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      1 引言

      葉輪是渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。其典型的應(yīng)用還有離心壓縮機(jī)、泵、徑流式渦輪和膨脹機(jī)等許多動(dòng)力機(jī)械。其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著決定性的影響。然而，通常發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉輪為整體葉輪，而其葉片的形狀又是機(jī)械中最難加工的曲面構(gòu)成的。因此，整體葉輪的加工一直是機(jī)械加工中長(zhǎng)期困擾工程技術(shù)人員的難題。為了加工出合格的葉輪，人們想出了很多的辦法。由最初的鑄造成型后修光，到后來的石蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法。其中，也有的廠家利用三坐標(biāo)仿形銑。但是這些方法不是加工效率低下，就是精度或產(chǎn)品機(jī)械性能不佳，一直到數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用到葉輪的加工中，這些問題才得到了根本的解決。[1~4,8~10]

      葉輪加工的復(fù)雜性主要在于其葉片是復(fù)雜的曲面造型。而且能否精確地加工出形狀復(fù)雜的葉輪已成為衡量數(shù)控機(jī)床性能的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。曲面根據(jù)形成原理可以分為直紋曲面和非直紋曲面。直紋面又可分為可展直紋面和非可展直紋面，對(duì)于可展直紋面，完全可以使用非數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。而對(duì)于非可展直紋面和自由曲面（非直紋曲面）葉片的整體葉輪來說，則必須用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床才能準(zhǔn)確地將其加工出來。

      由于數(shù)控機(jī)床具有四軸聯(lián)動(dòng)或五軸聯(lián)動(dòng)的功能，則利用它進(jìn)行葉輪加工時(shí)，既可以保證刀具的球頭部分對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確地切削，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作使刀具的刀體或刀桿部分避讓開工件其它部分，避免發(fā)生干涉或過切。

      2 國(guó)內(nèi)外葉輪數(shù)控加工發(fā)展現(xiàn)狀

      早在七十年代初我國(guó)的幾家大型企業(yè)就開始將數(shù)控機(jī)床用于整體葉輪的加工上。目前，我國(guó)已有越來越多的廠家開始采用鍛造毛坯后多坐標(biāo)NC 加工成型的方法加工葉輪，尤其是國(guó)防工業(yè)中所用的關(guān)鍵葉輪，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪等。目前都已采用多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工。國(guó)內(nèi)所用的機(jī)床大多是引進(jìn)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的四、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

      按葉輪的曲面形狀的不同，在數(shù)控機(jī)床上加工葉輪采用了兩類方法。第一類是點(diǎn)銑法，即用球頭刀按葉片的流線方向逐行走刀（加工一個(gè)葉片一般需50~200 次走刀），逐漸加工出葉片曲面。這種方法在自由曲面型葉片上普遍采用，在一小部分直母線型葉片上也采用。我國(guó)航天用的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇都采用這種點(diǎn)銑法。

      以航天部某機(jī)器廠加工某型號(hào)葉輪為例，葉輪材料為TC6 鈦合金。其加工方法即是在四軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床上利用圓柱球頭銑刀進(jìn)行點(diǎn)銑加工。即從葉片頂部開始，沿葉片的流線方向，用球頭刀的刀頭部分對(duì)其進(jìn)行切削，當(dāng)其走刀行程加工完一側(cè)的一條流線后，經(jīng)過退刀及進(jìn)刀后，刀具即向輪轂方向移動(dòng)0.3mm，進(jìn)行下一次切削，直到葉片的一面加工完畢，再對(duì)另一面進(jìn)行切削。如圖1。

      利用這種方法加工出的葉片能夠較精確地符合葉片設(shè)計(jì)型面的要求，精度較高，而且加工走刀方向和設(shè)計(jì)流線方向相同，對(duì)葉輪運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力性能有利。但是其最顯著的缺點(diǎn)為加工效率低下，上述所加工葉輪直徑為279mm，葉片高度為40~75mm。用這種方法加工出一個(gè)完整的葉輪耗費(fèi)機(jī)時(shí)500 個(gè)左右，需占用機(jī)床一個(gè)月，耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí)費(fèi)和人工費(fèi)用。大大增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。而且，這種點(diǎn)銑的切削方式，只有刀具頭部一點(diǎn)或一圈切削刃參加切削，刀具磨損嚴(yán)重，需要經(jīng)常換刀及重磨刀具，生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。第二類是側(cè)銑法。即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側(cè)刃銑削葉片曲面，它主要用于直母線型葉輪的加工上。我國(guó)增壓器模型葉輪已采用此種方法制造。這種銑削方法比采用點(diǎn)銑法能顯著改善葉片的表面粗糙度以及顯著提高葉輪的加工效率，但是我國(guó)國(guó)防工業(yè)中，由于對(duì)側(cè)銑加工的方法有疑慮，很少采用側(cè)銑的方法，使葉輪的加工效率低下。

