1 引言
葉輪類零件在軍工、冶金、石化、礦山等許多行業中廣泛應用，如風機、發動機葉輪、壓縮機及水泵葉輪等。葉輪型面的設計以流體力學和空氣動力學等理論為依據，構成符合上述理論的流動性曲面。葉輪曲面的精度難以通過一般的加工方法和手段達到，因此，加工精度和表面質量對葉輪性能參數有很大影響。普通葉輪多采用鑄造成型后機械加工成型或葉片單獨加工后將葉片與輪轂焊接的方法，如圖1 所示。由于葉輪工作面形狀復雜，難以保證鑄造精度，而后續的加工工藝過程復雜。如精度要求高的葉輪，從圖紙到成品，一般都要經過多個工序。在光整加工方面，則是按照光學屏幕上放大了的截面圖曲線經過普通砂帶磨后由人工直接拋光到位，多個截面之間的平滑過渡不易保證，廢品率高，拋光工人的勞動強度很大。拋光工人所做工作性質單一，技術含量不高。使葉輪曲面精度難以保證，表面質量差，難以達到設計要求。
近十多年的數控技術迅速發展和數控機床的廣泛使用使我國的制造技術得到很大提高。特別是五坐標軸以上的數控機床逐漸裝備到企業中，使得整體加工葉輪類零件成為可能。五坐標機床功能強大、加工效率高、質量好。五坐標數控加工中心在加工復雜曲面方面有獨到之處，是數控加工領域研究熱點。總之，由于整體葉輪結構的復雜性，其數控加工技術一直是制造業的難點。整體葉輪如圖2。
整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件然后車削成為葉輪回轉體的基本形狀，在五軸數控加工中心上使輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成, 滿足壓氣機葉輪產品強度要求，曲面誤差小，動平衡時去質量較少，因此是較理想的加工方法。
2 五軸數控加工中心
五軸加工中心具有X、Y、Z 三個移動坐標軸和兩個轉動坐標軸。最大的優勢在于五個軸可以聯動。對于安裝于夾具上的工件來說，合成運動可使刀具在五軸的空間內任意控制，保證了切削曲面可加工到位，并避免了刀具對工件的誤切削。比三、四軸加工中心具有更廣的工藝范圍和加工精度更高、質量更好。五軸加工中心特別適宜于具有大型復雜曲面零件的加工。
3 葉輪加工特點及工藝方案分析
3.1 葉輪加工特點分析
（1）葉輪上有很多葉片，葉片數按輪轂直徑大小不同而不同，葉片有長有短，葉片為空間曲面、扭曲程度高，并且有后仰的趨勢，加工時刀具的相對擺動極易對相鄰葉片產生切削干涉，因此刀具切削方向的選擇尤其重要。另外，曲面需要分段加工，應注意保證加工表面的一致性；（2）葉片之間的流道相對較窄，加工空間較小，難以采用強度和剛性較好的大直徑刀具；（3） 葉片進氣與出氣邊緣圓角曲率半徑變化大，使刀具和夾具角度變化大；（4）為滿足強度的需要，葉輪輪轂與葉片之間的過渡采用了變圓角方式，應十分注意刀具的選擇；（5）葉片屬于結構復雜的薄壁件、工藝剛性差，在工藝安排上需要考慮多工步反復加工葉片型面的措施，以防加工殘余應力所帶來的形變。（6）整體葉輪的材料一般有鋁合金、不銹鋼、鈦合金等，因此在工藝安排上應盡量考慮因材料不同所帶來的問題。
3.2 葉輪加工工藝方案分析
整體葉輪的數控加工工藝過程主要有6 大步驟：（1）鍛造毛坯；（2）數控車削粗加工出回轉體形狀；（3）五軸數控機床銑削加工葉片型面；（4）輪轂表面數控車削精加工；（5）葉片型面的光整加工（砂帶磨削、手工拋光）；（6）其間穿插多次熱處理和檢驗工序。
其中，五軸數控機床銑削加工葉片型面工序由以下工步組成：（1）氣道開槽粗加工；（2）氣道擴槽粗加工；（3）葉片型面粗加工；（4）氣流通道擴槽銑削半精加工；（5）葉片曲面的銑削半精加工；（6） 氣流通道擴槽銑削精加工；（7）葉片曲面的銑削精加工；（8）葉片及輪轂之間的清根銑削。
3.3 五軸銑削加工的幾個關鍵工序分析
（1）開槽加工及切削方向的確定
葉輪的毛坯為回轉體形狀，葉片間的氣道經粗加工開通，形成通道，為加工葉片做好準備。開槽加工中槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，多分為上下兩個部分加工，應注意兩部份刀路銜接問題。刀路平行于氣流通道，并保證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量。一般采用圓柱形玉米銑刀或圓柱形立銑刀銑削加工，由于氣道寬度不等，所以在刀具直徑方面應在下部寬闊處采用大直徑刀具、上部狹窄處采用小直徑刀具的方法，如圖3 所示。
（2）葉輪氣道的擴槽粗加工及葉型粗加工
采用球頭銑刀，擴槽及輪轂底面粗加工在一次加工中完成，且葉型的粗加工一并完成，可以提高工作效率。走刀方式與開槽加工方式相同。從開槽位置開始，從中心向外緣往兩邊葉片擴槽，擴槽加工要保證葉型為后續半精和精加工留有足夠余量。考慮到生產效率，粗加工時走刀行寬應取大些.
