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整体叶轮的加工工艺0 引言叶轮是涡轮式发动机、涡轮增压器等动力机械的关键部件，广泛应用于航空航天、船舶机械、石油化工等领域。
日常生活中常见的应用就是汽车的涡轮增压器。
整体叶轮的形状比较复杂，叶片的扭曲大，极易发生加工干涉，因此其加工的难点在于流道、叶片的粗、精加工。
本文将利用UG NX、UG/Post Builder、VERICUT对五轴编程中的三大难点（刀路轨迹的编写、后置POST的编写、仿真验证）进行详细的说明。
1 加工工艺分析考虑到整体叶轮实际的工作情况，一般整体叶轮的曲面部分精度高，工作中高速旋转，对动平衡的要求高等诸多要求，结合叶轮的形状、结构特点、材料安排工艺路线如下：1）铣出整体外形，钻、镗中心定位孔；2）精加工叶片顶端小面；3）粗加工流道面；4）精加工流道面；5）精加工叶片面；6）清根处理。
本文主要研究了流道粗、精加工和叶片精加工加工轨迹规划。
对于整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件，应选择它的底面圆心作为工件的原点，进而简化工件的找正和后处理过程。
根据整体叶轮的几何模型特征，可以基本上确定例如加工所使用机床型号、刀具参数、夹具和装夹方式等。
叶轮的加工使用DMG 75V的机床，SIEMENS 840D的控制器。
该机床配备有X、Y、Z三个线性轴，B、C两个回转轴构成了一台标准的TH（Table_Head）结构的五轴联动加工中心。
刀具的使用方面，五轴联动加工中优先使用球头刀和圆角R刀加工，这样可以最大程度上减少由刀具引起的过切和干涉。
对于流道较窄的叶轮，在加工窄流道处时，可以适当选择锥度球头铣刀，可以有效的提高刀具的刚性。
流道粗加工过程去除主要加工余量，直接影响着精加工的效率和质量，提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。
叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布，切削过程中切削深度不断变化，刀具受力变化较为剧烈，大大缩短了刀具寿命，降低了加工质量，这需要合理规划加工轨迹。
整体叶轮加工实验说明书一、实验目的及要求通过对整体叶轮零件图样分析，掌握叶轮加工用工装的设计特点及定位和夹紧方法；掌握叶轮加工工序的安排以及每道工步所需刀具的种类、规格等；现场利用典型车床和五轴联动加工中心（转台+摆头）进行整体叶轮的加工实验，有助于加深了解并掌握整体叶轮的加工工艺特点。
二、实验注意事项1.实验前要认真复习教材中有关章节所讲内容，认真阅读实验指导书，确保叶轮加工工序安排的正确性，以避免不必要的损失等；2.实验时严格执行实验室的规章制度，严格按操作规程操作，注意现场操作安全；3.爱护实验仪器与设备，压紧用螺栓应避免用力过度加力；4.实验过程中严禁戏耍打闹，确保实验安全顺利完成。
三、整体叶轮加工工艺整体叶轮结构尺寸示意图如下图所示。
图1 整体叶轮整体叶轮的加工工序安排如下：1.下料根据零件尺寸，确定毛坯尺寸、类型、余量等。
如本实验叶轮加工用的圆柱型材等；2.车削加工中心：车定位基准面、钻削中心孔、零件外轮廓图2是叶轮在完成车削加工这道工序之后的剖视图。
一般情况下在车削加工中心上就可完成该道工序，为展示工序列划分，特将此道工序一分为二，分别如下：车削定位基准（普车）：先在车床上车削毛坯的B端面以及B端的外径，车削外径又分为粗车和精车两个工步（可加工倒角），再以此为定位基准，进一步加工叶轮中心孔（可用直径大的钻头手工去毛刺）。
叶轮中心孔一般先采用小直径钻头钻削加工，再采用大直径钻头钻削加工，最终完成中心孔的加工。
车削叶轮外轮廓（数车）：在车削过程中由右向左逐层车削，完成粗加工，再通过联动完成车削精加工；图2钻中心孔/车叶轮外轮廓3.加工中心：打B端面两处定位销孔图3是在加工中心上完成B端面两处定位销孔加工工序后的叶轮剖视图。
定位销孔的位置度需满足与工装的配合要求。
图3 打定位销孔4.检验：看毛坯尺寸及定位销孔是否符合要求5.五轴加工中心：铣整体叶轮，叶轮成型在五轴加工中心上完成整体叶轮流道粗加工、叶片精加工以及流道精加工三个工步。
整体叶轮的五轴数控编程与加工2009-04-13 15:13:17 作者：张家口煤矿机械制造高级技工学校任涛来源：《CAD/CAM与制造业信息化》杂志分享到:更多...叶轮又称工作轮，离心式压缩机中唯一对气流作功的元件，转子上的最主要部件。
一般由轮盘、轮盖和叶片等零件组成。
气体在叶轮叶片的作用下，随叶片作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮的压力得到提高。
