0 引言叶轮是涡轮式发动机的核心部件 ,被广泛应用于航天、航空及其他工业领域<1 > ,其加工质量对发动机的性能有决定性的影响 .由于叶轮叶片的形状是由机械中最难加工的复杂曲面所构成的 .<2、3>所以 ,叶轮的加工长期以来一直是困扰广大科技人员的技术难题 ,倍受各国工业界的关注 .因此 ,各工业发达国家先后研制出了多种加工方法 ,如 :最初的采用铸造成型后修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工法、三坐标仿形铣削法等 .但这些早期的加工方法 ,不仅加工效率较低 ,而且叶轮质量也较差<4> .直到数控技术被应用到叶轮的加工中 ,才使叶轮的加工技术得到了跨越性发展<5、6> .笔者较详细地论述了国内外用数控技术加工叶轮的常见方法 ,对各种方法的优劣加以比较 .并介绍了一种新的整体叶轮加工方法———分片侧铣法 ,简要地阐述了该方法的分片原则、误差计算 ,且给出了基于该软件系统的应用分片侧铣法加工整体叶轮的运行实例 .1 叶轮数控加工发展现状早在 70年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工 .目前 ,越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标ＮＣ加工成型的方法加工叶轮 ,尤其是国防工业中所用的关键叶轮 ,如火箭发动机的转子、风扇 ,飞机发动机涡轮等 ,都已采用多坐标数控机床加工 .叶轮加工的复杂性主要在于叶片的曲面造型很复杂 ,其曲面根据成型原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面 ,而直纹曲面又可分为可展直纹面和非可展直纹面 .目前 ,航天、航空等部门有重要用途的叶轮都是由非可展直纹曲面和自由曲面 (非直纹曲面 )构成 ,必须采用四轴以上联动的数控机床来加工 .按叶轮的曲面形状的不同 ,在数控机床上加工时通常采用两类方法 :第一类是点铣法 ,即用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀 (加工 1个叶片一般需 5 0～ 2 0 0次走刀 ) ,逐渐加工出叶片曲面 .这种方法在自由曲面型叶片上普遍采用 ,在一小部分直母线型叶片上也经常采用 ,我国航天用的转子、风扇都采用这种点铣法 .以航天部某机器厂加工某型号叶轮为例 ,叶轮材料为钛合金 .其加工方法即是在四轴联动的机床上利用圆柱球头铣刀进行点铣加工 .即从叶片顶部开始 ,沿叶片的流线方向 ,用球头刀的刀头部分对其进行切削 ,当其走刀行程加工完一侧的 1条流线后 ,经过退刀及进刀 ,刀具即向轮毂方向移动 0 .3ｍｍ ,进行下一次切削 ,直到叶片的一面加工完毕 ,再对另一面进行切削 .如图 1所示 .利用这种方法加工出的叶片能够较精确的符合叶片设计型面的要求 ,精度较高 ,而且加工走刀方向和设计流线方向相同 ,对叶轮运行时的动力性能有利 .但其最显著的缺点为加工效率低下 ,上述所加工叶轮直径为 2 79ｍｍ ,叶片高度为 40～ 75ｍｍ .用这种方法加工出 1个完整的叶轮耗费机时 5 0 0个左右 ,需占用机床一个月 ,耗费大量的机时费和人工费用 ,大大增加了产品的生产成本 .而且 ,这种点铣的切削方式 ,只有刀具头部一点或一圈切削刃参加切削 ,刀具磨损严重 ,需要经常换刀及重磨刀具 ,生产成本进一步增加 .