杨伟明

【摘 要】文章介绍了整体叶轮的用途和在各个领域发挥的重要作用，配备多轴数控机床的实际加工和NX12.0叶轮模块的刀具路径设置，系统地剖析了NX12.0叶轮模块的各种用法，并结合具体案例，详细分析了加工策略和加工工艺，相对于非叶轮模块的刀具路径设置，大大提高了程序设置的效率，降低了刀具路径设置的难度，在加工策略方面做了对比和研究。

【关键词】整体叶轮;多轴加工;高效;精密

【中图分类号】TG661 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）07-0108-02

当下，制造业的各类产品结构日益复杂，其加工难度也随之增大，但总体分析这些产品特点具有的共性是零部件都有复杂的曲面轮廓特征。例如：涡轮机叶片、螺旋桨叶片、叶轮叶片等，此类零件很难在普通的三轴数控机床上加工出来，因此四、五轴的多轴数控机床在加工复杂曲面的零部件时发挥了重要的作用。本文以NX12.0软件为平台、整体式叶轮为载体，针对整体式叶轮的结构特点和加工難点，利用NX12.0软件的叶轮模块进行刀具路径的设计，并利用五轴数控机床进行实际加工的验证，相较于传统的可变轮廓铣策略，在精度和效率上都有了很大程度的提高。

1 整体式叶轮结构分析

叶轮作为压气机中一类关键性的零件，其结构特点具有叶片薄，外形结构复杂，各相邻叶片间的间距小并伴有倒勾面，主叶片的面积大于分流叶片且长于分流叶片，所有的叶片依次沿着轴向均匀对称分布等特点。而压气机的作用则是将外界的机械功持续地使起气体压缩，并及时地传输出去，所以分析叶轮的此种结构，属于薄壁类的复杂零件。使用场合的不同，材料往往也不同，加工方法也存在差异，由于叶片具有复杂曲面的外形特征，所以加工难度也比一般的普通零件要大;为了实现加工过程中不变形和精度的保证，对数控机床和加工刀具的要求也较高。此叶轮为整体式叶轮，其结构特点如图1所示，加工时的毛坯如图2所示。

2 加工工艺分析

整体叶轮的加工一直是机械加工中的难题，其主要矛盾在于加工时间与加工精度、加工效率和加工质量之间的矛盾。叶轮的加工毛坯通常都是圆柱状的锻造零件经过车削后形成近似的圆台或锥台状（如图2所示）。在叶片与叶片之间有大量的材料需要去除，此外为了满足叶轮气动性的要求，叶片的设计通常采用的是根部倒圆角的设计和叶片本身大的扭角，这也给圆角清根造成了很大的困难。除此之外，还存在叶片流道间距窄小，叶片弧度过大，叶片相对较长，刚度较低，易变形等问题。这样就要求在清角加工时需要的加工刀具直径较小，刀具本身距离太短导致容易折断和产生干涉的现象，高速切削的同时叶片扭曲比较严重，导致精度问题和切削效率降低。根据以上分析，在五轴机床切削加工时按照在锻铝材料上车削加工出回转体的基本外形—粗加工流道部分—精加工流道部分—叶片精加工的思路进行刀具路径的验证和叶轮零件的加工。

按照加工之前既定的工序，设计加工工艺路线见表1，依照NX12.0叶轮模块的顺序依次对叶轮毛坯进行顺序切削。首先对车削好的毛坯进行叶片粗加工，在加工的过程中需要依次指定轮毂、包覆、叶片和分流叶片，进行对此封闭区域多余材料的去料切削。在多叶片粗铣的策略中，刀轴选取自动模式，余量为使用叶片余量的方式;深度模式为从轮毂偏置恒定1mm的方式进行切削。运动输出类型为圆弧-垂直于刀轴。加工策略及切削部位的刀具路径轨迹如图3所示。随后对轮毂进行粗加工（如图4所示），需要指定的部位依然与粗加工时指定的部位相同。需要注意的是，在设置刀具路径的时候需要将切削的区域适当地延伸，此种操作在叶片开粗和后面的加工中都需要用到，因此需要格外注意，避免加工不充分的现象出现。最后采用叶片精铣的策略对叶片和流道进行精加工（如图5所示）。

3 NX12.0叶轮模块与传统加工方式的对比

追寻NX软件就会发现，NX软件有众多的版本，而且随着版本的升级，软件的内存占比越来越高、功能越来越强大，且更新速度和命名方式也发生了很大的改变。自从NX7.5增加了叶轮模块之后，在NX里面加工叶轮和叶轮类工件变得更容易，也让NX软件的用户有所增加。新增的叶轮模块在加工策略上在12.0版本中的模块命名为millmultiblade，工序子类型的加工主要分为4个部分，分别是多叶片粗铣、轮毂精加工、叶片精铣和圆角精铣（如图6所示）。

叶轮模块的最大优点在于集中解决了叶轮曲面的加工，以及类叶轮曲面加工的所有工件刀具路径设置的问题，对此类零件的加工做了一个集成化的处理。利用此模块可以按照既定的策略设置相对应的参数和选择相对应的面或者区域进行刀具路径的设计，省去了大量的刀具路径规划设计时间，同样对编程人员来说减轻了不少的负担。但是相对于传统的方式来加工叶轮，就显得烦琐许多。传统加工叶轮采用的方式是可变轮廓铣的加工策略（如图7所示）。虽然在加工工艺上差异不是很大，但是在刀具路径的设置上却需要花费很多的时间和精力，而且加工过程中的角度干涉和过切等问题不好解决。从可变轮廓铣的策略分析来看，可变轮廓铣包含复杂曲面加工的大多数难点，主要是可变轮廓铣当中的驱动方法、投影矢量和刀轴的设置。相对于固定轴而言，可变轴轮廓铣可以满足不同零件和机床的要求。具有面区域驱动、边界驱动、曲线/点驱动、螺旋线驱动、刀具轨迹驱动和径向切削驱动等驱动方式，刀轴、远离点、朝向点、远离直线和朝向直线等投影矢量;还有众多刀轴设置，既是强大的加工编程手段，也是学习的难点。传统加工方式的难点是驱动方式为曲面，驱动面为叶片单侧面，投影矢量为朝向直线，刀轴是侧刃;除此之外，还需要设置侧倾角的数值，避免可能会出现的干涉。零件实物图如图8所示。

4 结语

本文以整体式叶轮为零件、NX12.0为平台、叶轮模块为策略，介绍了叶轮在不同领域发挥的作用和零件结构的特点及加工的重难点;并在此模块下对整体式叶轮的加工步骤做了重点说明，相对于用途最为广泛的可变轮廓铣的传统加工方式，叶轮模块在刀具路径设置上更加简单快捷，安全性有了更大的保障，精度和质量也有了很大的提升，为叶轮的加工和类叶轮类零件的刀具路径设计提供了有效的参考，也为使用者提供了极大的便利。

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