对叶轮的基本要求是：1.能给出较大的能量源。
2.气体流过叶轮的损失要小，即气体流经过叶轮的效率要高。
3.气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小。
4.叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。
常分为闭式、半开式和开式叶轮。
叶轮的建模可分为轮毂曲面(Hub)以及叶片曲面(Blade)两部分,叶片又包含包覆曲面(Shr oudSurface)、压力曲面(Pressure Surface)和吸力曲面(Suction Surface)，如图1所示。
叶轮轮毂面及叶轮盖分别由叶片中性面根部曲线和叶片中性面顶部曲线绕Z轴旋转而成。
经过旋转轴Z的设计基准面为子午面。
中性面是处于叶片压力面和吸力面中间位置的曲面。
对于轮毂曲面和包覆曲面，可分别由叶片根部曲线和叶片顶部曲线绕Z轴回转而成，故在整体叶轮的建模过程之中，把叶片的建模放在轮毂曲面和包覆曲面建模之后。
叶轮类零件构成的一般形式是若干组叶片均匀分布在轮毂的曲面上。
一组叶片中可能只有一个叶片，也可能有若干个叶片。
前一种情况的叶片分布称为等长叶片，后一种的叶片形式主要指含有小叶片，一般称为交错叶片。
本例的整体叶轮产品效果，如图2所示。
一、整体叶轮结构加工工艺分析在本实例中，需要对整体叶轮的流道、叶片和圆角主要曲面进行加工，如图3所示。
另外，在叶片之间有大量的材料需要去除。
为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。
整体叶轮的加工工艺摘要：根据叶轮加工专业软件中NC 程序模块分类思路以及通用叶轮数控工艺的需求分析，在对某型叶轮进行五轴加工工艺编排过程中对此方法进行了工程试用，最后通过VIRICUT 加工仿真平台验证了叶轮工艺及特征分类方法的可行性和正确性。
关键词：叶轮；加工特征；加工模块1 引言随着航空发动机推重比的日益提高，在风扇与压气机中整体叶轮的结构得到越来越多的应用，其省去了连接用的榫头、榫槽，使零件数大为减少。
然而却带来单件结构复杂、刚性差、材料加工难度大、加工质量要求高，加工量大等一系列加工难点。
而且整体叶轮上的叶片往往由复杂的自由曲面经过三维扭曲组成，几何精度要求很高，因此对加工程序的编制提出了更高的要求。
如何快速地缩短我国叶轮加工工艺技术与发达国家的距离，研发我国自主版权的叶轮加工专业模块及软件，成为我国叶轮加工工艺技术研究中亟待解决的问题。
2 整体叶轮分类与CAD/CAM 系统结构目前航空发动机技术中所采用的整体叶轮按结构形式分为开式与闭式两种构型，开式叶轮按照气流的运行方式又可分为轴流式叶轮与离心式叶轮。
对于压气机转子和风扇等具有复杂曲面叶片叶轮的制造通常采用五轴数控铣削加工的方式实现其精度要求，较为成熟的工艺主要有：精锻毛坯+精密数控铣削加工；焊接毛坯+精密数控铣削加工。
采用通用加工软件对整体叶轮进行精密数控铣削加工的CAD/CAM 系统，如图2 所示。
图2整体叶轮的通用CAD/CAM 系统在通用加工软件中，首先根据叶轮图纸及型值点数据建立整体叶轮模型，之后对已有模型中的轮毂、流道、叶片等区域分别进行工艺编制和程序编写，并通过加工仿真验证程序的可行性，最后通过机床相应后置处理得到可以用于加工的NC 代码。
3 加工特征分类的整体叶轮加工工艺3.1 加工刀具的选择为了提高加工效率及保证刀具刚性，在叶轮的加工过程中应尽可能使用直径大的刀具。
通过UG 软件的距离分析功能可得被加工叶轮的叶片间距Lmin为8.2mm，为了保证半精加工余量δmax并为刀轴摆动角度预留空间，可以通过（1）式预估刀具直径，各参数定义，如图3所示。
闭式整体叶轮数控电解加工工艺试验研究数控组合电加工是一项将数控电解加工与数控电火花加工有机结合的新型工艺技术,既拥有数控电解加工的高效率,又拥有数控电火花加工的高精度、高稳定性,使得该技术在闭式整体叶轮的加工中发挥了独特的作用,越来越多地应用于具有复杂型面、封闭结构的叶轮加工。
其中,数控电解加工成为提高闭式整体叶轮组合电加工的加工效率,降低生产成本的关键工艺。
本文以某型三元流闭式整体叶轮为研究对象,开展了数控电解加工工艺试验研究,具体研究内容如下:1)通过三元流闭式整体叶轮的三维造型,对其叶间气流通道进行分析,提出了多阴极组合数控电解加工方案,并根据此方案设计出阴极及其运动轨迹。
2)在电解加工仿真工具上,进行了加工过程仿真,检验阴极型面及其运动轨迹是否符合设计需求,加工过程是否产生干涉。
通过电解加工过程仿真,对阴极及其运动轨迹进行修正,减少了试验反复次数,缩短了工艺准备时间。
3)通过一系列工艺试验优选加工工艺参数,并对阴极型面进行优化处理,使其符合实际加工应用。
