整体叶轮产品造型和数控加工

许海童

摘 要：基于大型CAD/CAM软件系统，完成复杂产品整体叶轮产品实体造型和五坐标数控加工工艺规划，为复杂产品的模型建立和多坐标数控编程提供了设计思路和方法。

关键词：整体叶轮；实体造型；数控加工工艺规划

1.前言

本文基于MasterCAM软件系统，研究了叶轮的造型特点，对整体式叶轮产品进行数控加工工艺规划，为复杂产品的造型和数控编程提供了设计思路和方法。

2.整体叶轮产品造型

叶盖和叶轴为回转体，是一类几何特征明显，在生产实际中有一定代表性的结构图形，它的设计与造型相对比较简单。但叶轮的叶片通常为复杂曲面，设计与造型过程比较复杂，需要空间构造点，（这些点在三坐标测量仪上测量得到）将这些点连接成合适的B样条线，再以B样条线生成自由曲面，叶片曲面经过缝合形成叶片实体，通过与叶盖和叶轴实体的布尔运算，画好整个叶轮如图1所示。设计叶轮整个产品需进行详细的分析，满足设计指标也需要制造环节来保证，如果制造技术薄弱，叶轮的整体性能必将受到影响，因此叶轮的设计与制造是密不可分。

本文研究直径为φ200mm的整体叶轮（如图1所示），此叶轮设计图样提供的已知数据，为叶片中性曲面上边和叶盖表面的下边两条空间曲线的离散点坐标如图2所示，（這些点是在三坐标测量仪上测量得到），以及叶盖和叶轴的直径、高度和叶轮各部位的厚度值（这些数据由表卡测量）。笔者通过对此叶轮的曲面特征进行分析并在已知数据的基础上，对其构造方法进行了如下研究。

2.1叶盖和叶轴造型

叶盖和叶轴的造型比较简单，只需要建立叶盖和叶轴的截面线，通过中心轴旋转360度即可完成（如图3所示），这里就不再详细讲解。

2.1叶片造型

叶片的建立主要是要控制好两条曲线的扭曲程度，运用合理的生成曲面方法建立曲面。要建立好曲线以及曲面的扭曲效果，应满足以下几点要求：

（1）曲线满足叶轮实体产品的精度要求。

（2）曲线按照曲面的特征方向构造，尽量达到少使用曲线、且曲线的曲率变化以最平缓为目的。同一方向的曲线要有相似的曲率变化趋势。

（3）曲线在曲面上分布的密度在允许范围内应尽量降低。在曲面曲率变化大处，布置较密的曲线；曲面曲率变化平缓处，布置较少的曲线。

（4）曲线主要是通过样条线描述，在保证精度的前提下，尽量降低样条线的段数和阶数，一般建议生成三阶或四阶曲线。

（5）曲线的光顺性调节是非常重要的，利用软件的相关功能模块进行调节。曲线经过光顺处理后，在数学上保证连续，没有多余拐点，曲率变化均匀。

按照上述原则，将图2 所示的点连接起来，通过MasterCAM软件调节光顺后的两条曲线。再将曲线的两端用直线连接起来，使用MasterCAM软件的昆式曲面生成叶片中性曲面。

由于叶片沿叶轮的径向和叶片的高度方向的厚度均在变化，在构造叶片两侧的曲面时，分别做叶片中性曲面曲线1和曲线2沿叶轮轴线方向作叶盖表面的法线，并在此法线上偏移相应的叶片厚度的一半，则可形成四条变距曲线，将四条变距曲线上的对应点相连接起来，再使用曲面造型功能形成封闭曲面。

叶片曲面经过缝合形成叶片实体，将单个叶片实体以叶轮中心轴线旋转36度，形成10个叶片，最后与回转的叶盖和叶轴实体进行布尔运算相加，得到整体叶轮的实体造型。

3.数控加工

数控加工是目前国内外广泛采用的加工叶轮的方法。整体叶轮的加工难点主要表现如下。

（1）整体叶轮的形状复杂，其曲面多为非可展扭曲直纹面，只能采用五坐标或以上坐标的机床进行加工。

（2）整体叶轮相邻叶片的空间较小，而且在径向上随着半径的减小，通道越来越窄，因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具极易与相邻叶片发生干涉。

（3）刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹不是很理想。由于五坐标机床刀具运动的复杂性，数控编程也较为困难。对于五坐标机床，不管是哪种类型，由于均具有两个回转坐标轴（C轴和A轴），相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定空间内（受机构结构限制）任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力，五坐标加工可以获得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜母线类零件或异型复杂零件的高效、高质量加工。

3.1数控加工的刀轴控制

五坐标加工与三坐标加工的本质区别在于：在三坐标加工情况下，刀具轴线在工件坐标系中的方向是固定的，它始终平行于Z轴；而在五轴加工中，刀具轴线在工件坐标系中一般是不断变化如所示。这就涉及到刀轴控制方式的确定问题。常用的刀轴控制方式有以下几种。

（1）垂直于表面方式。所谓垂直于表面方式是使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢，由刀具底面紧贴加工表面，对切削行程间残余高度作最大限度的抑制，以减少走刀次数和获得高的生产效率。该方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面端铣加工。

（2）平行于表面方式。平行于表面方式是指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，对应的加工方式一般为侧铣。这种方式主要应用于直纹面的加工，由圆柱或圆锥形铣刀侧刃与直纹面母线接触可以一刀加工成形，效率高而且表面质量好。