第二类是侧铣法 .即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面 ,它主要用于直母线型叶轮的加工上 .我国增压器模型叶轮已采用此种方法制造 .这种铣削方法比采用点铣法能显著改善叶片的表面粗糙度以及显著提高叶轮的加工效率 .但是我国国防工业中 ,由于对侧铣加工的方法有疑虑 ,很少采用侧铣的方法 ,使叶轮的加工效率低下 .尽管非可展直纹面是非可展的 ,但它毕竟是由直母线沿导线扫描形成的 .以直纹抛物面为例 ,就是直母线的一端以直线为导线 ,而另一端以抛物线为导线 ,扫描而成的 .也就是说 ,将曲面离散后 ,可以得到曲面上的一条条方向各不相同的直线 .正是利用很大部分叶轮曲面为非可展直纹面这一特性 ,国外许多家公司已开始采用 4轴侧铣来加工非可展直纹面叶片的整体叶轮 .其中世界上最著名的美国ＮＲＥＣ公司提供的资料上 ,介绍了该公司生产的软件ＭＡＸ5就能够完成为叶轮的 4轴侧铣数控加工生成数控代码的工作 .在该软件中采用了 3项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题 .用数控编程时进行的处理工作来避免理论切削误差 .同时 ,软件中针对各种不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板 ,可以直接生成刀具轨迹 ,然后根据具体情况再进行调整 ,这样可以大大的节约编程时间 ,提高效率 .据调查 ,在俄罗斯的叶轮加工中 ,也已大量使用侧铣的加工方法进行加工 ,前例中提到的叶轮在俄罗斯只需几十个小时即可加工完成 ,而有些非重要用途的铝材料叶轮甚至只需几十分钟即可加工完毕 .生产效率大大提高 ,而且利用侧铣的方法加工 ,可以避免刀具与工件接触区集中于一点 ,从而减轻了刀具磨损 ,这两项都大大地降低了生产成本和表面粗糙度 .而且 ,这些年发展起来的高速切削在叶轮叶片加工中已经广泛使用 .Ｓｔａｒｒａｇ公司提供的 5轴、 4轴叶轮叶片加工机床的最高转速可达 5 0 0 0 0ｒ/ｍｉｎ ,实际生产中转速也常用到 1 0 0 0 0ｒ/ｍｉｎ左右 .在编程方面 ,叶轮的数控加工代码的生成也是一个很重要的步骤 .目前多数厂家采用通用ＣＡＤ/ＣＡＭ的商用软件编制叶轮的数控加工程序 ,用得较多的有ＵＧ ,ＣＡＭＡＮＤ等 .采用这些软件编程有不便之处 ,由于通用软件并非针对某一种零件设计 ,所以其功能繁多、界面复杂 ,输入参数后须经过许多步骤才能编出程序 ,且需多次反复 ,而且编程人员必须对叶轮几何造型很熟悉 ,同时用相当多的时间学习掌握了通用软件的使用方法才能编出叶轮数控加工程序 .也有部分工厂未采用通用软件 ,而是针对某一叶轮编制了专用程序 ,但其使用面窄 ,使用性能也较差 .例如 ,航天机电集团某厂生产风扇所使用的程序还是早年北京邮电大学研制的 ,此程序是ＤＯＳ下编制的 ,使用很不方便 .国际上有许多工厂与我国的情况类似 ,也采用通用软件编制叶轮数控加工程序 .但一些先进的多坐标数控机床生产厂商 (如ＳＴＡＲＲＡＧ)及专业的叶轮加工工厂 (如美国的ＮＲＥＣ)都推出了专用于叶轮的数控加工软件包 ,如ＭＡＸ - 5 ,ＭＡＸ -ＡＢ ,ＳＴＡＲＲＡＧ程序等 .不采用通用的ＣＡＤ/ＣＡＭ软件有一系列的优点 .