叶型粗加工

　　采用球头铣刀，扩槽及轮毂底面粗加工在一次加工中完成，且叶型的粗加工一并完成，可以提高工作效率。走刀方式与开槽加工方式相同。从开槽位置开始，从中心向外缘往两边叶片扩槽，扩槽加工要保证叶型为后续半精和精加工留有足够余量。考虑到生产效率，粗加工时走刀行宽应取大些。

　　（3）叶片曲面的半精、精加工

　　叶片曲面的半精、精加工采用球头铣刀。均采用侧刃切削方式，其中，半精加工采用如图4 所示的环切方式，精加工采用图5所示的切入切出方式，以提高表面质量。应注意每次加工的背吃刀量不宜过大，可采用2 到3 次以上的分层铣削加工。考虑到被加工表面的加工质量，走刀行宽应取小些。

　　（4）叶片及轮毂之间的圆角清根采用多种球头铣刀，应注意刀具直径与圆角的匹配。

4 基于UGNX6.0 的叶轮造型与加工编程

　　采用数控加工方法加工整体叶轮的CAD/CAM 系统结构如图6 所示。

　　五轴数控加工中心加工叶轮的数控编程方法如下。

　　（1）打开UG NX6.0，进入建模方式，根据叶片各截面型值点生成曲线，再由多条曲线光滑连接生成叶片曲面。对叶轮进行建模。

　　（2）进入加工方式界面，按创建程序-创建刀具-创建几何体（几何视图导航器）之编程点和毛坯-创建操作，进入可变轮廓铣加工（mill_multi_axis）方式。

　　（3）开槽时可变轮廓铣对话框设置：部件几何体设置为“几何体”；过滤方法设置为“面”，确定了几何体以面为加工基准；驱动方法设置为“表面积”，驱动曲面为轮毂气流底面。并在表面积对话框中设置“驱动曲面”和“切削方向”等参数；投影矢量设置为“垂直于驱动体”；轴设置为“朝向点”，点特征位置为轮毂气流底面；另外设置切削参数等项，完成开槽的刀路设置。

　　（4）叶片型面铣削时可变轮廓铣对话框设置：驱动方法设置为“表面积”，驱动曲面为叶片曲面；轴设置改为“侧刃驱动体”，选择合适的刀轴方向。其它设置与前面相似。

　　（5）当单个叶片的每一个加工程序完成后，可使用旋转复制功能生成其余叶片的同类加工程序。注意不可在单个叶片所有程序完成后再进行复制，否则加工顺序上违背了粗、中、精加工要分开的要求，造成过大残余应力。