针对工艺试验中出现的问题,提出在叶轮毛坯上加工工艺预孔,改善了流场。
最终完成了三元流闭式整体叶轮的数控电解预加工。
基于UG NX6.0的整体叶轮数控加工仿真校验与后置处理4.4.1 整体叶轮数控加工路径规划叶轮整体数控铣削加工是指轮廓与叶片在同一毛坯上铣削加工成形。
其加工过程大致包括以下几个主要工序：1.粗加工叶轮流道曲面；2.粗加工叶片曲面；3.叶片精加工；加工。
下面对其路径规划方法分别讨论。
1)创建整体叶轮数控加工父级组。
打开已经建构的整体叶轮三维CAD文件，进入UG加工界面，选择“mill_muti-axis(多轴铣削)”CAM加工配置模板，先后创建程序组、几何组、刀具组和方法组，为下面的加工仿真做准备，具体如下：a.创建程序组。
程序组是用于组织各加工操作和排列各操作在程序中的次序。
由于在单个叶片的多轴加工程序编制后，要使用旋转复制功能生成其余叶片的加工程序，因此这里先采用UG 缺省的程序组，待全部叶片加工程序完成后再统一修改、管理。
b.创建几何组。
在“导航器”中选择“几何视图”功能，进入几何视图工作界面，设置叶轮的圆柱圆心点为加工坐标系位置（双击MCS_MILL 在CSYS 状态下单击点对话框将捕捉类型设置为“圆弧中心/椭圆中心/球心”并将加工坐标系移至到圆心点），如图4.11所示；在铣削几何体中选择已经车削完成的回转体作为毛坯几何体，如图4.12所示c.创建刀具组根据前面已经确定的刀具类型和相关刀具参数，利用“创建刀具”功能，分别创建粗、精加工刀具，并且从内定库中检索刀具夹持器，创建刀具夹持器，本文中选取了库代号为“HLD001_00041”的刀具夹持器。
由于上一节中对刀具选择已作了比较详细的论述，这里不再重复，且此步的操作比较简单。
e.创建方法组由于叶片及流道曲面加工采用了表面积驱动方法，不便设置统一的加工余量、几何体的内外公差、切削步距和进行速度等参数，先选用内定的“METHOD ”加工方法，可根据需要再设置上述加工参数。
2)粗加工叶轮流道曲面通过可变轮廓铣程序控制驱动方法和刀具轴，根据叶轮流道曲面的加工要求创建多轴联动粗加工程序。
多叶片复杂曲面零件的设计与五轴模拟加工1.1 加工任务整体叶轮的零件视图如图1所示图1 叶轮零件针对本零件，本例中将进行叶轮底部圆弧面的加工。
此工件的毛坯为圆棒料，材料牌号为钛合金TC4.采用专用的夹具将其底面固定安装在机床C轴上。
本例中我们将完成叶轮圆弧底面的精加工。
1.2 加工工艺方案通常情况下，在大部分制造场合，单片叶轮的叶片多采用锻造方式做成毛坯，整体式叶轮类零件的毛坯多采用铸造的方式形成，然后采用3～5轴数控机床进行半精加工或精加工，特殊情况下可能还采用人工抛光的方法，形成最后的精加工。
本例中，我们就介绍整体式叶轮在5轴数控机床上的精加工工作。
（1）刀具选择：R4的球头棒铣刀（或选用锥度球头铣刀）（2）加工坐标原点的设置：工件零点取在叶轮圆弧底面大圆140的圆心点上。
（3）加工设备：五轴联动数控机床。
1.3 编程操作(设置零件加工程序)在UG NX4软件系统中对此零件进行编程的操作步骤如下：1.建立刀具路径文件夹（1）单击菜单栏中的“文件”→“打开”命令，从UG NX4文件浏览器窗口选择“train11.prt”文件并单击“确定”按钮将其打开，如图2所示。
图2 在UG NX4 中进入造型文件的NX加工界面（2）选择加工环境1)单击（起始）图标，单击“加工”命令，弹出“加工环境”对话框。
如图3所示。
2）在“CAM进程配置”列表框中选择“mill→multi→axis”，结果如图4所示。
图3“加工环境”对话框图4选择多轴铣加工配制3）在“CAM设置”列表框中选择“mill→multi→axis”，单击“初始化”按钮，进入加工过程的创建界面，弹出如图5所示的“加工创建”工具栏。
2. 创建加工方法（1）单击“加工创建”工具栏中的（创建方法）工具，弹出“创建方法”对话框，如图11→6所示。
图5“加工创建”工具栏图 6“创建方法”对话框（2）在“类型”下拉列表框中选择“mill→multi→axis”（3）在“父级组”下拉列表框中选择“MILL→FINISH”。
高效数控加工技术整体叶轮
整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，满足叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。
整体叶轮的数控加工工艺过程主要有6 大步骤：(1)锻造毛坯;(2) 数控车削粗加工出回转体形状;(3)五轴数控机床铣削加工叶片型面;(4)轮毂表面数控车削精加工;(5)叶片型面的光整加工(砂带磨削、手工抛光);(6)其间穿插多次热处理和检验工序。