这是因为专用软件的生产厂商通常都有多年的叶轮加工和数控编程的经验 ,软件中针对不同特征的叶轮设计了刀具路径模板 .对于叶轮加工中最易出现的干涉问题 ,也有充分的考虑 .这些都是通用软件所不具备的 .另外 ,这些软件通常集成性好 ,可以使设计结果和工艺设计直接相连 .作为专用软件 ,界面更为简洁、重点突出 ,利于设计人员掌握 .这些程序尽管编程性能优良 ,但所包含的工艺信息都很少 .一般只提供刀具尺寸表、转速表、进给率表等 ,而缺乏推荐切削刀具与切削量 ,更没有如何减少加工变形的指南 .我国尚缺乏这种专用于叶轮的数控加工编程软件 ,国内少数工厂已经认识到专用软件的优越性 ,意欲引进 .但国外索价昂贵 ,所以开发中国产权的叶轮数控加工软件迫在眉睫 .2 一种新的数控加工方法从理论上讲 ,利用 4轴、 5轴联动机床侧铣的方法加工非可展直纹面是有误差的 .而且 ,对于直纹抛物面这种非可展直纹面来说 ,加工 1个曲面时 ,刀具与工件的接触线越长 ,加工误差也就越大 .虽然相对于点铣来说 ,侧铣的加工效率要高出许多 .但如果加工后型面误差不合格就不能采用侧铣法 ,可见误差计算十分重要 .美国的ＮＲＥＣ公司也是在采用计算误差后通过调整刀位保证误差合格 ,从而进行侧铣加工 ,但其刀位调整方法是严格保密的 .笔者正是针对这一问题提出了采用分片侧铣的加工方法进行非可展直纹面的加工 .在此 ,主要介绍该方法的分片思想和误差计算 .2 .1 侧铣加工的分片原则分片侧铣法的基本思想是 ,根据曲面本身性质和预先设定的工艺参数构造一系列参数曲线 ,以这些参数曲线为界拼成各曲面片 ;各曲面片采用直纹面来拟合 ,分别计算出每片的刀位轨迹 ,将每片的刀位轨迹统一组织后即形成多刀侧铣加工的刀位轨迹 .分片侧铣方法的基本过程为 ,在某一曲面片加工结束后 ,刀具退至某一安全位置 ,然后从安全位置快速进刀 ,从下一曲面片的起始切削位置开始新一曲面片的切削 .如此反复 ,直至整个曲面被全部加工完毕 .如图 2所示 .分片数越多 ,工件与刀具的接触线就越短 ,理论加工误差就越小 .当分片数足够多时 ,加工误差就会符合工件要求 .从其基本思想和过程可以看出 ,分片侧铣法生成刀位轨迹的关键技术是如何构造各曲面片上的刀位轨迹 ,其中包括刀轴方向的确定、刀位轨迹的规划以及加工误差的分析 .2 .2 分片侧铣加工法的误差计算采用分片侧铣方法加工时 ,在各曲面片上刀轴的运动曲面ｒ 1 ( μ ,ｈ2 )所包络出的加工曲面ｒ 2 ( μ ,ｈ2 )是刀轴的运动曲面ｒ 1 ( μ ,ｈ2 )的斜等距曲面 .曲面ｒ2 ( μ ,ｈ2 )与原来曲面ｒ1 ( μ ,ｈ1 )之间存在着加工误差实际加工出的曲面ｒ2 ( μ ,ｈ2 )可表示为ｒ2 ( μ ,ｈ2 ) =ｒ 1 ( μ ,ｈ2 ) - (ｈ2 ·ｔａｎα+Ｒ0 )·ｎ 1 ( μ ,ｈ2 ) ( 1 )式中ｎ 1 ( μ ,ｈ2 )———刀轴运动曲面ｒ 1 ( μ ,ｈ2 )某一点处的单位法矢 ,表示为ｎ 1 ( μ ,ｈ2 ) =ｒ 1 μ( μ ,ｈ2 ) ×ｒ 1ｈ2 ( μ ,ｈ2 ) /ｒ 1 μ( μ ,ｈ2 ) ×ｒ 1ｈ2 ( μ ,ｈ2 ) ( 2 ) 计算曲面ｒ2 ( μ ,ｈ2 )与曲面ｒ1 ( μ ,ｈ1 )之间在相同点处的坐
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