基于NX整体叶轮的五轴数控加工仿真

0 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。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，如美国NREC公司的MAX-5，MAX-AB叶轮加工专用软件等。目前，我国大多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型CAD/CAM 软件，如NX、CATIA、MasterCAM等来加工整体叶轮。本文选用目前流行且功能强大的NX对复杂曲面整体叶轮进行加工仿真研究。

1 整体叶轮数控加工工艺

    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 叶轮零件

    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小于两叶片间最小距离；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，即保证刀具半径大于流道和叶片相接部分的最大倒圆半径。在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时，选择的刀具半径小于流道和叶片相接部分的最小倒圆半径。

    1.2 5坐标数控机床结构

    叶轮加工应当使用5 坐标数控加工中心完成。5坐标是指在3个平动坐标轴基础上增加2个转动坐标轴(A，B 或A，C或B，C)且5个轴可以联动。由于具有2个转动轴，导致5坐标机床可以有很多种运动轴配置方案，但它们可以归于如下3大结构类型：

    (1)刀具摆动型

    这种结构类型是指2个转动轴都作用于刀具上，由刀具绕2个互相正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂。一般刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作(如装卡工件)较方便。

    (2)工作台回转/摆动型

    这种结构类型是指2个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理，它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的。这种结构也是定、动轴结构，只是其动轴紧靠工件。这类机床的主要特点是其旋转/摇动工作台刚性容易保证、工艺范围较广，而且容易实现。但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构主要适合于中小规格的机床用于加工体积不大的零件。