利用UGNX对整体叶轮进行五轴数控加工

　1 叶轮简要介绍

　　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流动状况而设计的，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，而叶片的形状又是机械加工中较难加工的复杂形状曲面构成的，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，自动生成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。整体叶轮的几何形状比较复杂，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大，容易发生干涉碰撞。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，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动，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，得到叶轮回转体的基本形状。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

　　刀具刚性和几何形状是叶轮加工刀具选择的主要因素，在流道尺寸允许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，锥度有利于提高刀具的刚性，但锥度不宜太大，一般3~5度较合适 。为提高加工效率，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，并注意合理选择粗精加工余量、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，对于提高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合理设置进退刀方式，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去除大量材料，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，因此要合理规划刀具路径，提高粗加工效率。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，注意选取方向时应使加工范围尽可能大，尽量去除多的材料。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，容易发生干涉碰撞，因此刀具在流道内要合理摆动，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，在确定矢量方向时注意定义所需要的足够多的矢量，使得摆动变得更加光顺。注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。刀轴插补矢量及产生的刀具路径如图1所示。

　　a 流道半精加工刀轴矢量             b流道半精加工刀具路径

　　图1 流道曲面的半精加工

　　3.3 叶片精加工

　　叶轮的叶片扭曲程度大且高度较高，叶片间流道距离小，是体现加工复杂性的主要部分，因此需合理设置刀轴矢量，避免刀具与已加工叶片及其他叶片发生干涉。根据叶片型面特征，以刀具与曲面接触的方式分类，五坐标数控铣削加工叶片型面可分为“线接触”(侧铣法)和“点接触”两类成型方式 。

　　对于可展直纹面叶轮，可用侧铣法加工，即用圆柱铣刀的侧刃铣削叶片曲面，刀轴控制方法为Swarf。侧铣时一次走刀可将整个叶片加工完，精加工时间大为缩短，加工效率高，加工表面质量好。

　　对于自由曲面叶轮使用点接触铣削，刀具在切削过程中始终保持刀刃与被加工曲面相切于一个点，铣刀按叶片流线方向连续运动，逐行走刀，最终加工出叶片曲面，是一种精确成型的加工方式。

　　图2为采用点接触铣削时生成的刀具路径。选择可变轴轮廓铣(Variable Contour)，驱动方式为“曲面区域”。选择一个叶片面作为驱动几何体，其他相邻叶片和流道面作为检查几何体，刀轴可采用相对于驱动面(Relative to Drive)，为避免刀具与叶片发生干涉，需合理设置前倾角和侧倾角。步进方式采用“残余波峰高度”，残余高度为0.005mm。

　　图2 叶片精加工刀具路径

　　3.4 流道精加工

　　流道精加工与流道半精加工基本相同，驱动方式为“曲面区域”，选择叶片间的流道曲面为驱动几何体，将整个叶轮部件选择为检查几何体，步进方式采用“残余波峰高度”，残余高度为0.005mm。

　　3.5 叶片根部圆角清根

　　对于叶片和轮毂连接处的过渡圆角的加工，选择圆角面为驱动面，流道面、相邻叶片面作为干涉检查几何体，刀轴采用相对于驱动(Relative to Drive)并注意设定合理的倾斜角度。生成的刀具路径如图3所示。也可采用朝向线(Toward Line)方式，有时只用一条控制线，还不能控制加工一个完整曲面，可能要选用几条控制线。

　　图3 叶片根部圆角清根加工刀具路径

　　3.6 后置处理

　　后置处理主要任务是将生成的刀轨文件处理、转换成数控机床操作系统可以接受的数控代码文件。UG/Post Builder是与UG/CAM配合的后置处理功能模块，提供了定义各轴运动关系、数控代码结构、机床空间几何参数等功能。

　　在UG/Post Builder中选择机床的类型为双转台五轴机床(5-Axis with Dual Rotary Tables)，设置两个转动轴为A、C轴，设置MIKRON UCP800 Duro机床各轴的行程参数，确定工件坐标原点与机床坐标原点的关系以设定4th Axis Center to 5th Axis Center的值，并根据Heidenhain iTNC530系统的特点设置数控程序文件头尾的格式等。

　　应用配置的后置处理对所编制的刀具轨迹文件进行后置处理，生成数控代码文件。

　　3.7 仿真验证

　　对于生成的数控代码文件，应通过UG NX的仿真模块或Vericut软件对刀轨进行反复仿真验证，检查干涉、过切等问题并及时修改。确认无误后，还必须在机床上进行试切，调试切削的工艺参数，以便高效加工出合格的叶轮。

　　图4 在Vericut中对刀具路径进行仿真验证

　　4 结论

　　UG NX作为通用软件，能够很好的完成叶轮零件的数控编程。本文利用UG NX软件对整体叶轮进行了加工编程，合理选择加工使用的刀具和机床，并针对流道和叶片的几何特征确定刀轴的控制方式，生成加工轨迹，进行了仿真验证，保证生成的刀具轨迹的正确性。最后通过MIKRON UCP800 Duro五轴联动加工中心实现了叶轮零件的加工，加工过程平稳，加工表面光洁度高，达到了预期的目标。