0 引言

作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，整體式葉輪廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的動(dòng)力性能和機(jī)械效率，數(shù)控加工是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的加工整體三元葉輪的方法。整體葉輪的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：①三元整體葉輪的形狀復(fù)雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面。②整體葉輪相鄰葉片的空間較小，而且在徑向上設(shè)有半徑的減小通道越來(lái)越窄，因此加工葉輪葉片曲面時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉。③刀位規(guī)劃時(shí)的約束條件多，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。目前國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專用軟件，如美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專用軟件等。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多數(shù)采用國(guó)外大型CAD/CAM 軟件，如NX、CATIA、MasterCAM等來(lái)加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的NX對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究。

1 整體葉輪數(shù)控加工工藝

根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求(如圖1)，其基本加工工藝流程為：①在鍛壓鋁材上車削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀；②開粗加工流道部分；③半精加工流道部分；④葉片精加工；⑤對(duì)倒圓部分進(jìn)行清根。

圖1 葉輪零件

1.1 刀具的選擇

為提高加工效率，在進(jìn)行流道開粗和流道半精加工過(guò)程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，但是也要注意使刀具直徑小于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過(guò)程中，應(yīng)在保證不過(guò)切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑大于流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在對(duì)流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí)，選擇的刀具半徑小于流道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

1.2 5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

葉輪加工應(yīng)當(dāng)使用5 坐標(biāo)數(shù)控加工中心完成。5坐標(biāo)是指在3個(gè)平動(dòng)坐標(biāo)軸基礎(chǔ)上增加2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸(A，B 或A，C或B，C)且5個(gè)軸可以聯(lián)動(dòng)。由于具有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，導(dǎo)致5坐標(biāo)機(jī)床可以有很多種運(yùn)動(dòng)軸配置方案，但它們可以歸于如下3大結(jié)構(gòu)類型：

(1)刀具擺動(dòng)型

這種結(jié)構(gòu)類型是指2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都作用于刀具上，由刀具繞2個(gè)互相正交的軸轉(zhuǎn)動(dòng)以使刀具能指向空間任意方向。這類機(jī)床的主要特點(diǎn)是擺動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。一般剛性較差，但其運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)床使用操作(如裝卡工件)較方便。

(2)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型

這種結(jié)構(gòu)類型是指2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都作用于工件上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，它與由刀具擺動(dòng)產(chǎn)生的效果在本質(zhì)上是一樣的。這種結(jié)構(gòu)也是定、動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，只是其動(dòng)軸緊靠工件。這類機(jī)床的主要特點(diǎn)是其旋轉(zhuǎn)/搖動(dòng)工作臺(tái)剛性容易保證、工藝范圍較廣，而且容易實(shí)現(xiàn)。但由于工件要隨工作臺(tái)在空間擺動(dòng)，因此這種結(jié)構(gòu)主要適合于中小規(guī)格的機(jī)床用于加工體積不大的零件。

(3)刀具與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)/擺動(dòng)型

這種結(jié)構(gòu)類型是指刀具與工件各具有一個(gè)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不是定、動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，2個(gè)回轉(zhuǎn)軸在空間的方向都是固定的。對(duì)于其2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的配置情況，這類機(jī)床的特點(diǎn)介于上述兩類機(jī)床之間。對(duì)于5坐標(biāo)機(jī)床，不管是哪種類型，由于它們具有2個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，相對(duì)于靜止的工件來(lái)說(shuō)，其運(yùn)動(dòng)合成可使刀具軸線的方向在一定的空間內(nèi)(受機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)限制)任意運(yùn)動(dòng)，從而具有保持最佳切削狀態(tài)及有效避免刀具干涉的能力。因此，5坐標(biāo)加工又可以獲得比4坐標(biāo)加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜于大型或直母線類零件的高效高質(zhì)量加工以及異型復(fù)雜零件的加工。

