轴流式叶轮轴四轴加工刀具轨迹优化与验证

0 引言

叶轮是透平机的关键零件，在风机、涡轮增压器、航空发动机等高端装备上广泛使用。根据能量转换的不同，既可作压气机，也可作动力机[1]。工作时叶轮高速旋转，民用涡轮风扇发动机叶轮转速在几千到几万之间，车用涡轮增压器的小直径叶轮转速可达每分钟20万转。高转速条件下的摩擦抑制、温度控制、压力损失、做功效率对叶轮的加工制造环节提出了较高要求。一直以来，叶轮首选的加工方案采用五轴联动数控加工中心实现轮毂和叶片的粗精加工，这种做法对设备投入要求较高，叶片的制造成本难以降低。固然五轴联动加工能够获得优良的外形、尺寸精度和表面质量，但并非所有的叶轮都必须应用五轴加工策略，针对部分情况下轴流式叶轮的制造需求，四轴联动加工方法同样适用。四轴联动数控加工中心因其来源于三轴数控机床增加第四轴，制造和使用成本相对较低，虽然刀具的自由度存在局限，若能在工艺和编程方面扬长避短，不仅能顺利完成轴流式叶轮的铣削加工，同时在生产成本上能够积累一定的优势。本文提出了一种基于UG NX软件的针对某轴流式叶轮轴的四轴联动优化加工方法，并实现了上机验证。

1 轴流式叶轮

轴流式叶轮工作时流体从轴向流入并沿轴向流出，广泛应用于风机、压气机、涡轮机等机构。以气体流体为例，利用高速旋转可以对气体做功实现多级压缩，也可以将高温燃气的内能转化为机械能，吹动叶轮高速旋转。轴流式叶轮叶片间的流道较宽，工作原理常用机翼理论分析。气体由一个攻角进入叶轮时，在翼背上产生一个升力，同时在翼腹上产生一个大小相等方向相反的作用力，该力使气体排出叶轮呈螺旋形沿轴向向前运动，并对流体做功使流体能量增加。同时，风机进口处由于压差的作用，气体不断地被吸入，进一步将气体动能转化为压力，最后引入工作管路。

轴流式叶轮主要由轮毂和多个叶片构成，叶轮的气动外形设计是根据所需压力与流量，计算出各部件的流通尺寸，包括叶轮直径D、轮毂直径d和叶片参数等[2]。叶栅是由叶型相同的叶片以相同的间隙和角度在叶轮回转面上排列而成，轴流式叶轮叶栅为直列叶栅，流面上列线成无限长直线，将基元级的叶栅展布在平面上获得平面叶栅[3]，用来模拟气流在叶片中的流动。按照平面叶栅理论设计的轴流式叶片参数与铣削加工有关的有以下几点：①栅距t；②稠密度τ；③叶型安装角βγ；④几何进口角β1k和几何出口角β2k；⑤叶片扭角；⑥叶片长度等。轴流式叶轮流面为圆柱面，叶轮旋转平面与基元级叶栅垂直，这是该种叶轮能够较好地在四轴加工中心上铣削的前提条件。当叶片数量不多，栅距适中，叶型安装角沿径向变化幅度不大，叶片长度小于铣刀刃长时轴流式叶轮可以使用四轴机床加工。

2 叶轮轴四轴加工工艺分析

四轴立式加工中心根据回转轴旋转轴线不同有XYZ+A和XYZ+B两种轴组合，能够实现普通的三轴加工、“3+1”定轴加工和四轴联动加工，当机床使用A轴转台时，方便在工作台上布置尾座。某轴流式叶轮轴三维模型如图1所示，叶轮由5个叶片组成，轮毂包夹于相邻叶片之间，叶片数量、栅距、扭角、叶高、圆角半径等特性满足四轴铣削工艺要求。总体方案是利用数控车床车削出叶轮轴外形，随后在配置A轴转台的四轴加工中心上铣削V型槽和叶片。根据图纸和模型尺寸，采取“一夹一顶”的毛坯装夹方案有助于确保切削过程稳定，使用“3+1”定轴加工方式铣削相距120°的V型槽，四轴联动加工方式铣削叶片和轮毂面。

图1 轴流式叶轮轴三维模型

本零件叶片和轮毂面所夹空间可以视为一个独立区域，按如下顺序划分工序：①轮毂左侧叶面粗加工；②轮毂右侧叶面粗加工；③轮毂上方区域粗加工；④叶面精加工；⑤轮毂及相邻圆角面精加工。一个区域完成后再逐次加工下一区域，直至5个独立区域全部加工完成。工序安排及刀具选用如表1所示。

表1 叶轮轴铣削工序

3 刀具轨迹生成与优化

UG NX软件是西门子公司推出的产品生命周期管理（PLM）软件，具有强大的三维设计、数控编程、有限元分析和产品数据管理等功能，其CAD、CAM、CAE模块广泛应用于多种实验研究和工业生产领域，本文使用UG NX软件创建刀轨。在加工模块中分别创建MCS、WORKPIECE、刀具等节点组，首先选用传统的三轴工序（深度轮廓铣、平面轮廓铣等）生成V型槽的刀路，令刀轴与切削层底面垂直，使用四轴后处理器将刀轨转化为G代码指令，此时在程序行中出现A轴坐标[4]，在程序中承担角度定位的作用，当回转轴锁止后，系统再执行三轴联动加工的程序内容，利用“3+1”定轴加工方式，四轴机床自动完成3个V型槽的铣削加工任务。