其中，五轴数控机床铣削加工叶片型面工序由以下工步组成：(1) 气道开槽粗加工;(2)气道扩槽粗加工;(3)叶片型面粗加工;(4)气流通道扩槽铣削半精加工;(5)叶片曲面的铣削半精加工;(6)气流通道扩槽铣削精加工;(7)叶片曲面的铣削精加工;(8)叶片及轮毂之间的清根铣削。
五轴铣削加工的几个关键工序分析
开槽加工及切削方向的确定:叶轮的毛坯为回转体形状，叶片间
的气道经粗加工开通，形成通道，为加工叶片做好准备。
开槽加工中槽的位置宜选在气流通道的中间位置，多分为上下两个部分加工，应注意两部份刀路衔接问题。
刀路平行于气流通道，并保证槽底与轮毂表面留有一定的加工余量。
一般采用圆
柱形玉米铣刀或圆柱形立铣刀铣削加工，由于气道宽度不等，所以在刀具直径方面应在下部宽阔处采用大直径刀具、上部狭窄处采用小直径刀具的方法，如图2 所示。
叶轮气道的扩槽粗加工及叶型粗加工:采用球头铣刀，扩槽及轮
毂底面粗加工在一次加工中完成，且叶型的粗加工一并完成，可以提高工作效率。
走刀方式与开槽加工方式相同。
从开槽位置开始，从中心向。
叶轮加工说明整体叶轮作为航空、航天、机械、化工等行业的透平机械中的关键零件应用越来越广泛。
【整体叶轮的加工难点】1、三元整体叶轮的形状复杂，其叶片多为非可展扭曲直纹面，只能采用五坐标以上的机床进行加工；金属加工微信，内容不错，值得关注。
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、由于整体叶轮叶片的厚度较薄，在加工过程中存在比较严重的弹塑性变形；4、刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。
【叶轮加工刀具和刀柄的选择】A.刀具的选择1、为提高加工时效，应尽量选用大的球头刀来进行叶片的粗加工，并采用多刃铣刀，这样可以提高加工效率；2、在刀具结构类型的选择上，为了提高刀具刚性，除了尽可能的采用大直径的刀具外，还应该尽可能的使用带有锥度的球头刀；3、刀具材料的选择，需要根据不同的工件材料来确定加工刀具的材料，是否需要使用带涂层的刀具等等。
B.刀柄的选择数控机床刀具刀柄的结构形式分为整体式与模块式两种。
整体式刀柄其装夹刀具的工作部分与它在机床上安装定位用的柄部是一体的。
这种刀柄对机床与零件的变换适应能力较差。
为适应零件与机床的变换，用户必须储备各种规格的刀柄，因此刀柄的利用率较低。
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模块式刀具系统是一种较先进的刀具系统，其每把刀柄都可通过各种系列化的模块组装而成。
针对不同的加工零件和使用机床，采取不同的组装方案，可获得多种刀柄系列，从而提高刀柄的适应能力和利用率。
刀柄结构形式的选择应兼顾技术先进与经济合理,叶轮加工刀柄的选择可分为弹簧夹头刀柄和侧固式刀柄，弹簧夹头刀柄的夹紧力是通过螺母套的增力作用产生对弹簧足够大的轴向推动力以实现对刀具的装夹，这样在切屑力比较大的情况下可能会出现弹簧松动而引起掉刀现象的发生。
侧固式刀柄由于是产生的是侧向锁紧力，不会在加工过程中出现由于刀具松动引起的过切现象。
电解加⼯整体叶轮设计说明书摘要：由于整体叶轮叶⽚⼯作表⾯为空间⾃由曲⾯，形状复杂，精度要求⾼，同时为适应⾼温、⾼压、⾼转速的⼯作条件，通常选⽤钛合⾦、硬质合⾦等⾼性能材料。
这些材料极难切削，使得其加⼯⼜成为世界级的技术难题。
电解加⼯与数控技术相结合的数控电解磨削加⼯技术，能综合发挥计算机数控和电解加⼯的技术优势。
利⽤PowerMill软件设计⼑具路径，并通过此软件⾃动⽣成程序。
这在材料难切削、叶⽚形状复杂的整体叶轮制造中显⽰了其优势所在。
关键词：硬质合⾦电解加⼯电解磨削优势Abstract：The surface of integral impeller blades is free-form. The shape is complex, and it also has high precision. And in order to adapt to the working conditions with high temperature, high pressure, high speed, we usually choose high performance materials, for example, Titanium alloy and Hard alloy. These materials are extremely difficult to cut, so the processing has become a world-class technical problems. Electrochemical machining with CNC technology combined with