邵树锋
（浙江工业职业技术学院，312000，浙江绍兴）
整体式叶轮作为动力机械的核心部件，广泛应用于航空航天、舰船等工业领域。本文采用先进的国产数控系统——华中数控848D 型的智能高速五轴数控机床HMC-200i/5a，对整体大扭度叶轮进行五轴加工工艺规划、加工轨迹编程、虚拟仿真等关键技术的深入探讨与研究。
本文所研究的整体叶轮模型如图1 所示。此模型外形特征为典型的叶轮模型，主要由8 片曲形叶片和1 个底座组成整体式叶轮。
图1 整体五轴叶轮
叶片整体的加工精度较高，未注公差为±0.03 mm，并且叶轮表面粗糙度要求较高。叶片扭度较大，加工时易导致刀具与叶片干涉。通过分析，该零件加工的技术要求及难点主要体现在以下几个方面。
（1）叶轮整体表面粗糙度要求较高，需选择合适的刀具种类和刀具参数。
（2）叶轮整体加工形状精度要求较高，未注公差为±0.03 mm，应合理设置粗、半精、精加工的余量，合理安排刀具路径来达到加工所需要求。
（3）合理安排加工刀路及工艺，提高叶片加工精度，防止叶片之间的干涉，提高加工效率。
2.1 前期准备过程
（1）整体叶轮毛坯准备。整体大扭度叶轮毛坯采用尺寸为Φ105 mm×45 mm 的2A12 铝合金棒料，通过数控车削而成。按照整体叶轮要求，通过数控车削完成叶轮外形及槽的坯体粗、精加工，最后做成如图2 所示的毛坯。
图2 整体叶轮坯料
（2）机床的选用。整体大扭度叶轮加工设备要求具有数控加工处理功能强大、运算速度灵敏、对程序预读快等性能。采用HMC-200i/5a 五轴联动加工中心配备高性能的华中848D 数控系统。A 轴摆动范围在-30°～+110°，能够满足叶片曲率变化大的要求。
2.2 工艺安排
此模型外形特征为大扭度的叶轮模型，主要加工部位有叶片面、叶根面、轮毂面这三块，分别需要按粗、半精、精的工序来完成，具体加工工艺安排如下：①粗加工：叶轮顶部→流道；
②半精加工：叶轮顶部→叶片→轮毂→叶片根部；
③精加工：叶轮顶部→叶片→轮毂→叶片根部。
3.1 整体叶轮顶部粗加工
顶部铣削粗加工时，用直径10 mm 的四刃铝用硬质合金立铣刀，选择主轴转速为6 000 r/min，切削速度为188.4 m/min，切削深度分层1 mm，行间距5 mm，留0.3 mm 半精加工余量。加工工艺参数如表1 所示，顶部铣削粗加工刀路轨迹如图3 所示。
图3 顶部铣削粗加工刀具轨迹
表1 顶部铣削粗加工工艺参数
3.2 整体叶轮流道粗加工
大扭度多叶片开粗是对叶轮的叶片之间流道进行粗加工，为半精加工做准备。流道粗加工时，选择直径为8 mm 的铝用硬质合金球刀，选择主轴转速为6 000 r/min，切削速度为150.72 m/min，分层深度为刀具直径的30%，行间距为刀具直径的40%，留半精加工余量0.3 mm。加工工艺参数如表2 所示。完成程序编程后，随后进行程序阵列，选择变换功能，设置角度为45°，阵列7 份完成。流道铣削粗加工刀路轨迹如图4 所示。
表2 流道铣削粗加工工艺参数
图4 多叶片流道铣削粗加工刀具轨迹
3.3 整体叶轮顶部半精加工
在叶轮顶部半精加工时选择曲面区域轮廓铣。为了提高叶轮表面质量，增加一道半精加工工序。半精加工时为了防止叶片和刀具的干涉，选择硬质合金刀头为R1.5 mm、刀柄直径为6 mm 的3°锥型铝用球刀进行加工。主轴转速为8 000 r/min，切削速度为75.36 m/min，切削方式为螺旋，步距方式为数量，步距数为10，留有0.06 mm 精加工余量。加工工艺参数如表3 所示，整体叶轮顶部半精加工刀路轨迹规划如图5 所示。
