1. 引言

    叶轮是压气机及航空发动机等的关键零件， 在能源、 航空、石油化工、 冶金、 汽车等领域中有着广泛的应用。其结构特点是：叶片薄而相对较长， 扭曲大而极易变形， 相邻叶片空间极小。 整体叶轮加工时面临如下问题： 加工槽道逐渐变窄， 刚度较低， 加工轨迹的约束条件较多， 加工过程容易产生形变， 极易产生碰撞干涉，刀具容易折断， 加工比较困难。 目前， 国外常用的整体叶轮的五坐标加工软件有美国某公司的 Max-5、 Max-AB 叶轮加工专用软件， 瑞士某公司数控叶轮铣床的整体叶轮加工模块以及 POWER-MILL、 UGNX 等叶轮加工专用软件， 这些软件可以很好的解决整体叶轮加工时面临的上述问题。VERICUT 是美国某公司开发的一种先进的虚拟制造及数控加工仿真软件， 能真实反映加工过程中遇到的各种问题， 包括加工编程的刀具运动轨迹、 工件过切情况和刀具、 夹具运动干涉等错误， 甚至可以直接代替实际加工过程中试切的工件， 并且提供了对刀位轨迹和加工工艺优化处理的功能， 可以提高零件的加工效率和机床的利用率[1]， 保证数控程序的正确性和加工过程的安全性。

     2. 整体叶轮设计、 制造的系统规划

    体叶轮加工采用数控机床铣削加工方法，该方法具有高精度、 短周期、 调整方便等特点， 毛坯采用锻压件， 一般从整体锻造毛坯开始铣制， 然后车削成叶轮回转体的基本形状。由于整体锻造毛坯强度很高， 去除量较大， 所以加工效率受到一定影响。 若采用模锻毛坯， 即用模具先锻造出叶片型面的基本形状后， 再用数控机床进行精铣加工， 就能显著提高加工效率。采用数控机床加工， 通过 Pro/E 和 POWERMILL 软件对整体叶轮的设计及制造系统规划如下：

（1 ） CAD 模型的建立；

（2 ） 刀具轨迹生成；

（3 ） 仿真加工；

（4 ） 后置处理。

      3 .叶轮 CAD 模型构建

   叶轮叶片的数据通常通过逆向工程或者理论计算的方法获得。逆向工程是借助逆向工程软件接收从外部测得的数据特征，经过软件的编辑操作， 获得比较理想的曲线或曲面数据， 将这些数据通过标准数据格式输送到 CAD/CAM 系统中， 经过进一步的编辑处理， 最终完成产品的 CAD 造型； 理论计算是根据流体力学原理计算出的叶型数据，原始造型数据就是通过理论计算得出的。

   整体叶轮的各种用途使得自身的构造和叶片形式各不相同， 目前整体叶轮主要有直纹曲面和自由曲面两种形式。现将直纹曲面叶轮作为研究对象， 如图 1 所示。

    叶轮建模主要包括轮毂建模和叶片建模两个部分。轮毂为回转体， 结构简单， 建立好轮毂截面特征曲线后， 旋转即可得到其实体模型； 叶片属于直纹曲面， 其建模比较复杂， 通过 Pro\E 软件的混合扫描特征完成其曲面的造型.

     4. 叶轮数控加工的工艺流程

    整体叶轮数控加工过程分为粗加工和精加工两个阶段。根据叶轮的几何结构特征， 可以确定其加工工艺流程为： 在锻铝材料上车削加工回转体的基本形状； 粗加工流道部分；精加工流道部分；叶片精加工。粗加工主要去除叶轮各表面尽可能多的材料， 加工出叶轮的基本轮廓， 为精加工做好准备； 精加工主要是为了获得设计的加工精度和表面质量，是整个加工过程中最重要的阶段。

     4.1 刀具选择

    为提高加工效率以及避免换刀对加工精度的影响，在流道粗加工和精加工过程中尽可能选用球头铣刀。由 Pro\E 软件中的分析功能测得叶轮模型叶片间的最小距离 Lmin=7mm,而铣刀直径D1须小于Lmin,所以选择直径为6mm的球头铣刀。

     4.2 叶片流道粗加工

    在 POWERMILL 综合工具栏中， 单击 “刀具路径策略” 按钮，打开 “策略选取器” 对话框， 选择 “叶盘” 策略， 打开叶轮加工编辑界面， 再选择 “叶盘区域清除模型” ， 打开 “叶盘区域清除” 对话框，然后按参数进行设置， 如图 2 所示。

     4.3 叶片精加在 POWERMILL 综合工具栏中，单击“刀具路径策略”按钮，打开“策略选取器”对话框，选择“叶盘”策略，打开叶轮加工编辑界面,再选择“叶片精加工”,打开“叶片精加工”对话框,按参数进工行设置，如图3所示。

      4.4 后置处理

    由 POWERMILL 生成的刀位文件是一个过渡性文件，还不能被数控机床直接使用， 需要经过后置处理转换成数控机床能执行的数控程序，再输入机床才能进行零件的数控加工。采用POWERMILL 的后置处理模块 PMpost 程序，并配合机床选项文件 （*.pmopt 文件 ） ， 完成刀位文件向数控机床所能识别的 NC 程序代码的转换。转换后的 NC 程序代码， 如图 4 所示。

      5.  数控加工仿真

    采用POWERMILL完成整体叶轮数控加工程序的编制后，根据实际机床的结构与性能，在VERICUT平台对数控加工过程进行仿真。采用德马吉DMU 50V五轴数控机床仿真模型，DMU 50V具有X、Y、Z三个直线运动轴和B、C两个旋转轴。设置X、Y、Z三轴的行程分别为750mm、600mm、520mm；B 轴转角范围为（－90～+90 ） °，C轴转角范围为（0～360 ） °； 主轴最高转速可达20000r/min。在 VERICUT 中进行仿真加工的工作流程，如图5所示。根据仿真加工工作流程图，在VERICUT平台中创建DMU 50V 机床模型，选择机床系统控制文件hei530.ctl，添加加工所需的刀具库，调入工件模型、毛坯模型、夹具等，调入仿真用的数控程序文件，最后在VERICUT系统中进行仿真加工，仿真结果，如图6所示。

       6.   结论

     通过 Pro/E 创建整体叶轮的CAD模型，利用POWERMILL生成叶轮加工相应的刀具轨迹，并后置处理成机床识别的NC文件，最后在VERICUT系统中构建的DMU50V五轴加工中心仿真环境中进行加工过程的仿真。通过模拟数控机床的实际运动，验证了后置处理和数控加工程序的正确性，减少了零件首次调试的风险，检查了潜在的碰撞错误，降低了机床碰撞的风险，从而达到了优化程序、提高加工效率、缩短加工周期、延长刀具使用寿命的目的。