the CNC Electrochemical Grinding Technology can play a computer numerical control, and integrated the technological advantages of ECM. Using PowerMill software to design tool the path and generating program automatically by the software. cutting materials difficulty and the complexity of the overall shape of the impeller blade manufacturing shows its advantage. Key words：Hard alloy ECM Electrolytic grinding advantage⽬录摘要 (1)Abstract (1)第⼀章绪论 (4)1.1整体叶轮加⼯的基本概况 (4)1.2整体叶轮的加⼯⽅法 (4)1.3电解加⼯的概况 (5)1.3.1电解和电解加⼯ (5)1.3.2电解磨削的基本原理和特点 (6)1.3.3电解加⼯的发展和应⽤ (6)1.4电解参数的选择原则 (7)1.4.1电解参数的影响 (7)1.4.2电解液的选择 (8)1.4.3⼯艺参数的选择原则 (9)1.4.4加⼯材料介绍及性能 (9)第⼆章数控电解磨削加⼯的基础设备 (10)2.1数控电解机械复合铣削加⼯的试验设备 (10)2.1.1五轴数控电解机械复合加⼯机床本体 (10)2.1.2五轴数控电解机械复合铣削加⼯机床的防护系统设计 (11)第三章电解参数的设定 (12)3.1 开粗加⼯参数 (12)3.1.1温度的设定 (12)3.1.2电压的设定 (13)3.1.3电解液压⼒的设定 (13)3.1.4主轴转数的设定 (14)3.2 精加⼯参数 (15)第四章⼯艺和编程 (16)4.1 PowerMill的概况 (16)4.2 PowerMill软件加⼯步骤 (17)4.2.1⼑具定义 (17)4.2.2开粗加⼯ (17)4.2.3叶⽚精加⼯ (18)4.2.4轮毂精加⼯ (21)4.2.5 通过后置处理产⽣NC程序 (23)第五章叶轮的实际加⼯ (24)5.1实际加⼯ (24)5.2加⼯过程中突发情况的处理 (24)致谢 (26)主要参考⽂献 (27)第⼀章绪论1.1整体叶轮加⼯的基本概况整体叶轮加⼯是指轮毂和叶⽚在同⼀⽑坯上进⾏的整体加⼯，由于叶⽚形状复杂扭曲使得叶轮的整体加⼯具有很⼤的难度。
基于UG的发动机整体叶轮数控编程研究收藏此信息打印该信息添加：用户投稿来源：未知整体叶轮作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节。
但是由于整体叶轮结构的复杂性，其数控加工技术一直是制造行业的难点。
以典型的CAD/CAM软件——UG，编制出深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机的转子的五坐标加工程序，并在MIKRON HSM400U五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控加工方案及程序的可行性。
该加工件已经用于微型发动机中进行试车实验。
1 前言整体叶轮作为透平（Turbine）机械的关键部件，广泛地用于航空、航天等领域，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。
因此它的加工技术一直是透平制造行业中的一个重要课题。
目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件[1]，主要有美国NREC公司的MAX -5，MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有H ypermill等专用的叶轮加工软件。
此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E等也可用于整体叶轮加工。
目前，国内只有少数几家企业（如：西北工业大学等院校和航空航天系统一些发动机专业厂、专业所）可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有很大差距。
总体上我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距，很多企业的软、硬件都依靠进口，自主版权的软件在生产中未见推广应用，在窄槽道、小轮毂比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关，因此研究高性能叶轮的加工技术势在必行。