表3 叶轮顶部铣削半精加工工艺参数
图5 叶轮顶部铣削半精加工刀具轨迹
3.4 整体叶轮半精加工
为了减少表面振纹，提高加工尺寸精度及加工表面质量，增加半精加工工序。叶轮半精加工时为了防止叶片和刀具的干涉，选择铣刀头部为R1.5 mm、柄部直径6 mm、锥度3°的锥型铝用硬质合金球刀进行加工。分别选择叶片精铣、轮毂精加工等加工指令去加工大扭度叶轮的叶片、轮毂两个要素。半精加工的主轴转速为8 000 r/min，切削速度为75.36 m/min，切深为刀具直径的10%，留0.05 mm 精加工余量。圆角半精加工的主轴转速为10 000 r/min，切削速度为94.2 m/min，切宽为0.6 mm。完成程序编程后，随后进行程序阵列，选择变换功能，设置角度为45°，阵列7 份完成。加工工艺参数如表4 所示，叶轮半精加工刀路轨迹规划如图6 所示。
表4 叶轮铣削半精加工工艺参数
图6 叶轮铣削半精加工刀具轨迹
3.5 整体叶轮顶部精加工
在叶轮顶部精加工时选择曲面区域轮廓铣。主轴转速为12 000 r/min，切削速度为113.04 m/min，切削方式为螺旋，步距数为30。增加步距数提高加工表面质量。加工工艺参数如表5 所示，顶部铣削精加工刀路轨迹规划如图7 所示。
图7 叶轮顶部铣削精加工刀具轨迹
表5 叶轮顶部铣削精加工工艺参数
3.6 整体叶轮精加工
为了提高加工尺寸精度及表面质量，叶片精加工主轴转速为12 000 r/min，切削速度为113.04 m/min，切深为刀具直径的5%。完成程序编程后，随后进行程序阵列，选择变换功能，设置角度为45°，阵列7 份完成。轮毂精加工切削参数和叶片精加工一样。圆角精加工的主轴转速为15 000 r/min，切削速度为141.3 m/min，切宽为刀具直径的5%。加工工艺参数如表6 所示，叶轮精加工刀路轨迹规划如图8 所示。
表6 叶轮铣削精加工工艺参数
图8 叶轮铣削精加工刀具轨迹
3.7 虚拟仿真
五轴联动数控加工程序编制复杂，要对刀具干涉、碰撞等问题充分考虑与分析。智能高速五轴加工中心设备贵重，机加工之前须对程序经过多轴机床仿真软件仿真加工，查看程序是否正确，来确保程序的可靠性，再上机操作加工。
本次仿真采用的是VERICUT8.2.1 版本，构建一个加工中心的模型，如图9 所示，仿真结果如图10 所示。
图9 加工中心模型
图10 叶轮程序仿真结果
验证大扭度叶轮数控程序没有干涉、碰撞等现象后，在真实的HMC—200i/5a 智能高速五轴联动加工中心上完成了整体大扭度叶轮的实物加工。通过试验，可有效避免刀具的碰撞。在精加工时适当提高主轴转速至12 000～15 000 r/min，叶轮表面质量最佳。最后，通过在线检测系统（具备叶轮模块功能）检测，达到了规定的要求。
本文对整体大扭度叶轮的加工难点、加工工艺、刀具参数选择等方面进行了研究。采用UG12.0 三维造型、五轴编程、VERICUT.8.2.1 仿真软件来加以辅助，进行了加工仿真。根据加工仿真、刀具路径优化及实际试样，得出了关键加工刀具的优化参数，攻克了整体大扭度叶轮的加工难点，为此类零件合理加工提供了重要的实践经验。
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