2 數(shù)控加工的刀軸控制

多坐標(biāo)加工與3坐標(biāo)加工的本質(zhì)區(qū)別在于：在3坐標(biāo)加工情況下，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中的方向是固定的，它始終平行于Z軸，而在多軸加工中，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中一般是不斷變化的。這就涉及到刀軸控制方式的確定問(wèn)題。若數(shù)控編程不能有效地控制刀具軸的運(yùn)動(dòng)，刀具的位移和擺角運(yùn)動(dòng)之間匹配不好，在一些加工情況下，會(huì)對(duì)加工零件產(chǎn)生意想不到的有害影響。

葉輪用5坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工，由于葉片的扭曲很大，流道比較窄，刀具在葉片上及流道內(nèi)要合理擺動(dòng)，才能防止葉輪過(guò)切，并得到光順的刀紋。從圖1葉輪的三維模型可以看到，加工流道的底面時(shí)，刀具軸必須在兩個(gè)相鄰葉片之間擺動(dòng)，不能與葉片相碰，也就是說(shuō)，葉片是流道加工的邊界條件。NX 中提出了一種刀具軸迭代方式-插補(bǔ)刀具軸(Interpolated Tool Axis)，這種方式可以通過(guò)在指定的點(diǎn)定義矢量方向來(lái)控制刀具軸 。當(dāng)驅(qū)動(dòng)或零件幾何體非常復(fù)雜，又沒(méi)有附加刀具軸控制幾何體(如點(diǎn)、線、矢量、較為光順的驅(qū)動(dòng)幾何體)時(shí)，插補(bǔ)刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化。插補(bǔ)還能調(diào)節(jié)刀軌，避免碰到障礙物?？梢詮尿?qū)動(dòng)幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動(dòng)。刀具軸通過(guò)用戶在驅(qū)動(dòng)幾何體上指定矢量進(jìn)行插補(bǔ)。指定的矢量越多，對(duì)刀具軸的控制越多。加工左右兩個(gè)葉片的時(shí)候，由于葉面是直紋面，刀具軸的控制方式選用直紋面驅(qū)動(dòng)刀具軸(Swarf Drive Tool Axis)，這種驅(qū)動(dòng)方式可以保持刀具軸平行于驅(qū)動(dòng)幾何體。使用這種方法時(shí)，驅(qū)動(dòng)幾何體引導(dǎo)刀具側(cè)刃，零件幾何體引導(dǎo)刀具底部?？梢钥刂戚敵龊芎玫募庸さ盾?，加工出來(lái)的曲面質(zhì)量相當(dāng)高。

3 葉輪數(shù)控加工

傳統(tǒng)的葉輪加工方法是葉片與輪廓采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪廓上。此方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且葉輪的各種性能難以保證。近年來(lái)，多坐標(biāo)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展使得葉輪的整體加工成為可能并日益普及。葉輪整體加工是指輪廓與葉片在同一毛坯上加工成形。其加工過(guò)程大致包括以下幾個(gè)主要工序：①粗加工；②半精加工；③葉片曲面精加工。

曲面零件的加工一般也需經(jīng)過(guò)粗、半精和精加工過(guò)程。粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點(diǎn)是加工效率，要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時(shí)間內(nèi)切除盡可能多的切屑，粗加工對(duì)表面質(zhì)量的要求不高，因此，提高粗加工效率對(duì)曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。曲面粗加工一般可采用2 種方法：偏置法和層切法。

偏置法適合于毛坯形狀與零件形狀相似的情況，如鑄造與鍛造毛坯，否則將產(chǎn)生較多的空行程而影響加工效率。

層切法用一系列假想水平面與零件面和毛坯邊界截交，得到一系列二維切削層。然后用平底刀對(duì)各切削層進(jìn)行分層加工。對(duì)于型腔等邊界受到約束的情況，還需考慮垂直進(jìn)刀問(wèn)題及相鄰切削層的走刀軌跡過(guò)渡問(wèn)題。在此，毛坯是零件的包羅體，采用層切法的型腔銑進(jìn)行粗加工。