（3）葉片曲面的半精、精加工
葉片曲面的半精、精加工采用球頭銑刀。均采用側刃切削方式，其中，半精加工采用如圖4 所示的環切方式，精加工采用圖5所示的切入切出方式，以提高表面質量。應注意每次加工的背吃刀量不宜過大，可采用2 到3 次以上的分層銑削加工。考慮到被加工表面的加工質量，走刀行寬應取小些。
（4）葉片及輪轂之間的圓角清根采用多種球頭銑刀，應注意刀具直徑與圓角的匹配。
4 基于UGNX6.0 的葉輪造型與加工編程
采用數控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM 系統結構如圖6 所示。
五軸數控加工中心加工葉輪的數控編程方法如下。
（1）打開UG NX6.0，進入建模方式，根據葉片各截面型值點生成曲線，再由多條曲線光滑連接生成葉片曲面。對葉輪進行建模。
（2）進入加工方式界面，按創建程序-創建刀具-創建幾何體（幾何視圖導航器）之編程點和毛坯-創建操作，進入可變輪廓銑加工（mill_multi_axis）方式。
（3）開槽時可變輪廓銑對話框設置：部件幾何體設置為“幾何體”；過濾方法設置為“面”，確定了幾何體以面為加工基準；驅動方法設置為“表面積”，驅動曲面為輪轂氣流底面。并在表面積對話框中設置“驅動曲面”和“切削方向”等參數；投影矢量設置為“垂直于驅動體”；軸設置為 “朝向點”，點特征位置為輪轂氣流底面；另外設置切削參數等項，完成開槽的刀路設置。
（4）葉片型面銑削時可變輪廓銑對話框設置：驅動方法設置為“表面積”，驅動曲面為葉片曲面；軸設置改為“側刃驅動體”，選擇合適的刀軸方向。其它設置與前面相似。（5）當單個葉片的每一個加工程序完成后，可使用旋轉復制功能生成其余葉片的同類加工程序。注意不可在單個葉片所有程序完成后再進行復制，否則加工順序上違背了粗、中、精加工要分開的要求，造成過大殘余應力。
5 葉輪數控編程實例
圖2 所示的小型汽輪機葉輪產品，直徑準300mm，高60mm，材料為鋁合金。葉槽通道最小尺寸為30mm，葉片及輪轂之間的圓角為R3，在選擇刀具時應特別注意。圖7 為葉輪毛坯。毛坯由定位軸定位，上面螺母壓緊。定位軸安裝于機床工作臺上。
加工機床采用了立式五軸聯動高速加工中心，數控機床主要參數X 軸行程900mm，Y 軸行程600mm，Z軸行程550mm。C 軸旋轉范圍0°～360°，B 軸擺動范圍-90°～90°，40 把刀位刀庫，數控系統為SIEMENS 840D。表1、表2、表3 分別為葉輪氣流通道粗、半精、精加工參數表，表4 為葉片與輪轂間的圓角清根加工參數。
圖8 為氣道開槽刀路仿真。圖9 為葉片型面粗加工刀路仿真。圖10 為葉片及輪轂圓角清根刀路仿真。圖11為葉輪3D 仿真結果。
6 結語
本文對整體葉輪的加工工藝和編程方法進行了研究。一般的加工方法和三、四軸數控機床在加工葉輪曲面時，加工精度達不到要求。通過五軸數控機床和UG 軟件的配合，可以實現整體葉輪的銑削加工，在很大程度上提高了加工質量和生產效率，在五軸數控加工方法實施方面做出了有益的探索。
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