摘要：以带有两级叶片整体式小型叶轮为例，基于UGNX7.5平台建立其三维模型;通过软件加工模块中的各类功能，设计了全部加工刀路;接着采用符合实际情况的机床模型展开了切削仿真试验研究与设计优化;最后在试切环节验证了刀轨的正确性。该研究表明：在小型整体叶轮零件加工中，刀轨设计结果与机床实际运动轨迹不完全一致，通过机床切削仿真对刀轨设计进行验证，能够最大程度的发现和修正刀轨设计中存在的问题及错误，是一种高效、可靠的设计方法。
关键词：叶轮;加工;可变轮廓铣削;刀轨设计;切削仿真
0引言
整体式叶轮作为透平类机械中的核心部件，普遍具有多次自由曲面叶形、叶片间流道具有狭窄变截面特征等特点，同时具有较高的尺寸公差和形位公差要求，其加工制造对工艺技术提出了很高要求，以往依靠人工数控编程的方式很难满足其加工要求。
近几年来，随着国内外CAD/CAM编程技术的快速发展，使多轴联动叶轮铣削加工技术走向了工程应用阶段。本文以某种小型整体式叶轮为例，在对其工艺特点进行仔细分析的基础上，设计了相应的工艺方案，并以UGNX7.5软件为平台进行了刀具路径设计、机床代码仿真等工作，通过反复仿真迭代，对刀具路径进行了多次优化，最终加工出复合要求的叶轮零件。
1叶轮工艺分析
1.1结构工艺性分析
本文选取的叶轮外形如图1所示。材料选择2A12-T4铝材，较易切削。其整体结构呈现为带有一级(较大叶片)、二级(较小叶片)叶片间隔均布的回转体结构，其加工难点主要有以下几点：
轮毂外圆上均匀布置有若干多次曲线控制的曲面，构成其叶片外形，叶片根部圆角1mm，相邻两片叶形之间最小间距3mm，且叶片之间形成了变截面流道，流道深度最大达到34mm。致使刀具的活动空间极小且刀具长径比较大，对加工刀路、刀具提出了较高要求;
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叶片平均厚度小于1mm，且叶片长度较长，因此叶片整体刚度较低，切削过程中易发生形变
综上分析，该型叶轮加工方案必须从材料、刀具、刀路规划、切削参数等方面综合考虑，经过仿真验证提炼出合理的加工方案。
1.2刀具设计方案
针对叶轮的结构特点，我们采用球头锥面硬质合金铣刀，分别设计定制两种规格的铣刀进行半精、精加工，锥角5°，球头直径分别为Φ3、Φ2，最大直径Φ10。
2叶轮加工方案
加工设备选择DMGDMU-80P五轴单转台加工中心，工艺路线设定如图2所示。
由于该产品叶片结构较薄，相邻两一级叶片间还存在二级叶片，造成流道间距狭窄。而刀具在有限范围内又必须有一定的活动空间，以便于联动加工时刀具立卧角度调整和进退刀调整，因此在流道开粗时必须综合考虑以上因素，为半精、精加工留出合适的加工余量。本文将粗加工后余量设定为0.3mm，半精加工后余量设定为0.1mm;粗加工采用普通硬质合金铣刀进行开粗，半精加工采用定制Φ3球头锥面铣刀进行加工。
3加工刀路设计规划
3.1粗铣叶轮
叶轮粗车工序完成后，采用UGNX7.5软件的CAM模块，进行粗铣刀轨设计。软件具有多种加工模块，包括通用模块和专用模块，以满足各种阶段的加工需求。在粗铣叶轮时，采用3+2定轴加工即可。采用型腔铣(CAVITY_MILL)模块进行有关切削参数设置，切削模式采用轮廓铣削，每刀切深0.5mm，使用Φ6、Φ4硬质合金铣刀依次进行流道开粗，余量分别设置为0.4mm、0.3mm。
