hyper MILL在汽轮机闭式叶轮加工中的应用

　　轮盖，轮毂和叶片整体成型的叶轮即为闭式叶轮(如图1)，这样的叶轮，由于其形成了完全封闭的流道，所以其效率高且长期运行情况稳定。目前闭式叶轮在中国的发展已势在必行。

　　闭式叶轮几何结构和加工工艺过程极其复杂，既要保证几何形状的要求还要保证叶片的表面质量，相邻的叶片之间，叶片与轮盖，轮毂之间空间较小，切削环境恶劣，刀轴矢量约束多(如图2)，利用通常的五轴刀路控制方式非常复杂且对编程人员要求极高，控制不好极易产生干涉。

　　因此，一种能降低对编程人员要求并拥有强大准确后处理的CAM解决方案成为了闭式叶轮应用在我国推广亟待解决的问题。

　　一、hyperMILL闭式叶轮解决方案的特点

　　hyperMILL五轴闭式叶轮策略是在hyperMILL开式叶轮专业模组的基础上加载闭式叶轮应用特征，此特征中包括对闭式叶轮各种铣削策略的控制，具体例如生成插铣式的刀路及内部刀路圆角化等功能，以及闭式叶轮加工的一个关键参数“停止曲面”，其使系统清楚刀具分别从叶轮通道的进水口和出水口进刀时各自的加工区域(如图3)。

　　参数设定完成后，将其与对应的开式叶轮特征共同加载入相应的工法(如闭式叶轮通道精加工，清根等)中进行运算，即可完成对闭式叶轮的加工(如图4)。

　　具体工法参数的设定，由于加载了相应的应用特征而变得比开式叶轮模组更为简单，只需设定几个简单的参数即可。而闭式叶轮狭小通道内刀路矢量的控制则是依靠hyper MILL基于干涉检查的刀具自动避让，利用计算机来帮助用户解决刀轴控制的难题，从而生成安全优化的刀具路径(如图5)。

　　在后处理方面，hyper MILL拥有完善成熟的后处理器，处理出的NC程序支持子程序的方式，这让NC程序变得简洁明了，可读性强，并在需要时可以很方便地进行修改(如图6)。同时hyperMILL在业内率先支持了控制器本身的3D补偿功能，这大大降低了用户的编程工作量，并可以达到较高的加工公差(如图7)。

　　二、某汽轮机闭式叶轮加工的案例

　　1. 闭式叶轮开粗

　　通道开粗的效率是影响叶轮整体加工效率的决定性因素，用五轴钻孔和多轴定位开粗相结合共同完成通道的开粗是很好的策略。

　　五轴钻孔先去除通道大部分的材料，同时也为后续的加工准备了引刀空间。hyper MILL的五轴钻孔功能可以实现基于干涉检查的五轴联动工位变换，从而避免了每次加工后的抬刀动作，进一步提升了加工效率(如图8，图中兰色短线条代表刀路相应位置处刀轴的矢量方向，从中可以看出hyper MILL基于干涉检查的五轴联动变换工位的效果)。

　　而hyperMILL的任意毛坯粗加工功能是基于毛坯跟踪进行运算的，保证没有多余的刀具路径，产生结果毛坯功能可以轻松实现各个工位之间的衔接(如图9，上下两个工单是两次开粗的界面，可以看到，在进行二次开粗时，只要将参考毛坯栏调整为上步工单的结果毛坯即可)，同时策略本身所集成的各种优化处理可让生成的刀路更加高效(如图10)。

　　实践证明，这样的开粗策略方案不仅效率高，而且也最大限度地改善了切削环境，是最适宜闭式叶轮通道开粗的方法。

　　2. 闭式叶轮通道精加工

　　运用hyperMILL闭式叶轮专业解决方案进行精加工的步骤如下。

　　(1)定义对应的开式叶轮特征(按图示要求选取相应的图形要素)及闭式叶轮应用特征(设定相应的铣削刀路生成策略及内部刀路处理参数并选择适宜的停止曲面，以确定进水口及出水口各自的加工区域)，如图11所示。

　　(2)将上一步定义的两个特征加载进叶轮模组的相应工法中，并设定好坐标系及切削参数等(如图4和图12所示)。

　　(3)对工单进行运算即可得到需要的刀具路径(如图13)。

　　(4)利用hyper MILL独有的再加工策略，设置好基本切削角度及发生干涉时系统自动的角度调整范围，对上一步的刀具路径执行刀具自动避让运算，得到最后所需的刀具路径(如图14，图中兰色线条代表刀轴矢量方向)

　　3. 闭式叶轮通道清根

　　hyperMILL闭式叶轮解决方案中，闭式叶轮的清根也同样非常简单，只需在相应的工法中定性地设定好对应的中心曲线及参考曲线即可(所谓定性设定即不要求精确，只要指出趋势即可，例如中心曲线不一定非要位于通道横截面的正中心，也不必精确地映射其弯曲轮廓，而只要指出总体趋势即可，如图15)。然后hyperMILL的五轴自动避让功能会对刀路进行自动的避让以生成所需要的刀具路径(如图16，图中兰色线条代表刀轴矢量方向)。

　　4.三维实体切削仿真(整体切削系统的仿真)

　　hyperMILL在上面具体工单的计算过程中所进行的干涉检查，可以保证整个刀具系统的所有组成部分(包括机床主轴端面、刀柄、加长杆、加强杆及刀杆)与零件不发生任何干涉(如图17，这是hyperMILL刀具干涉检查界面，在该界面中，用户可以对hyper MILL定义刀具的各个组成部分(如主轴端面、刀柄、加长杆、加强杆及刀杆)进行干涉检查，自动避让安全距离的设定)，但在实际机床加工中我们知道，整个切削系统除了零件与刀具系统潜在的干涉外，整个切削系统的其余部分也可能发生干涉(如机床主轴与工作台间等)。

　　所以在完成上述步骤后，最后还需进入hyperMILL实体切削仿真模块——hyper VIEW中进行整个切削系统的干涉检查，从而保证加工的绝对安全(如图18，红框中的选项是在仿真中对整个切削系统各个组成部分进行干涉检查的选项，勾选则表示在仿真中将对所选项目是否发生干涉进行检查)，如仿真后无相关干涉报警产生，则可以保证整个加工过程是绝对安全的，这样所编的NC程序就可以直接上设备进行加工了。

　　三、结束语

　　图19和图20所示即为加工当中和加工完成后的样品。

　　在这里值得特别指出的是，hyperMILL闭式叶轮专业解决方案不仅使具体工法的设定变得非常简单，而且在最关键的通道精加工及清根刀轴的控制上，通过引入hyper MILL的五轴刀具自动避让技术，让本来极其复杂的通道内刀轴控制变得异常简单。进一步经过hyper VIEW的整体切削系统仿真，在保证了昂贵设备的绝对安全后，设备即可进行加工，通过hyper MILL的专业解决方案大大降低了闭式叶轮对编程人员的技能及经验的要求，也就大大提升了编程的效率，从而进一步保证了整个 企业的生产节奏及对市场的快速响应。