2 整体叶轮的CAD/CAM系统结构图整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。
五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。
基于UG NX6.0的整体叶轮的多轴加工技术摘要：叶轮加工是当今多轴联动数控加工最常见的实例，也是数控加工的难点之一。
本文详细地介绍了叶轮加工的全过程及加工过程的注意事项，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：UG；整体叶轮；多轴加工Multi Axis NC Machining for Whole Impeller Based on UG NX4.0The machining for whole impeller is very universal today, and how to machine it effectively and accurately has been a chanllenge in cnc machining. It has been introduced detailedly the whole process of machining for the impeller in this paper. it can give a good advice to machining the complex part in the multi-axis NC.Key words: UG; whole impeller; multi axis machining引言作为动力机械的关键部件,整体式叶轮广泛应用于航天航空等领域,其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。
叶轮的加工质量直接影响整机的动力性能和机械效率,数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。
整体叶轮的加工难点主要表现在: ①三元整体叶轮的形状复杂,其叶片多为非可展扭曲直纹面。
②整体叶轮相邻叶片的空间较小,而且在径向上设有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较困难[ 1 ] 。
整体叶轮加工实验说明书一、实验目的及要求通过对整体叶轮零件图样分析，掌握叶轮加工用工装的设计特点及定位和夹紧方法；掌握叶轮加工工序的安排以及每道工步所需刀具的种类、规格等；现场利用典型车床和五轴联动加工中心（转台+摆头）进行整体叶轮的加工实验，有助于加深了解并掌握整体叶轮的加工工艺特点。
二、实验注意事项1.实验前要认真复习教材中有关章节所讲内容，认真阅读实验指导书，确保叶轮加工工序安排的正确性，以避免不必要的损失等；2.实验时严格执行实验室的规章制度，严格按操作规程操作，注意现场操作安全；3.爱护实验仪器与设备，压紧用螺栓应避免用力过度加力；4.实验过程中严禁戏耍打闹，确保实验安全顺利完成。
三、整体叶轮加工工艺整体叶轮结构尺寸示意图如下图所示。
图1 整体叶轮整体叶轮的加工工序安排如下：1.下料根据零件尺寸，确定毛坯尺寸、类型、余量等。
如本实验叶轮加工用的圆柱型材等；2.车削加工中心：车定位基准面、钻削中心孔、零件外轮廓图2是叶轮在完成车削加工这道工序之后的剖视图。
一般情况下在车削加工中心上就可完成该道工序，为展示工序列划分，特将此道工序一分为二，分别如下：车削定位基准（普车）：先在车床上车削毛坯的B端面以及B端的外径，车削外径又分为粗车和精车两个工步（可加工倒角），再以此为定位基准，进一步加工叶轮中心孔（可用直径大的钻头手工去毛刺）。
叶轮中心孔一般先采用小直径钻头钻削加工，再采用大直径钻头钻削加工，最终完成中心孔的加工。
车削叶轮外轮廓（数车）：在车削过程中由右向左逐层车削，完成粗加工，再通过联动完成车削精加工；图2钻中心孔/车叶轮外轮廓3.加工中心：打B端面两处定位销孔图3是在加工中心上完成B端面两处定位销孔加工工序后的叶轮剖视图。
定位销孔的位置度需满足与工装的配合要求。
图3 打定位销孔4.检验：看毛坯尺寸及定位销孔是否符合要求5.五轴加工中心：铣整体叶轮，叶轮成型在五轴加工中心上完成整体叶轮流道粗加工、叶片精加工以及流道精加工三个工步。
需要做个叶轮的工装以避让主轴，工装要保证叶轮在加工过程中的定位要求（移动，旋转），设计的工装如图4所示。
图4 叶轮工装6.检验：检验叶轮精度是否满足要求7.车削加工：平叶轮B端面车削整体叶轮B端面，目的是平掉B端面两处定位销孔，最终形成整体叶轮，如图5所示。
