基于PowerMILL的涡轮增压叶轮五轴加工初探

张鹏

摘 要：涡轮增压叶轮的加工一直是机加工中的难题。为了加工出合格的叶轮，人们想出了很多的办法，由最初的铸造成形后再修光，后来采用石蜡法精密铸造，还有电火花特种加工等方法，但这些方法不是加工效率低下，就是精度或产品力学性能不佳，直到五轴数控加工技术发展成熟，开始应用到叶轮加工中，上述问题才得到了根本的解决。该文对涡轮增压叶轮的加工工艺流程进行了简单分析，并对使用PowerMILL软件进行涡轮增压叶轮的五轴铣削加工基本设置进行了介绍。

关键词：PowerMILL；叶轮；五轴加工

中图分类号：TG659 文献标志码：A

叶轮类零件是机械装备行业重要的典型零件，在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等领域应用广泛。

1 叶轮加工基本加工工艺流程分析

整体叶轮的加工一直是机加工中的难题。整体叶轮的毛坯形状一般是圆柱体的锻件，经过车削后成形为近似锥台状，这样在2个叶片之间就有大量的材料需要去除。另外为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这也给叶轮的加工增加了难度。加工困难的地方还包括：加工槽道较窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形；相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断；叶片扭曲严重，加工时极易产生干涉等。

根据叶轮的几何结构特征和使用要求，现在的基本加工工艺流程是：1）在锻铝材料上先车削加工回转体的基本形状。（数控车床完成本工序）；2）粗加工流道部分（五轴加工中心完成本工序）；3）精加工流道部分（五轴加工中心完成本工序）；4）叶片精加工（五轴加工中心完成本工序）

2 叶轮五轴铣削加工编程基本设置（基于PowerMILL软件）

2.1 铣削模型的处理

在PowerMILL自动编程软件中，要使用针对整体叶轮的加工模块，首先需要了解其对叶轮加工的一些定义。

1）轮毂：指叶轮轮毂曲面。这个曲面是将叶片根部的曲线旋转360°得到的。

2）套：指叶轮的包裹曲面。这个曲面是将叶片顶部的曲线旋转360°得到的。

3）倒圆角：指叶轮叶片的根部圆角曲面，如果是等半径圆角，建议用球头刀的刀尖圆角来完成，不提供这个曲面也可以。

4）左翼叶片：在PowerMILL里，左翼叶片为靠左边叶片的两侧曲面。这个需要从设计完成后的叶片上提取该曲面。

5）右翼叶片：在PowerMILL里，右翼叶片为靠右边叶片的两侧曲面。这个需要在设计完成后的叶片上提取该曲面。

6）分流叶片：在PowerMILL里，分流叶片为左翼叶片和右翼叶片之间较小叶片的两侧曲面。这个需要在设计完成后的叶片上提取该曲面。如果叶轮没有分流叶片，可以不提供这个曲面。

与前面章节的五轴编程加工不同，PowerMILL的叶轮五轴编程加工，只需要提供上述曲面的模型即可，并不需要提供整个叶轮的实体模型。

注意：不同的CAM软件（例如HyperMILL），对加工特征的定义不一定相同。

2.2 叶轮的五轴铣削加工编程过程

2.2.1 导入加工模型

启动PowerMILL软件后，输入加工模型。

加工模型导入后，单击普通阴影模式，再单击轴测图模式。观察导入的模型，可以发现曲面有2种颜色，一面是蓝色，另一面是棕红色。蓝色说明这个曲面方向朝外，将来刀轴的方向是正确的。如果输入的模型是整个实体，系统判断正反面一般没有问题。但输入多个曲面，则有可能判断不对。按下键盘上的“Shift”键，用鼠标选择棕红色的曲面后，再单击右键，在弹出的右键菜单中，选择“反向已选”，这个曲面的加工方向就正确了。如果棕红色曲面多，可重复多次这个操作。

2.2.2 创建层

在左侧项目树中，右键单击“层和组合”，在弹出的右键快捷菜单中选择【产生层】，系统将新建层1，在层1处单击右键，在弹出的右键菜单中选择【重新命名】，将层1命名为“轮毂”。重复上述操作，分别创建“套”、“左翼叶片”、“右翼叶片”和“分流叶片”。该实例用球头刀的刀尖圆角产生倒圆角，加工模型中没有倒圆角曲面，就不建“倒圆角”层了。

2.2.3 加工曲面的分层处理

如图1 所示，在图中选择套的2个曲面（图中1），在左侧项目树中，找到“套”层，在弹出的右键菜单中选择【获取已选模型几何形体】，系统就将“套”这个曲面，从0层移动到套层。重复上述操作，将0层中的曲面，分别移动到“轮毂”、“左翼叶片”、“右翼叶片”和“分流叶片”中。

如何判断曲面是否选择正确，可单击层前面的灯泡，关闭该层的显示，这样在右边消失的图素，就是该层的图素。如果漏选了某个曲面，可多次获取。

为了方便观察刀路情况，建议关闭套层，打开其他层。

2.2.4 定义用户坐标系

鼠标右键单击屏幕左侧项目树中的【用户坐标系】下面的用户坐标系，在弹出的右键菜单中选择【用户坐标系编辑器】。右侧窗口上方出现工具栏，修改该坐标系的名字为“G54”，单击位置表格按键，在弹出的位置对话框中，在Z轴处输入“34.6”，单击应用按键，G54用户坐标系从原来轮毂曲面中心的底部位置，上移到零件上表面中心的位置。最后单击“√”图标，完成用户坐标系的定义。

2.2.5 定义加工毛坯

单击“毛坯”按键。屏幕出现毛坯定义对话框，由于叶轮铣削的毛坯是车削完成后的形状，对于特殊毛坯，PowerMILL允许用其他设计软件创建毛坯后再导入，在下拉列表中，选“三角形”，单击旁边的打开图标，系统通过三角形模型弹出毛坯对话框，选择文件路径和文件类型，找到其他软件创建的毛坯文件，打开该文件后，右边的工作区将出现毛坯的形状，毛坯窗口有对应的毛坯尺寸，单击“接受”完成毛坯的定义。

2.2.6 定义刀具参数

用鼠标右键单击屏幕左侧项目树中的【刀具】。在弹出的右键菜单中选择【产生刀具】->【球头刀】。系统弹出球头刀对话框，分别设置刀具的直径“5”，刀具编号“1”，刀具长度“30”，这个刀长建议按实际值设置，名称为“BM5”。最后单击“关闭”按键完成刀具参数的定义。如果夹持刀具的刀柄比较特殊，可在刀柄和夹持页中定义其尺寸。

3 结语

叶轮五轴铣削的加工内容是去除叶片之间的材料。编程流程是从设计完成的三维实体模型中，根据CAM软件的要求（例如PowerMILL），提取必要的加工特征，这些加工特征集合起来成为一个新的三维模型，再将此加工模型传给CAM软件，由CAM软件的专用叶轮加工模块生成刀具路径，经过后置处理后，得到的NC程序。该文只是介绍了叶轮加工的工艺流程和五轴铣削加工的基本设置，希望能为五轴编程在学人员提供一些参考。

参考文献

[1]贺琼义.五轴加工中心编程与操作——应用篇[M].北京：中國劳动社会保障出版社，2017.