      盡管非可展直紋面是非可展的，（也就是說，存在于直母線兩端的曲面法矢方向是不平行的）但它畢竟是由直母線沿導(dǎo)線掃描形成的。（以直紋拋物面為例，就是直母線的一端以直線為導(dǎo)線，而另一端以拋物線為導(dǎo)線，掃描而成的）也就是說，將曲面離散后，可以得到曲面上的一條條方向各不相同的直線。

      正是利用很大部分葉輪曲面為非可展直紋面這一特性。國(guó)外許多家公司已開始采用四軸側(cè)銑來加工非可展直紋面葉片的整體葉輪。其中世界上最著名的美國(guó)NREC 公司提供的資料上就介紹了該公司生產(chǎn)的軟件MAX5就能夠完成為葉輪的四軸側(cè)銑數(shù)控加工生成數(shù)控代碼的工作。[7]在該軟件中采用了三項(xiàng)美國(guó)專利來解決用側(cè)銑加工非可展直紋面的誤差問題。用數(shù)控編程時(shí)進(jìn)行的處理工作來避免理論切削誤差。同時(shí)，軟件中針對(duì)各種不同的葉輪形式還設(shè)計(jì)了切削路徑的模板，可以直接生成刀具軌跡，然后根據(jù)具體情況再進(jìn)行調(diào)整，這樣可以大大地節(jié)約編程時(shí)間，提高效率。

      據(jù)調(diào)查，在俄羅斯的葉輪加工中，也已大量使用側(cè)銑的加工方法進(jìn)行加工，前例中提到葉輪在俄羅斯只需幾十個(gè)小時(shí)即可加工完成，而有些非重要用途的鋁材料葉輪甚至只需幾十分鐘即可加工完畢。生產(chǎn)效率大大提高，而且利用側(cè)銑的方法加工，可以避免刀具與工件接觸區(qū)集中于一點(diǎn)，從而減輕了刀具磨損，這兩項(xiàng)都大大地降低了生產(chǎn)成本和表面粗糙度。

      而且，這些年發(fā)展起來的高速切削在葉輪葉片加工中已經(jīng)廣泛使用。Starrag 公司提供的五軸、四軸葉輪葉片加工機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5 萬轉(zhuǎn)/分。實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)速也常用到1 萬轉(zhuǎn)/分左右。使用硬質(zhì)合金刀具加工不銹鋼普遍切削速度為150米/分。

      在編程方面，葉輪的數(shù)控加工代碼的生成也是一個(gè)很重要的步驟。目前多數(shù)廠家采用通用CAD/CAM 的商用軟件編制葉輪的數(shù)控加工程序。目前用得較多的有UGⅡ，CAMAND 等。采用這些軟件編程有不便之處，由于通用軟件并非針對(duì)某一種零件設(shè)計(jì)，所以其功能繁多、界面復(fù)雜。輸入?yún)?shù)后須經(jīng)過許多步驟才能編出程序，且需多次反復(fù)，而且編程人員必須對(duì)葉輪幾何造型很熟悉，同時(shí)用相當(dāng)多的時(shí)間學(xué)習(xí)掌握了通用軟件的使用方法才能編出葉輪數(shù)控加工程序。

      也有部分工廠未采用通用軟件，而是針對(duì)某一葉輪編制了專用程序，但現(xiàn)在情況多是使用面窄，使用性能也較差。例如，航天機(jī)電集團(tuán)某廠所做風(fēng)扇是使用早年北京郵電大學(xué)研制的程序，此程序還是DOS 下所編制的，使用很不方便。航天機(jī)電集團(tuán)三院某所的加工轉(zhuǎn)子的軟件也是在此基礎(chǔ)上改編的。

      國(guó)際上有許多工廠與我國(guó)的情況類似，也采用通用軟件編制葉輪數(shù)控加工程序。但一些先進(jìn)的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠商(如STARRAG)及專業(yè)的葉輪加工工廠（如美國(guó)的NREC）都推出了專用于葉輪的數(shù)控加工軟件包，如MAX-5， MAX-AB，STARRAG 程序等。不采用通用的CAD/CAM 軟件有一系列的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)閷Ｓ密浖纳a(chǎn)廠商通常都有多年的葉輪加工和數(shù)控編程的經(jīng)驗(yàn)，軟件中針對(duì)不同特征的葉輪設(shè)計(jì)了刀具路徑模板。對(duì)于葉輪加工中最易出現(xiàn)的干涉問題，也有了充分的考慮。這些都是通用軟件所不具備的。另外，這些軟件通常集成性好，可以和設(shè)計(jì)結(jié)果和工藝設(shè)計(jì)直接相連。作為專用軟件，界面更為簡(jiǎn)潔、重點(diǎn)突出，利于設(shè)計(jì)人員掌握。這些程序盡管編程性能優(yōu)良，但所包含的工藝信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、轉(zhuǎn)速表、進(jìn)給率表等，而缺乏推薦的切削刀具與切削量，更沒有如何減少加工變形的指南。

