0.前言

　　叶轮是一种加工要求非常特殊的零件， 它是由全 3D 自由曲面构成的几何体，并且曲率变化扭曲非常大，无法使用普通三轴数控机床加工，在这样的前提条件下，由于加工后的曲面质量的精度要求特别高，必需采用高精度五轴数控机床加工。 此外叶轮在实际使用中，叶轮的表面纹理与材料的金属条纹直接影响其使用的寿命与效率、 质量，这些因素可以通过先进的 CAM 软件编写特殊的高效优化的程序，以达到我们所预期的理想效果。 一般常用软件 HYPERMILL、Cimatron、Unigraphics、PowerMill 等均具备了叶轮加工能力。本文通过使用Cimatron 软件，论述用于深井漩涡压力机中的零件———叶轮的工艺编排以及智能 NC 程序编写。

1.深井漩涡压力机叶轮工艺分析

　　该叶轮加工难度分析如下：

　　1.1 此叶轮直径为 260mm，叶片的最高长度为 160mm，两叶片之间最短距离为 15mm 如图所 1 所示。

数控加工

　　1.2 由于叶片高，整体叶轮需要开粗毛坯料比较多，且最大只能使用为 Ф15mm 直径的刀具开粗， 所以我们必需选择分层使用不同长度的刀具进行开粗以提高整体的加工效率;

　　1.3 此叶轮曲面为自由曲面、 流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。 有时为了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难;

　　1.4 由于叶轮强度的需要， 轮毂与叶片之间还应当加工出底部加强圆角。 由于槽道窄，叶片高，圆角的加工也是个难点。

2.叶轮加工工艺编排

　　2.1 确定毛坯类型。 为了提高我们加工效率，我们把坯料通过车削加工成为该叶轮最大外形回转体形状。

　　2.2 粗加工。 在两叶片之间的毛坯料位置是我们需要粗加工的。 此处位置叶片扭曲较大，为了保证加工时叶片的偏摆精度，选择五轴联动粗加工的策略。 对于刀具的选择，我们选择 D15R2 的牛鼻刀，采用尽量大的刀具进行粗加工，提高效率。 由于 D15R2 的刀具不符合热膨胀带锥度卡头的装夹规格， 故我们准备两把不同长度的 D15R2 的刀具进行粗加工。 由于粗加工时选用牛鼻刀且粗加工完毕后，需要进行半精加工以及精加工。为此，粗加工时轮毂底部预留 0.3mm 余量，叶片壁面预留 0.5mm 余量。

　　2.3 半精加工与精加工。 由于叶轮都是规则性的零件，所以半精加工与精加工可能只是在于刀具大小的选择与切削量、转速、进给的差异。

　　2.4 叶片根部圆角清根。 对于叶轮的叶片圆角根部清根加工，一直是叶轮加工中的最大重点之一，此部位加工质量的好坏直接影响叶轮的强度与使用质量。 加工策略可采用根部随形清角工艺方案处理该处圆角。 刀具夹头采用热膨胀带锥度夹头。

3. Cimatron叶轮数控加工程序编写设计

　　3.1 根据以上工艺的分析与加工思路的整理，在 Cimatron 软件 NC环境下建立所需要用到的刀具卡头与刀具库。

　　3.2 建立五轴的 ToolPath，并确定编程坐标系。 选择叶轮作为加工的 part，定义车削完毕的叶轮最大外形回转体作为加工毛坯。

　　3.3 叶轮两叶片之间的粗加工程序编写。 由于叶轮的外形复杂，决定了这个叶轮不能用五轴 3+2 定位加工。 故我们采用五轴联动粗加工。 在 Cimatron 软件中，采用 Areospeace 的五轴航空铣功能可以快速实现程序的编制。

　　3.3.1 进入五轴航空铣，选择 D15R2L60 的刀具 ，在 Patten 中选择Parallel to surface 策略。 选择轮毂面作为参考曲面，两边也片面作为驱动曲面。 设定驱动曲面余量 0.5mm，并控制所加工的深度为 45mm。

　　3.3.2 在 Sorting 设定走刀方式为顺铣单向走刀。

　　3.3.3 在叶轮编程中， 刀轴的控制是非常重要的。 在这个叶轮里面， 我们在 Tool Axis control (刀轴控制) 选择为 Be tilted relative to cutting direction，Lead angle to cutting direction (前倾角 )为-10 度 ，Tiltangle at side of the cutting direction(侧倾角)为 90 度，在刀具加工中选择 smooth 光顺所加工的轨迹。

　　3.3.4 在处理叶轮加工时所产生的碰撞干涉中，Cimatron 有很好的解决方法。 在 Gouge Check 中，选择刀具与两边叶片之间的干涉，自动处理为刀具一旦与叶片在 0.5mm 以内发生干涉， 在±180 度以内自动偏摆倾斜刀轴避开干涉。