需要注意的是，在该工序需要将相邻叶片间距最小处的材料进行去除(Φ4整体铣刀无法清除)，否则在精铣阶段将对小直径球头铣刀的切削轨迹产生较大影响，形成障碍，这里采用可变轮廓铣(VARIABLE_CONTOUR)模块进行粗铣阶段残留去除，驱动方法采用曲线驱动，使用Φ3球头锥面铣刀进行残余去除，这样便可最大限度的去除余量，同时巧妙避让叶片表面区域。开粗铣刀轨迹及去残余量去除设置如图3所示。
3.2精铣叶轮
在精车工序后，叶轮进入精铣工序。在该工序首先采用多轴铣削模块进行半精加工，这里对单个流道单元进行区域划分为两部分，叶片侧面驱动方法为曲面驱动，步距数50;底面驱动方法采用流线驱动，流曲线选择底面长边界，步距数15。两种操作均选择Φ3球头锥铣刀进行加工，余量设置为0.1mm。两种驱动方法设置以及刀轨示意如图4所示。
半精刀轨设置完成后进行精铣刀轨设置，同样采用多轴铣削模块进行设置，此处刀轨设置与半精加工刀轨设置类似，但步距数需加倍，同时换用Φ2球头锥铣刀进行加工，从而令流道获得较高的表面质量。
4机床切削仿真研究
在刀路设计完成后，以基于DMGDMU-80P加工中心建立的机床数字模型为基础，利用NX7.5带有的机床切削仿真功能，可以对刀轨设计的合理性与安全性进行验证并优化，这里对仿真过程进行简要介绍。
首先，在加工模块中将前期设计好的机床数字模型进行加载，在对切削条件进行测量，对分度头位置、形状尺寸，刀具卡头尺寸等进行确认后，就可在机床模型中进行工件的定位，这样就完成了仿真前的模型加载以及工件定位。加载定位完成后的模型如图5所示。
机床加载完成后，即可开始机床仿真相关设置。打开“仿真控制面板”后，勾选“显示3D材料移除”，可视化中选择机床代码仿真功能，便可以开始仿真过程，在仿真中出现任何错误或碰撞，系统都会进行提示并记录，需要注意的是，在仿真过程中，由于本例切削区域均为片体，在切削过程中，如果存在过切现象，系统并不会完全进行提示，因此在每次仿真结束后，需将切削结果与最终模型进行比对，从而找出过切部位，继而进行刀轨优化设计。仿真相关设置面板如图6所示。
在仿真过程中发现，机床进刀、退刀轨迹在仿真过程中与刀轨设计结果并不完全一致。例如，在可变轮廓铣削叶片流道侧面过程中，刀具退出流道区域时，立卧状态变化从卧式转为立式，刀轨设计为定角度卧式退出，而在仿真中表现为刀具卧式退出时在流道区域内就开始调整角度至卧式状态，导致刀具侧刃对流道表面过切。在仔细调整退刀相关设置后，我们发现，退刀高度是影响该问题的关键参数，退刀深度由40mm逐渐调整至120mm后，过切现象消除。退刀设置及效果调整效果对比如图7及表1所示。
通过多次的仿真实验，我们对刀轨设计中的问题进行了局部修正与优化，最终得到了较为理想的刀轨设计方案。
最后，利用NX中的后置处理程序生成了加工程序。程序代码示意如图8所示。
5程序试切验证
通过试切，后处理生成的粗铣、精铣程序得到了完整的试验验证。试切过程中，刀具实际运动轨迹与机床仿真过程一致。试切过程如图9所示。
6结语
通过刀轨设计与机床仿真相互结合的研究方法，对叶轮的加工研究我们得到以下结论：
1)通过刀轨设计生成的刀具移动轨迹并不是加工过程中的刀具实际运动轨迹，针对不同的加工设备刀具实际运动轨迹会有相应变化，这点需要格外注意;
2)通过进行机床仿真，能够最大程度的反映刀轨设计中存在的问题及错误，有效提高了CAM设计的效率，是一种十分有效的仿真试验方法。——论文作者：马晨，郭志伟，孙建邦，雷仁鹏，刘强