本文采用20R6環(huán)形刀，進(jìn)行開槽加工，加工余量設(shè)為1mm，由于該葉輪流道上出口加工深度大于下出口深度，本論文用變深度加工方法加工，建立十層流道近似面，逐層往下偏置加工。每一層以偏置面作為工件幾何體，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)幾何體，以這樣的方法做出來(lái)的加工軌跡線清晰不紊亂。曲面區(qū)域加工方法進(jìn)行加工沒(méi)有直接以零件作為工件幾何體，必須選擇零件作為檢查幾何體，否則即使發(fā)生了過(guò)切現(xiàn)象，系統(tǒng)也不能作出正確的提示。

加工第一偏置層時(shí)需要考慮垂直進(jìn)刀問(wèn)題，做出一條刀軸方向控制線，在非切削參數(shù)設(shè)置界面，選擇工況下拉條中初始化進(jìn)刀，定義好起刀點(diǎn)，逼近運(yùn)動(dòng)設(shè)置成刀軸控制線方向?；胤诺堵纺M進(jìn)刀如圖2所示。

圖2 回放刀路模擬進(jìn)刀圖

偏置法加工葉輪時(shí)，相鄰切削層的走刀軌跡過(guò)渡問(wèn)題必須解決，每一層的進(jìn)退刀要設(shè)置好。如果都按照NX系統(tǒng)默認(rèn)方式加工。刀具會(huì)在加工完一層以后，返回安全平面，然后再到下一層的進(jìn)刀點(diǎn)，影響加工效率。本論文將每一層的退刀點(diǎn)確定在這一層的最后一個(gè)加工點(diǎn)，不使刀具提刀。將下一層的進(jìn)刀點(diǎn)定為上一層的退刀點(diǎn)，以線性方式移動(dòng)到進(jìn)刀點(diǎn)。這樣做的好處是刀具沒(méi)有返回安全平面的動(dòng)作，而且整個(gè)粗加工刀具軌跡可以完全相連，如圖3所示，這樣減少了不必要的退刀動(dòng)作，提高了加工效率。

圖3 軌跡線連接圖

由于是插補(bǔ)刀具軸方式，刀具軸矢量方向要設(shè)定好，第一層的矢量方向如圖4所示，可以做出矢量控制線，修改插補(bǔ)刀具數(shù)據(jù)點(diǎn)，要使得刀具軸的擺動(dòng)變得更加光順，還可以添加數(shù)據(jù)點(diǎn)。在確定矢量方向時(shí)，注意盡量使得刀具軸擺動(dòng)幅度變小。

圖4 第一層刀具軸矢量方向圖

左右兩個(gè)葉片的加工采用直紋面驅(qū)動(dòng)刀具軸，驅(qū)動(dòng)面選擇葉片的表面，零件幾何體選擇葉片表面本身，最后生成的軌跡線如圖5a、b所示。

圖5 粗加工兩個(gè)葉片的刀軌圖

4 機(jī)床模擬加工仿真

NX系統(tǒng)自帶有三種類型的五軸機(jī)床，本論文選用其中的回轉(zhuǎn)/擺 動(dòng)型機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真加工，擺頭旋轉(zhuǎn)軸是B軸，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸是C軸。通過(guò)機(jī)床導(dǎo)航器調(diào)入機(jī)床組件和刀具組件，葉輪零件安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上面即可進(jìn)行加工仿真。粗加工第一層加工仿真效果如圖6所示。

圖6 機(jī)床加工仿真圖

5 結(jié)論

本文利用NX軟件對(duì)整體葉輪進(jìn)行了加工仿真，合理選擇了加工使用的刀具和機(jī)床，并針對(duì)流道和葉片的幾何特征確定了刀軸的控制方式。在NX/CAM模塊通過(guò)選擇了適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了流道和葉片的加工仿真，生成的加工軌跡。最后利用NX的機(jī)床模擬仿真功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以保證生成刀具軌跡的正確性。