（3）倾斜于表面方式。该方式由刀轴矢量在局部坐标系中与坐标轴和坐标平面所成的两个角度α和γ，该方式在五轴加工中常用。

3.2整体叶轮数控加工工艺

传统的叶轮加工方法是叶片和轮盘采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮盘上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。多坐标数控技术的发展使得叶轮的整体加工日益普及。叶轮整体加工是指轮盘与叶片在同一毛坯上加工成形。其数控加工过程大致包括以下几个主要工序：①粗加工； ②半精加工；③精加工。下面对叶轮五坐标数控加工工艺进行规划。

（1）用φ16 R0.8的合金刀把对叶轮整体进行粗加工。

（2）用φ10 R5的合金球头圆柱铣刀对叶轮整体进行半精加工。

（3）用φ8的合金铣刀对叶轮的叶轮外形和叶轴孔精加工。

（4）用φ6 R3的合金球头圆柱铣刀对叶轮的叶盖表面、叶片前、后背面、叶片的上表面和夹角清角精加工。

3.2.1粗加工

曲面零件的加工一般都需经过粗、半精和精加工过程。粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，其考虑的重点是加工效率，要求大的进给量和尽可能大的背吃刀量。以便在较短的时间内切除尽可能多的材料，对表面质量的要求不高，当零件毛坯与最终零件形状存在较大差别时，其粗加工时间可能为精加工的5～10倍，以至更多。因此，提高粗加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。

曲面粗加工一般可采用两种方法：偏置法和层切法。偏置法适合于毛坯形狀与零件形状相似的情况，如铸造与锻造的毛坯，否则将产生较多的空行程而影响加工效率。而对于没有经过预处理或加工的毛坯常采用层切法加工比较合理。层切法是用一系列假象水平面与零件面和毛坯边界截交，得到一系列二维切削层。然后用平底刀对各切削层进行分层加工的原理。

在MasterCAM软件中利用曲面挖槽粗加工对叶轮进行开粗（既为层切法）。编制程序前要分析叶轮的相关参数，工件的材质，考虑采用多大的刀具和刀具类型比较合适，建立加工的区域线，以及在加工过程中的进给速度、主轴转速、吃刀用量和进刀方法等。通过对叶轮的分析，粗加工时采用φ16 R0.8的合金刀把加工，粗加工刀具轨迹。

3.2.2半精加工

由于很多曲面粗加工都是采用层切法，往往在粗加工以后都留有很多的残余量，如果在这种情况下就直接采用精加工，是达不到加工质量的要求，而且对刀具的磨损会很严重，所以在执行粗加工以后，通常会设计一个半精加工的刀路，以保证精加工后产品的质量。叶轮在粗加工时采用的刀具直径比较大，所以夹角处还留有很多的残余量，即可采用φ10 R5的球头圆柱铣刀对其进行半精加工，由于叶片和叶盖之间形成一个小余90°的夹角，所以利用可变轴曲面轮廓铣对夹角进行开槽加工，开槽加工的位置选在气流通道的中间位置。为了使开槽加工时，刀具不会与叶片曲面发生干涉，刀轴矢量应为气流通道两侧叶片曲面的矢量和，并从叶轮中心向外缘分段铣削加工。

采用球头圆柱铣刀，从两叶片中间开始向两侧扩槽。扩槽刀具路径取决于叶轮气道出口处轮廓表面的残留余量的允许值，应尽可能少一点吃刀量，以防崩刀，经开槽半精加工时的叶轮道路轨迹。

3.2.3精加工

精加工是保证零件质量的关键。要合理安排精加工的刀具路径和刀具类型，在保证零件质量的前提下以较短时间内顺利完成，而且保证加工尺寸和设计时的尺寸在允许公差范围之内。精加工通常也分为两种加工方法：偏置法精加工和沿面精加工。偏置法是指刀具沿加工外形轮廓分层加工，这种加工适合加工直纹面或外形轮廓线；沿曲面精加工则是刀具沿曲面特征依次加工，通常是对复杂曲面的精加工。叶轮在半精加工以后，表面还留有0.1mm的余留量，除叶轮的最大外形和轴孔是直身面以外，其它面都是扭曲的曲面。所以在加工最大外形和轴孔时采用φ8的圆柱铣刀用偏置法精加工以外，其它曲面都采用φ6 R3的球头圆柱铣刀用可变轴曲面轮廓铣精加工，刀轴随曲面的变化而改变，通过控制刀具轴、投射方向和驱动方法，可变轴曲面轮廓铣可以顺利完成叶轮实体曲面精加工。

在叶轮加工中，有时过切是不能完全避免的。这里有多方面的原因，除了刀具选择、驱动面的选择以及边界约束条件的定义等方面的原因之外，常常是由于叶轮设计造型、叶片扭转较大，引起刀具轴的摆角变化很剧烈，在刀具中心的线位移很小时，若摆角变化值很大，就往往造成过切。如果不能完全消除过切，就只能反复调整参数，把过切量调到最小，最好限制在工程允许的误差之内，减小误差。

4.结束语

目前，使用大型CAD/CAM软件对复杂曲面进行设计和数控加工，是现代制造技术研究中不可或缺的重要内容，代表着制造业的发展方向和趋势，同时也只有通过五轴数控加工才能保证整体叶轮类零件的顺利生产。

参考文献：

[1]唐荣锡.CAD/CAM技术.北京：北京航空航天大学出版社，1994