叶片是和轮毂的铣削使用multi-axis工序类型中的可变轮廓铣工序，可变即刀轴可变，刀轴沿刀轨移动时不断变换方位，伴随产生的前倾角、侧倾角由回转坐标轴角度分度提供，生成的刀路配合多轴数控机床可以实现多轴联动加工。下面以叶面部位的铣削为例，从刀路驱动体、投影矢量方向、刀轴控制方式三个方面优化可变轮廓铣刀路。

3.1 刀路驱动体

驱动体是可变轮廓铣刀轨的起源，以曲线、边界、曲面等为驱动体，在线或面上根据设置的步距、步长，UV方向百分比等参数生成驱动点阵列。驱动点一旦定义，就可投影到部件表面以创建刀轨。曲面轮廓铣削理想的刀路是刀轨与曲面的走向一致，叶轮表面的铣削刀路还应与流体的运动方向一致，以减小流动阻力。轴流式叶轮的叶片切削层应当与基元级叶栅处于同一圆柱面，叶面粗精加工驱动点位于叶轮流面与叶面交线上，采取分层铣削策略时，驱动点形成沿叶片流面方向和径向均匀分布的驱动点阵列，此时驱动体为叶面本身。在“驱动方法”中选择“曲面区域”，以要铣削的叶面为驱动曲面，原理是通过提取叶面两个方向的栅格构建驱动点阵列，如图2所示。驱动曲面参数设置如图3所示，刀具与驱动面相切，切削方向选择由上而下、由外向内的箭头方向，往复式切削模式，沿叶面UV方向，以20为步距，100为步长形成覆盖整个叶面的驱动点阵列。

图2 叶面驱动点阵列

图3 驱动曲面参数设置

3.2 投影矢量方向

投影矢量是驱动点投影到部件表面的投射方向，驱动点沿投影矢量投射到部件后形成刀具与加工表面的接触点，再结合刀具形状、尺寸以及刀轴方向生成刀位点的一系列定位点，经插值后构成刀具轨迹。驱动点也可以投影矢量的相反方向从驱动曲面投影到部件表面。投影矢量的方向决定刀具要接触的部件表面侧，刀具总是从投影矢量逼近的一侧定位到部件表面上。

在“曲面区域”驱动方法下，可以指定的投影方向有动态矢量、刀轴、远离/朝向点、远离/朝向直线、垂直于驱动体、朝向驱动体等9种。在“投影矢量”中选择“朝向驱动体”，矢量方向指向叶面，在接触点处与叶面垂直，投影从距驱动曲面较近处开始，后退距离设定为50%刀具直径，令刀具在任意点处总是逼近要铣削的叶面而非部件上其他表面，如图4所示。

图4 投影矢量方向及刀具侧

3.3 刀轴控制方式

通常将铣刀的刀轴定义为从刀具底刃中心指向刀具柄部中心的方向矢量。三轴加工时刀轴始终指向Z+方向，“3+1”定轴加工时刀轴沿一固定方向，多轴联动加工时刀轴按一定规律沿刀轨连续变化，刀轴控制是否合理是轴流式叶轮四轴优化加工的关键环节[5]。四轴立式加工中心刀轴的变换通过A轴回转工作台实现，当A轴处于不同角度，铣刀能够获得不同的刀轴方向，因此在创建刀轨时，必须将刀轴始终控制在刀具定位点所处的YZ平面内。为确保刀轨后处理后仅有唯一的回转坐标，在UG NX软件中常用的适合四轴联动加工的刀轴控制方式有远离/朝向直线、4轴相对/垂直于部件、双4轴在部件上、插补矢量、4轴相对/垂直于驱动体、双4轴在驱动体上等9种。

在“刀轴”中选择“4轴相对于驱动体”，如图5所示，该模式下设定前倾角、侧倾角和旋转角度可以使刀轴相对于驱动曲面的垂直“刀轴”向前/向后或向左/向右倾斜，适合在复杂部件表面上控制刀轴运动。本文将刀轴旋转角度设定为-90°，侧倾角1°，令铣刀侧刃与叶面均匀贴合，保证粗精加工后的表面连续性和角度正确性。

图5 4轴相对于驱动体刀轴控制方式设定

将上述优化路径应用于轮毂区域铣削，最终获得四轴优化加工刀具轨迹。

4 上机验证

加工测试平台使用汉川机床XH715D四轴立式加工中心，搭配FANUC 0i Mate-MD数控系统，配置8000rpm串行主轴，A轴回转工作台最小分割精度0.001°，重复定位精度4″，最大转速22.2rpm，气压刹车扭矩47kg·m，平台满足本文轴流式叶轮零件加工工艺要求。刀路经UG NX四轴后处理生成铣削程序并导入机床，顺利完成叶轮轴试加工，结果如图6所示，达到预期效果。

图6 叶轮轴上机加工结果

5 结束语

轴流式叶轮铣削在多轴数控加工中具有代表性，叶栅理论应用在叶轮加工环节，将基元级叶栅与切削层、驱动体等编程要素联系起来，作为刀路优化方案的制定依据。在叶轮满足四轴联动加工工艺特性的基础上，利用UG NX软件中的可变轮廓铣工序，通过驱动方法、投影矢量、刀轴三个方面的优化，刀路与叶面轮廓、流体流向一致，获得了较为理想的叶片和轮毂四轴加工刀具轨迹。经上机验证，本文提出的方法不仅实现了轴流式叶轮四轴联动数控加工，同时也为叶栅理论在叶轮多轴数控加工中的进一步应用提供了思路。