葉輪是渦輪（lún）式發動機、汽車增壓器等動力機械的核心部件, 其加工技術一直是（shì）研究的焦點。整體葉（yè）輪的（de）結構複雜, 規劃加工軌跡時約束條件多, 加工時易產生碰撞（zhuàng）幹（gàn）涉, 采用傳統的鑄造成型後修光法、石蠟精密鑄造法等較難保證葉片、流（liú）道以及葉片與輪轂（gū）倒角處的加工質量[ 1] 。五軸數控加工因具備（bèi）有效避免（miǎn）幹涉、可（kě）側銑直紋（wén）麵、切削狀態良好等優（yōu）點, 從而成為提高整體葉輪加工效率和質量的首選。

      目前, 許多加工整體葉輪的企業多采用一些功能強大（dà）、界麵良好、適用麵（miàn）廣的通用型CAD/ CAM軟件, 如U G NX、CAT IA、Pro/ Eng ineer 等（děng）。本（běn）文基於整體葉輪的幾何特征（zhēng）, 利用大型通用CAD/CAM 軟件UG NX3. 0 對其進行加工軌跡規劃。

      1 整體（tǐ）葉輪五軸數控加工（gōng）工藝（yì）分析

      根據複雜型麵零件的多（duō）軸（zhóu）數控加工特點, 整體葉輪的五軸數控加工一般遵循如下的基本技術路線( 如圖1 所示（shì）) 。

      1. 1 葉輪幾何模型特征分析

      分析整體葉輪的葉（yè）片、流道（dào）等幾何特征, 確（què）定葉片曲麵、流道麵和清根的特征參數, 判斷葉片曲麵的類型, 圖2 即為葉輪的（de）基（jī）本幾何特征。整體葉輪的關鍵體素是葉片, 葉片曲麵可以分為直紋曲麵和自由曲麵( 非直（zhí）紋曲麵) , 其（qí）中直（zhí）紋麵又（yòu）可分（fèn）為可展直紋麵和非可展直紋麵。此外, 為合理選擇刀具並規劃加工軌跡（jì）, 也要確定流道的進水口寬度、出（chū）水口寬度等參數值。

      1. 2 整體葉輪加（jiā）工工藝方案

      根據葉輪的幾何結構特征和（hé）使用要求, 確定基本的加工工藝流（liú）程為[ 2] : ( 1) 在鍛鋁材料上車削加工回轉體的基本形狀; ( 2) 開粗加工流（liú）道部分; ( 3)精（jīng）加工流道（dào）部分; ( 4) 葉片精加工; ( 5) 清根。本文主要對（duì）流道開（kāi）粗、精加工和葉片精加工加工軌跡規劃進行研究。根據整體葉輪的幾何模型特征, 可以基本確定加工所（suǒ）使用機床型號、刀具參數、夾具和裝夾方（fāng）式等。整體葉輪為葉（yè）片分布均勻的（de）回轉體類（lèi）零（líng）件, 建（jiàn）議選擇（zé）其底麵圓心為工件原點, 以此簡化工件的找正和後處理的過程。

      加工整體葉輪可使（shǐ）用由3 個平動軸和2 個轉動（dòng）軸構成的標準多坐標機（jī）床（chuáng）, 例如刀具雙擺動、工作台雙回轉和刀具與工作台分別回轉（zhuǎn）等類型。本文所使用的五軸加工中心（xīn）VMC - 1100 為工作台雙回轉結構, 即由3 個平動（dòng）軸和A, C 2 個轉動軸構（gòu）成,如圖（tú）3 所示。

      為提高加工效（xiào）率, 在不發生碰撞幹涉的同時（shí）盡可能（néng）選用大直徑銑刀, 並優先選擇多刃銑（xǐ）刀。在進行流（liú）道粗（cū）加工時優（yōu）先選用平底銑刀, 流道、葉片的精加工盡可能選用球頭銑（xǐ）刀（dāo）。對（duì）於流道較窄的葉輪, 在加工窄流道處時, 可（kě）以適當選擇錐度球頭銑刀。

      2 麵向（xiàng）特征規劃葉輪加工（gōng）軌跡

      U G NX3. 0 提供了大量多坐標（biāo）數控加工編程方法, 一般選用Surface Area( 曲麵區域) 驅動方式來規劃（huá）葉輪加工軌跡。Surface Area 提供了大量刀軸控製方式, 其中Relative to Drive( 相對（duì）於驅動幾何)、I nterpolate( 插補) 和Sw arf ( 直紋麵) 等方式比較適合規劃整（zhěng）體葉輪的加工軌跡。

      整體葉輪的幾何形狀比較複雜, 流（liú）道狹窄、葉片薄且（qiě）彎曲程度（dù）大, 極易發生碰撞幹涉, 因此其加工軌跡規劃的主要難點體現（xiàn）於流道開粗、精加工和葉片型麵加工。此外, 應特別注意在所選定（dìng）機（jī）床的行程內規劃加工軌跡, 盡（jìn）量避免刀軸方向發生突變。

      在以往整體葉輪數控加（jiā）工的許多文獻中[ 1, 3] ,規劃加工（gōng）軌跡的過程（chéng）主要（yào）考慮到（dào）滿足其幾何準確性和誤差等級等方麵, 很少（shǎo）能夠考慮到整體葉輪在使用（yòng）中的受力情況, 即沒有充分考慮其在（zài）使用中的磨損及失效情況。根據對葉片使用（yòng）要求的分（fèn）析（xī）, 在規劃整體葉輪數控加工軌（guǐ）跡的過程中除了（le）要滿足幾何準確性和加工誤差外, 還要按照葉輪片的（de）受力方向（xiàng）規（guī）劃加工軌跡, 這樣可以增加葉輪片的強度（dù）和剛（gāng）度, 改（gǎi）善（shàn）使用（yòng）性能, 如圖4 所示。