图5整体叶轮示意图8.最终检验：出具详细的检验报告9.包装、入库四、实验用仪器设备1.数控车床一台；2.五轴联动加工中心一台；3.试件一批（φ240mm×110mm，约12件，普通铝件）；4.整体叶轮安装等所用工具；5.计算机。
五、实验内容在学生了解并掌握整体叶轮加工工序安排的基础上，本实验以整体叶轮加工过程为主要内容，让学生直观的了解整体叶轮在数控车床、五轴机床上的装夹、找坐标系、对刀及加工过程等。
车床：1.叶轮毛坯的装夹、车叶轮定位基准；2.采用新车的定位基准重新装夹叶轮，车叶轮外轮廓，一般情况下留余量0.5mm；3.叶轮打中心孔五轴加工中心：1.叶轮装夹在叶轮中心孔穿一个螺栓，用螺帽将叶轮压在工装上（注意叶轮与工装接触面上有定位双销孔），然后将工装再装夹在工作台上。
2.找坐标系通过五轴机床自带的三坐标测头（雷尼绍3D quick set）直接测量工件坐标系，测量完成后系统自行设定坐标系。
3.对刀通过五轴机床自带的雷尼绍机内对刀仪，自动对刀，自动补偿刀具长度/刀具半径。
4.叶轮加工➢粗加工流道：采用φ16的球头铣刀，粗加工流道，叶片和流道分别预留0.5mm的余量；➢精加工叶片：采用φ8的球头铣刀，以侧刃加工模式，精铣叶片成型；➢精加工流道：采用φ8的球头铣刀，以双向流线加工模式，精铣流道面成型。
六、实验基础知识扩充1.下料下料一般是指确定制作某个设备或产品所需的材料形状、数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。
2.车削加工车削加工是指在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。
车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。
它适于加工回转表面，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等。
车床既可用车刀对工件进行车削加工，又可用钻头、铰刀、丝锥和滚花刀进行钻孔、铰孔、攻螺纹和滚花等操作。
按工艺特点、布局形式和结构特性等的不同，车床可以分为卧式车床、落地车床、立式车床、转塔车床以及仿形车床等，其中大部分为卧式车床。
数控车床一般是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应合理选择切削用量、合理选择刀具、合理选择夹具、确定加工路线、加工路线与加工余量的联系和夹具安装要点等几个方面。
车削加工也具有通用工艺守则，如车刀的装夹守则、工件的装夹守则和车削加工守则。
车刀的装夹应遵循以下守则：1）车刀刀杆伸出刀架不宜太长，一般长度不应超出刀杆高度的1.5倍（车孔、槽等除外）；2）车刀刀杆中心线应与走刀方向垂直或平行；3）刀尖高度的调整：车端面、车圆锥面、车螺纹、车成形面及切断实心工件时，刀尖一般应与工件轴线等高；粗车外圆、精车孔、刀尖一般应比工件轴线稍高；车细长轴、粗车孔、切断空心工件时，刀尖一般应比工件轴线稍低；4）螺纹车刀刀尖角的平分线应与工件轴线垂直；5）装夹车刀时，刀杆下面的垫片要少而平，压紧车刀的螺钉要旋紧；工件的装夹应遵循以下守则：1）用三爪自定心卡盘装夹工件进行粗车或精车时，若工件直径小于30㎜，其悬伸长度应不大于直径的5倍，若工件直径大于30㎜，其悬伸长度应不大于直径的3倍；2）用四爪单动卡盘、花盘，角铁（弯板）等装夹不规则偏重工件时，必须加配重；3）在顶尖间加工轴类工件时，车削前要调整尾座顶尖轴线与车床主轴轴线重合；4）在两顶尖间加工细长轴时，应使用跟刀架或中心架。
在加工过程中要注意调整顶尖的顶紧力，死顶尖和中心架应注意润滑；5）使用尾座时，套筒尽量伸出短些，以减少振动；6）在立车上装夹支承面小、高度高的工件时，应使用加高的卡爪，并在适当的部位加拉杆或压板压紧工件；7）车削轮类、套类铸锻件时，应按不加工的表面找正，以保证加工后工件壁厚均匀。
车削加工应遵循以下守则：1）车削台阶轴时，为了保证车削时的刚性，一般应先车直径较大的部分，后车直径较小的部分；2）在轴得工件上切槽时，应在精车之前进行，以防止工件变形；3）精车带螺纹的轴时，一般应在螺纹加工之后再精车无螺纹部分；4）钻孔前，应将工件端面车平，必要时应先打中心孔；5）钻深孔时，一般先钻导向孔；6）车削（Φ10—Φ20）mm的孔时，刀杆的直径应为被加工孔径0.6-0.7倍；加工直径大于Φ20mm的孔时，一般应采用装夹刀头的刀杆；7）车削多头螺纹或多头蜗杆时，调整好交换齿轮后要进行试切；8）使用自动车床时，要按机床调整卡片进行刀具与工件相对位置的调整，调好后要进行试车削，首件合格后方可加工；加工过程中随时注意刀具的磨损及工件尺寸与表面粗糙度；9）在立式车床上车削时，当刀架调整好后，不得随意移动横梁；10）当工件的有关表面有位置公差要求时，尽量在一次装夹中完成车削；11）车削圆柱齿轮齿坯时，孔与基准端面必须在一次装夹中加工，必要时应在该端面的齿轮分度圆附近车出标记线。
