0 前言
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。从整体式叶轮的几何结构和工艺过程可以看出[1]，加工整体式叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻的叶片之间空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求，而且由于叶片的厚度有所限制，所以还要在实际加工中注意轨迹规划以保持加工的质量[1]。目前，我国大多数生产也轮的厂家多数采用国外大型CAD/CAM软件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等。本文选用目前流行且功能强大的UG NX3.0对复杂曲面整体叶轮进行加工轨迹规划。
1 整体叶轮数控加工工艺流程规划
根据叶轮的几何结构特征和使用要求（如图1），其基本加工工艺流程为：1）在锻压铝材上车削加工回转体的基本形状；2）开粗加工流道部分；3）半精加工流道部分；4）叶片精加工；5）对倒圆部分进行清根。
图1. 叶轮的基本几何特征
1.1 刀具的选择
为提高加工效率，在进行流道开粗和流道半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀，但是也要注意使刀具直径2R1min小于两叶片间最小距离L1min，L1min的大小可以根据UG NX 3.0软件的分析（Analysis）功能测得。
R1min<L1min/2
在叶片精加工过程中，应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀，即保证刀具半径R2min大于流道和叶片相接部分的最大倒圆半径rmax。
R2min>rmax
在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时，选择的刀具半径R3min小于流道和叶片相接部分的最小倒圆半径rmin。
R3min<rmin
1.2 驱动方法选择
本文将基于UG NX 3.0重点介绍流道开粗、流道半精加工、叶片精加工和倒圆部分清根的加工轨迹规划方法。
1.2.1 流道开粗加工
根据整体叶轮流道部分的几何特征，流道开粗可采用分层渐进（multi-depth）的方法[2]，将流道部分的总加工余量根据叶轮和刀具材料的力学性质以及进给速度等分成若干层进行加工。所分层数和每层的加工余量应该根据总加工余量的最大厚度部分来进行合理分配。采用分层渐进方法进行流道开粗时，选择流道的各个分层面为驱动几何面（Drive Geometry），叶片面和轮毂面为干涉检查面（check），可采用的驱动方法为插补方式（Interpolate）或相对于驱动面方式（Relative to Drive）。
此外，也可采用型腔铣（mill_contour）方法对流道进行开粗，从两个不同的方向对流道进行型腔铣开粗。相对于分层渐进法，此方法开粗效率高、加工质量稳定，但是开粗后剩余加工余量大，应根据实际情况合理选择。
1.2.2流道半精加工
根据流道面的几何特征，选择流道面为驱动面，叶片面和轮毂面为干涉检查面(如图2)，可采用的驱动方法为插补方式（Interpolate）或相对于驱动面方式（Relative to Drive），并且在规划加工轨迹时轨迹应根据流道的几何特征和使用要求合理设定倾斜角度。
图2.流道半精加工中干涉面的选择
1.2.3叶片精加工
根据叶片面的几何特征，选择一个叶片面为驱动面，流道面、其他相邻叶片面和轮毂面作为干涉检查面，可采用的驱动方法为直纹面驱动方式（Swarf）、指向点驱动方式（Toward to Point）或相对于驱动面方式（Relative to Drive，如图3）。
图3. 采用相对于驱动面方式规划叶片加工轨迹
1.2.4倒圆部分清根
选择倒圆部分为驱动面，流道面、相邻叶片面和轮毂面作为干涉检查面，可采用的驱动方法为相对于驱动面方式（Relative to Drive），并注意合理设定倾斜角度和加工余量。
此外，还需要根据叶轮的几何特征合理设置进退刀（Engage,Retract）方式,以有效避免过切和干涉碰撞。
1.3 后处理器配置
在UG NX 3.0中规划完加工轨迹后，将生成标准格式的刀位源文件(Cutter Location Source file，简称CLS)。为进行试加工，还需要将CLS文件转化为数控系统能够识别的G代码，这就需要分析多坐标机床的结构形式并进行运动变换[3]。
通过分析，确定VMC-1100五轴数控加工中心为工作台双回转类型结构。在UG/Post Builder中设置机床类型为5-Axis with Dual Rotary Tables（双工作台回转类五轴机床），在其中定义并设置VMC-1100五轴数控加工中心各轴的行程参数，确定工件坐标原点与机床坐标原点的关系以设定4th Axis Center to 5th Axis Center（即回转半径）。根据华中数控HNC-21M世纪星铣削数控系统的特点，在UG/Post Builder中分别设置G代码和M代码的属性值和数控程序文件头尾的格式等。
后处理器配置完成后，在UG NX 3.0中调用并生成的G代码文件，实践证明此后处理器能够良好的应用于华中数控HNC-21M世纪星铣削数控系统。由于整体式叶轮的叶片均匀排部在轮毂上，因此可以在生成单个叶片、流道数控程序的基础上编写循环，使程序执行多次。华中数控HNC-21M世纪星铣削数控系统的循环编写格式为：
#55=7 ；加工叶片数量为7
WHILE #55 GT 0 ；当#55>0时调用循环程序
C51.429 ；每次加工后C轴旋转51.429º，进入下一个叶片的加工
G92 X0 Y0 Z250 A0 C0 ；定义G92
M98 P1000 ；所调用程序名为1000
#55=#55-1 ；每次调用后#55递减1
ENDW ；整个循环结束
00 ；定义程序名
…… ；单个叶片加工程序部分
N1161 M99 ；单个程序循环结束
2 结论
本文利用UG NX3.0软件对复杂曲面叶轮进行了加工轨迹规划，合理选择了加工使用的刀具，并针对流道和叶片的几何特征分别选择了适当的刀具轨迹驱动方法进行加工轨迹规划，利用UG/Post Builder配置了华中数控HNC-21M世纪星铣削数控系统专用后处理器，并使用此后处理器生成了合格的代码，最后在配有华中数控HNC-21M世纪星铣削数控系统的VMC-1100五轴数控加工中心上成功试加工了一个七叶片叶轮，如图4。
图4. 实加工的七叶片叶轮
由于UG NX、CATIA、MasterCAM等为通用性软件，因此在规划叶轮加工轨迹时存在操作复杂、难于找到简单有效方法等不足，很难快速有效的进行叶轮加工轨迹规划，对数控编程人员提出了较高的要求。因此，大力开发能够适用于整体式叶轮、整体式螺旋桨等复杂曲面叶片类零件的专用CAM软件非常有意义。(E-works)