      2. 1 流（liú）道特征開粗加工軌跡規劃

      流道開（kāi）粗（cū）加工過（guò）程去除主要加工餘量, 直接影響著精加工的效率和質（zhì）量, 提（tí）高開粗加工的（de）效率和質量對（duì）整個葉輪的加工具有重要意義。葉輪（lún）流道部分的加工（gōng）餘量並不隨（suí）著葉輪型線均勻（yún）分布, 切削過程中切削深度不斷變化, 刀具受力變化較為劇烈, 大大縮短了刀（dāo）具壽命, 降低了加工質量, 這需要合理規（guī）劃加工軌跡。

      流道開粗加工通常需分（fèn）成若幹（gàn）層漸進開粗。根據葉片型麵的V 向分割流道區域, 可使粗加（jiā）工的各層厚度比較均勻, 加工過程穩定。在進水邊（biān）和出水邊之間設定若幹輔助麵作（zuò）為驅動麵, 選擇（zé）兩側（cè）的葉片為幹涉檢查麵, 如圖5 所示。流（liú）道開粗加工常用的刀軸（zhóu）控製方式（shì）為Interpolate、Relative toDrive 等。

      此外（wài）, 也可沿葉輪中心線（xiàn）方（fāng）向和垂直於中心線的方向進行開粗, 可選用的驅動方法為CAVITYMILL( 型腔銑) 等, 圖（tú）6 即為沿（yán）垂直中心線方向開粗。

      2. 2 流道（dào）特征（zhēng）精加工軌跡規（guī）劃

      整體葉輪的流道部分（fèn）沿葉（yè）片型線由（yóu）窄變寬, 且最窄處恰（qià）好是葉片彎曲程度最大（dà）處, 因此此處最容易（yì）發生幹涉碰撞。Interpolate 刀軸控製方式適（shì）用於規劃（huá）葉片等各葉（yè）片間有重疊區域形體的加工軌跡, 因此特（tè）別適合規劃流道精加工軌（guǐ）跡。此外, 其他常用（yòng）的還有Relat ive to Drive、Relat ive to Vector等。

      為了獲得較高的流道精加工（gōng）質量和效率, 需要合理設置加工參數和進退刀參數, 圖（tú）7 為使用Interpolate刀軸控製方式、殘餘高度為0. 015mm 時得到的仿真加工結果。

      2. 3 葉片特征精加工軌跡規（guī）劃

      一般說來, 葉輪的葉（yè）片（piàn）曲（qǔ）麵扭曲（qǔ）程度（dù）較大, 是（shì）體（tǐ）現加工複雜性的（de）主要（yào）部分。根據整體葉輪型麵的曲麵形狀的不（bú）同, 在多軸數控機床上加（jiā）工整體葉輪主要可采用（yòng）2 種方法[ 1]: 第一種是點銑法, 即用球（qiú）頭銑刀按葉片的流線方向逐行走刀( 加（jiā）工一個葉片一般需50~ 200 次走刀) , 逐漸加工出葉片葉型（xíng）曲麵, 此方法主要用於自由曲麵。第二種是側銑法, 即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側刃銑削（xuē）葉片曲麵, 主要用（yòng）於可展直紋麵和直母（mǔ）線型葉（yè）輪的加工（gōng）上。

      規（guī）劃葉片加工軌跡時一般使用的刀軸控製方式為Relat ive to Drive 和Sw arf 等, 其中Relat ive toDrive 適用於點銑（xǐ）法, Swarf 可有效進行側銑加（jiā）工。圖（tú）8 為選擇出（chū）水（shuǐ）麵為驅動麵（miàn）, 使用Sw arf 方（fāng）式側銑加工時的仿真結果。

      2. 4 幹涉檢查幾何的選擇

      整體葉輪的幾何型麵複雜性決定了（le）規（guī）劃加工軌（guǐ）跡的碰撞幹涉檢查難（nán）度較高, 為（wéi）避免幹涉碰撞和過切, 必須選擇足夠的幹涉檢查麵。一般有3 種碰撞（zhuàng）幹涉類型[ 3] : ( 1) 刀（dāo）具與相鄰葉片之間的幹涉; ( 2) 刀具與自身葉片之間（jiān）的幹涉; ( 3) 刀具與被加工區域相鄰區域之間的幹涉。

      3 加工實例

      本文通過分析整體葉輪的加工工（gōng）藝, 合理選擇刀具, 設置加工參數, 基於特征利用U G NX3. 0 規劃了（le）流道粗、精加工軌跡和葉片的側銑精加工軌跡。為保證加工軌跡（jì）的正確性（xìng）, 使用U G NX3. 0的仿真功能（néng）和專業數控加（jiā）工仿真軟件（jiàn）VERICUT對加工軌跡以及生成（chéng）的NC 代碼進（jìn）行了仿真（zhēn）驗證。最後（hòu）在配有HNC- 22M 世紀星銑削數控係統的國產VMC- 1100 五軸數控加工中心加工了一個8葉片整體葉（yè）輪( 如圖9 所示) , 尺寸D @ H 為160mm@ 70mm。加工得到的整體葉輪無過切現象, 加工過程平穩、刀具受力（lì）較為均勻（yún）。其中葉片通過側銑一次成形, 光潔度較高; 流道殘（cán）餘（yú）高度01015mm, 其（qí）最狹窄處（chù）材料去除良好, 符合工藝要求。