3.数控加工中心加工中心是从数控铣床发展而来的。
加工中心是带有刀库，可在一次装夹中通过换刀装置改变主轴上的加工刀具，能够在一定范围内对工件进行多工序加工的数字控制机床。
加工中心的综合加工能力较强（主要体现在它把铣削、镗削、钻削等功能集中在一台设备上），工件在一次装夹后，按照不同的工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能完成较多的加工内容，加工效率和加工精度均较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的5～10倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。
加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。
通常可按照主轴与工作台的相对位置将加工中心分卧式加工中心、立式加工中心、复合加工中心和万能加工中心。
此外，也可按照立柱的数量将加工中心分为单柱式和双柱式加工中心；也可按照工作台的数量和功能将加工中心分为单工作台加工中心、双工作台加工中心和多工作台加工中心；也可按照加工精度将加工中心分为普通加工中心和高精度加工中心。
加工中心适宜于加工形状复杂、工序多、精度要求较高、需要多种类型的普通机床和众多刀具夹具，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。
其加工的主要对象有箱体类零件，盘、套、板类零件，外形不规则零件，复杂曲面，刻线、刻字、刻图案以及其他特殊加工。
与其它机床相比，加工中心具有如下特点：1、零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等；2、加工质量稳定可靠，加工精度高，重复精度高；3、能加工其它机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件；4、能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件；5、多品种、小批量生产情况下生产效率较高，能减少生产准备、机床调整和工序检验的时间，而且由于使用最佳切削量而减少了切削时间；6、生产自动化程度高，可以减轻操作者的劳动强度，有利于生产管理自动化。
七、程序编制（学生自学）通过对叶轮零件数控加工工艺过程分析，先确定叶轮毛坯、加工方法及所使用的刀具类型和机床类型、夹具、工艺基准，再确定零件的数控加工工艺路线，最后确定刀具的进给路线和加工工艺参数。
针对叶轮的车削加工，图5示出了叶轮外轮廓的粗精加工走刀路线，其加工过程和加工效果如图6所示。
图5叶轮外轮廓车刀路径a) 完成叶轮外轮廓粗加工b) 完成叶轮外轮廓精加工图6 车叶轮外轮廓过程部分效果图在车削外轮廓完成后，需要将车床的主轴旋转一个方向并换上钻刀，进行叶轮的中间孔加工，先采用小直径钻刀进行加工，再采用大直径钻刀进行加工。
家庭效果如图7所示。
图7 叶轮钻孔加工示意图根据机床坐标系、刀具、加工方法等信息创建几何组、刀具组和加工方法组（在加工方法里面需设置切削余量，粗加工余量依次设为0.5mm），进一步创建、设置并生成具体的加工工序（如图8），加工工序设置的内容主要有指定加工切削区域、驱动方法、投影矢量、刀具、刀轴、刀轨等参数。
图8叶轮加工的路径为方便给学生讲解叶轮的加工工序安排及叶轮加工现场演示，将一个班级分为三组，每组约十人左右，因此叶轮也需要分为三次完成加工，每次分工的内容如下：第一次：叶轮的4个流道要完成粗、精加工，5个叶片要完成粗、精加工，刀具路径规划见图9所示，仿真效果图如图10所示；图9第一次刀具路径规划图10第一次仿真效果图第二次：叶轮的5个流道要完成粗、精加工，5个叶片要完成粗、精加工，刀具路径规划见图11所示，仿真效果图如图12所示；图11第二次刀具路径规划图12第二次仿真效果图第三次：叶轮的6个流道要完成粗、精加工，5个叶片要完成粗、精加工，刀具路径规划见图13所示，仿真效果图如图14所示；图13第三次刀具路径规划图14第三次仿真效果图思考题（1）叶轮加工工序有哪些？如何安排这些工序？（2）叶轮的每道工序需要在什么类型的设备上完成加工？哪些工序能集中到一台机床上进行加工？（3）叶轮的哪些工序可进一步分多个工步？具体工步有哪些？（1）叶轮加工是否需要工装，什么样的工装能满足加工要求？实验报告要求：根据自己对叶轮从毛坯到成型的理解，请学生提前编制一套整体叶轮的加工工序，并给出每道工序需要做的内容。