　　3.3.5 在 Link 里面合理地设定进退刀方式， 该零件需要设定垂直圆弧进刀。

　　3.3.6 参数设定完毕，计算刀路程序。 粗加工程序分别由D15R2_L60mm，D15R2_L125mm 的刀具分两部分完成。

　　3.4 叶片半精加工与精加工。叶轮上叶片的曲面为 3D 自由曲面且有后仰倒扣，在加工中有相当难度，编写的导轨路径需要达到五轴等高随形螺旋的效果才能更好控制叶片的加工表面质量。 具体步骤如下：

　　3.4.1 进入五轴航空铣 ， 选择 D16R8 的刀具 ， 在 Patten 中选择Morph between 2 curves 策略。 选择叶片面作为驱动曲面，叶片上端部分边界为第一驱动曲线，叶片下端部分边界为第二驱动曲线，设定刀路轨迹延伸 10mm，设定驱动曲面余量为 0.2mm。

　　3.4.2 在 Sorting 设定走刀方式为顺铣螺旋走刀，步距为 1mm。

　　3.4.3 叶片加工时，我们在 Tool Axis control(刀轴控制)选择为 Betilted relative to cutting direction， 设 定 有 利 的 Lead angle to cutting direction (前倾角) 为-3 度与 Tilt angle at side of the cutting direction(侧倾角)为 89.2 度，在刀具加工中选择 By two vectors 光顺刀具运行的轨迹。

　　3.4.4 在处理叶片加工时所产生的碰撞干涉中 ， 同样在 GougeCheck 中，选择刀具与叶片曲面之间的干涉 ，自动处理为刀具一旦与叶片发生干涉，在±90 度以内自动偏摆倾斜刀轴避开干涉;另选择轮毂面作为刀具轴向残余毛坯干涉的保护面，设定干涉余量为 0.2mm。

　3.4.5 在 Link 里面合理地设定水平圆弧相切进退刀方式。

　　3.4.6 参数设定完毕，计算刀路程式。

　　3.5 轮毂曲面半精加工与精加工。 轮毂曲面半精加工时，注意前面粗加工预留轮毂面 5mm 的余量，需要分层加工。 半精加工后轮毂面预留 0.2mm 余量作为后续的精加工。

　　3.5.1 半精加工程序与 D15R2_L125mm 刀具粗加工策略是相同的。 此时只是需要改变刀具的类别，重新选择 D12R6mm 的刀具;按工艺分析中参数设定切削量，余量与转速，进给等参数。

　　3.5.2 为了更加优化刀路轨迹， 在 Sorting 设定走刀方式为顺铣单向，从轮毂加工范围间下刀，向两边偏置走刀方式，以提高轮毂面的质量。

　　3.5.3 刀轴控制 。 我们在 Tool Axis control ( 刀轴控制 ) 选择为Tilted through curve，选择两叶片空间平分曲线作为刀轴控制线 ，刀具将沿 3D 空间曲线移动加工，大大降低刀轴的摆动幅度。

　　3.6 叶轮清根程序编写。

　　3.6.1 进入五轴航空铣 ， 选择 D10R5 的刀具 ， 在 Patten 中选择Morph between 2 curves 策略。 选择圆角面作为驱动曲面，圆角上端部分边界为第一驱动曲线，圆角下端部分边界为第二驱动曲线，设定刀路轨迹延伸 10mm，设定驱动曲面余量为 0，其他加工参数按照工艺分析的参数一一对应设定。

　　3.6.2 刀轴控制由程式根据曲面的曲率自动计算一个合理的偏摆角度。#p#分页标题#e#

　　3.6.3 在干涉检查中的设定最关重要。 为了让刀具在清角加工过程中，与旁边的叶片不发生干涉，故我们需要把所有的叶片曲面选择做为干涉检查面，当刀具与曲面发生干涉，刀具将自动前倾/侧倾自动偏摆倾斜刀轴避开干涉区域。 同时，选择圆角面与轮毂面作为刀具轴向干涉的保护面，设定干涉余量为 0.005mm。

4.在五轴机床加工

　　通过 Cimatron 的五轴后处理器输出加工 NC 代码。 只需要局部一个叶轮六分之一的程序即可，代码传输到机床以后，在机床控制系统通过程序的旋转阵列加工即可。

5.结束语

　　在 Cimatron 软件中，结合实际工艺的分析可以高效，安全，智能地把复杂的异型叶轮在实际生产中得心应手地编写程序，输出安全的 G—CODE。 该程序已经在MIKRON UCP710 五轴加工中心上试切成功，在几何精度，尺寸精度，表面光洁度等各方面均达到客户所要求的范围内如图 2 所示。