      我國(guó)尚缺乏在這種專用于葉輪的數(shù)控加工的編程軟件，國(guó)內(nèi)少數(shù)工廠已經(jīng)認(rèn)識(shí)到專用軟件的優(yōu)越性，意欲引進(jìn)。但國(guó)外索價(jià)昂貴。所以開發(fā)中國(guó)產(chǎn)權(quán)的葉輪數(shù)控加工軟件迫在眉睫。

      3 一種新的數(shù)控加工方法

      從理論上講，利用四軸、五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床側(cè)銑的方法來加工非可展直紋面，是有誤差的。而且，對(duì)于直紋拋物面這種非可展直紋面來說，加工一個(gè)曲面時(shí)，刀具與工件的接觸線越長(zhǎng)，加工誤差也就越大。雖然，相對(duì)于點(diǎn)銑來說，側(cè)銑的加工效率要高出許多。但是如果加工后型面誤差不合格就不能采用側(cè)銑法?？梢娬`差計(jì)算十分重要。美國(guó)的NREC 公司也是在采用計(jì)算誤差后通過調(diào)整刀位保證誤差合格，從而進(jìn)行側(cè)銑加工。但其刀位調(diào)整方法是保密的。

      本文中正是針對(duì)這一問題提出了分片側(cè)銑的加工方法進(jìn)行非可展直紋面的葉輪葉片的加工。 [11,12,13,14]也能實(shí)現(xiàn)這一功能。

      很容易理解，分片側(cè)銑就是利用側(cè)銑的方法加工葉片，但并不是一次就將整個(gè)葉片從葉頂?shù)饺~根全部銑出。而是將葉片縱向分為幾片，加工時(shí)首先用刀具側(cè)刃加工最外面的一片。然后，進(jìn)行退刀、進(jìn)刀，再加工相鄰的下一個(gè)分片。分片數(shù)越多，工件與刀具的接觸線就越短，理論加工誤差就越小。當(dāng)分片數(shù)足夠多時(shí)，加工誤差就會(huì)符合工件要求。具體方法如圖2。

      在此思想指導(dǎo)下開發(fā)的專用葉輪CAD/CAM軟件系統(tǒng)，在刀位計(jì)算過程中，首先由用戶選擇分片數(shù)。軟件系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)計(jì)算出刀位點(diǎn)及加工誤差，如果加工誤差超過設(shè)計(jì)人員所要求的誤差范圍，則軟件提示操作者增加分片數(shù)，重復(fù)上一過程，直到誤差合格為止，經(jīng)過計(jì)算，上例中所提到的葉輪葉片分片數(shù)大于3 時(shí)，誤差計(jì)算即可合格。并且經(jīng)過Vericut 仿真軟件驗(yàn)證，加工完成件的形狀及誤差均符合要求。仿真結(jié)果如圖3。這樣，加工葉片單面所需的走刀次數(shù)由 250次左右減少到4 次（需進(jìn)行清根），效率可提高60 多倍。當(dāng)然這只是理論計(jì)算，如另外考慮切削力增大對(duì)刀具振動(dòng)、葉片（薄壁件）加工變形的影響，則需工藝人員根據(jù)實(shí)際情況再適當(dāng)增加分片數(shù)。據(jù)估計(jì)實(shí)際效率應(yīng)增加10 倍以上。

      4 結(jié)論

      目前國(guó)內(nèi)外葉輪數(shù)控方法大致分為兩大類：點(diǎn)銑法和側(cè)銑法。尤其對(duì)直紋葉片曲面的葉輪，在國(guó)外已廣泛采用側(cè)銑法進(jìn)行加工，加工效率及精度都較高，已較成熟。而在國(guó)內(nèi)此方法尚在探索階段，應(yīng)當(dāng)成為工藝人員的研究方向。與此相應(yīng)，國(guó)外用于葉輪的數(shù)控加工軟件已較為成熟，但對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家來說價(jià)格難以承受；而國(guó)內(nèi)的數(shù)控加工軟件功能及穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步提高。本文也在此方面進(jìn)行了一些探索，提供了一種新的工藝方案——分片側(cè)銑。相信在不久的將來國(guó)內(nèi)外葉輪加工廠家必將以高效、高質(zhì)的側(cè)銑工藝代替效率及質(zhì)量都很低下的點(diǎn)銑加工，我國(guó)的葉輪生產(chǎn)也將跨上一個(gè)新的臺(tái)階。