基于HyperMILL的整体叶轮五轴数控加工

    叶轮是压气机和发动机的关键零件，广泛用于石油化工、航空、冶金等领域，其结构具有叶片薄、扭曲大等特点，对加工工艺要求极高，在整体叶轮加工中常会面临加工轨迹约束条件多、槽道窄、刚度低等问题，有必要对加工工艺进行不断优化。在五轴数控加工中，多采用CAM技术来加工比较复杂的零件，该技术可有效解决以往三轴数控机床难以解决的一些加工问题，极大地提高了零件加工以及数控机床的工作效率。

一、整体叶轮五轴加工工艺分析

（一）工艺难点

    整个叶轮由叶片和轮毂构成，二者交界处即为叶根，因需要驱动气体流动，应加工为变圆角过渡。以半开式交错叶片叶轮为例，叶片（包括大叶片和小叶片）、流道和轮顶是叶轮的主体，也是加工的重点，同时还要连接部分（包括锥轴和螺纹）进行加工，因此加工工艺要结合五轴削铣、车削和攻丝。叶轮本身流道较窄，大叶片之间又要设置小叶片，对刀具的大小、刚度等都有较高的要求，其成本也很高，通常一次加工很难成形，多需要两次装夹，且对加工位置精度的把控也存在一定的难度，包同时保证叶片、流道的加工表面质量以及整体叶轮的运行效率。

（二）加工程序

    为保证叶轮形状达到设计要求，同时又能够节省毛坯制造费用，需要对叶轮加工的各阶段进行划分，在车削加和攻丝阶段，应保证毛坯加工成形一次成功，尽量减少多次装夹产生的误差，设计好相关参数后进入五轴加工阶段，次阶段可分为三道工序，其一对叶轮进行粗加工，去除叶片余料；其二是对叶片进行精加工，如果是交错叶片形式，还要注意小叶片的加工；其三是对流道进行加工，因其粗加工在叶片加工中已同步完成，直接进行精加工即可。为进一步提高五轴加工的效率，在此选用Hyper MILL多轴加工软件，利用叶轮加工专用模块，对加工程序进行简化，获取从粗加工到精加工更为高效的刀具路径，所选用的刀具应基于流道尺寸，尽量为大直径，刀具伸出部分则尽可能短，精加工选用带锥度的球头刀，其刃长必须大于叶片的长。

二、整体叶轮五轴数控加工设计

（一）工艺参数和加工轨迹

    叶轮叶片普遍比较单薄，如果吃刀量太大，叶片容易发生变形，太小又会影响到加工效率；切削速度过快，叶片表面会出现颤纹，太慢会对叶片表面造成挤压；进给速度太快，会在叶片表面产生很大的应力，太慢又达不到加工预期。结合刀具和加工材料、机床性能，设计叶轮五轴加工工艺参数：选用ф6mm、R0.5mm80锥铣刀具，材料均为硬质合金，叶轮粗加工转速设为16000r/min，XY进给为1.6m/min，残留高度为0.01mm；叶片精加工（包括大叶片精加工和小叶片精加工）和流道精加工转速均为18000r/min，XY进给为1.2m/min，叶片精加工的残留高度与叶轮粗加工一致，流道精加工残留高度为0.02mm。基于Hyper MILL软件，对叶轮五轴部分进行加工，建立并处理叶轮模型，选择加工方法和加工刀具，规划加工路径，生成加工轨迹。由Hyper MILL软件中的分析功能测得叶轮模型间最小距离为7mm，铣刀直径应小于这一距离，故选用直径为6mm的球头铣刀；在工具栏中打开“策略选取器”，选择“叶盘”，利用“叶片精加工”和“叶盘区域清除”功能，设置具体参数，完成叶片精加工和流道精加工。