在計算機輔助設計與制造技術和數控多軸加工技術迅猛發展之前，整體式葉輪如圖1所示）加工一般采用鑄造成形后再由鉗工拋光的加工方法，在加工質量與加工效率上有明顯缺陷。普通的三軸數控機床，由于沒有旋轉軸，刀軸方向是固定的，在加工葉片時，葉片面優其是吸力曲面）必然存在背對刀軸的情況，產生加工干涉的現象。五軸加工中心配備了兩根旋轉軸，使刀軸能夠相對工件旋轉，通過五軸聯動避免了葉片加工的干涉，能夠完成葉輪的銑削加工。而五軸車銑復合加工中心相當于一臺五軸加工中心和一臺車削中心的復合，可以在一臺車銑中心上，經過一次裝夾完成全部車、銑、鉆、鏜攻絲等加工，對于葉輪這類回轉類復雜工件的加工尤為適用。車削和銑削工序合并后，使工序高度集中，避免了多次裝夾帶來的定位誤差，大大提高了加工精度與效率。

圖1 整體式葉輪

1 零件工藝分析

本文中的加工設備是HTM4075車銑復合加工中心，該型號機床是由沈陽機床股份有限公司生產的第四代五軸車銑加工中心機床，控制系統為SIEMENS 840D。適用于軍工、石油、航空航天、船舶、運輸等行業，能夠滿足高精度、形狀復雜的大型回轉體零件加工的要求。

工件毛坯為200mm的棒料，需要完成整體葉輪的包覆曲面、流道、葉片和圓角主要曲面的加工。對于車銑復合加工中心，可以一次性完成葉輪外輪廓(包覆曲面)的車削和葉片面與流道面的五軸銑削。工件加工工序卡片如表1所示。

表1 工件加工工序卡片

2 基于NX的刀軌生成

2.1 車削加工模塊

通過剪裁葉輪的包覆曲面可以得到葉輪的外輪廓曲線，將它導入到NX車削加工模塊中，可以對外輪廓進行粗精車。為減少銑削余量，鉆孔后還可粗鏜葉輪頂面輪廓，提高加工效率。通過定義部件和毛坯邊界、進給量、主軸轉速、加工余量、進退刀和走刀路線生成合理的刀具軌跡，如圖2所示。

圖2 車削刀具軌跡

2.2 多軸銑削加工模塊

2.2.1 通道粗加工

通道粗加工采用五軸定向多工位型腔銑，即3+2方式。在切削時，B、C軸固定在朝向流道方向上，刀具只作三軸聯動，分層粗加工流道；一個通道粗加工完成后，C軸旋轉一定角度，再分層粗加工下一個通道。在創建型腔銑操作時，應注意指定合理的刀軸矢量，如果刀軸矢量過于偏向某一葉片，刀軸被某一葉片擋住而看不到通道的所有區域，則會發生干涉現象。生成一個通道的刀路后，用刀路變換命令對其余通道開粗。

2.2.2 葉片面加工

NX多軸加工模塊中的可變軸輪廓銑操作(VARIABLE_CONTOUR)提供了9種驅動方法和18種刀軸控制方式，可以生成對葉片面和流道面這類復雜曲面的五軸加工刀路。

設置驅動方法時，采用曲面嚷面積）驅動，將葉片面作為驅動幾何體，利用曲面百分比可以延伸曲面，使刀路更好地切入切出；剖切方向選擇順銑方向，材料方向向外。

刀軸控制方式可采用側刃驅動或刀軸插補功能。側刃驅動是指由驅動表面來支配刀具側面沿驅動曲面上剖切方向移動，可以通過定義側刃加工側傾角如圖3所示）來控制側刃與驅動面劃線之間的角度。

圖3 側刃加工側傾角設置

如將這種刀軸控制方式應用到本實例中，就是由葉片面來驅動刀具側面沿葉片曲面上的U線方向移動。同時，側刃與葉片曲面的V線之間形成一個側傾角度，避免發生干涉。但整體式葉輪的葉片薄，扭曲大，刀軸在運動過程中優其是運動到葉片緣頭部分時）容易發生突然變化，而刀軸突變會使機床在加工過程中進給速度變化加大，產生振動，造成過切。刀軸插補功能如圖4所示）可以通過在驅動面上任意指定點，定義矢量去控制指定點的刀軸，在發生劇烈刀軸變化處指定多個刀軸矢量，便可以調節出更順滑的刀軌，提高加工表面質量。刀軸插補功能在使用上更具靈活性和可操作性。

圖4 插補刀軸矢量設置

2.2.3 流道面加工

驅動方法和刀軸控制方式與葉片面加工相似，也采用曲面驅動和刀軸插補來控制刀軸。但在選取驅動曲面時不能直接選取裁剪后的流道面，而要重新排列曲面的U、V參數線，使U參數線或V參數線沿氣流方向后，再作為刀路的驅動曲面，如圖5所示。

圖5 流道曲面U、V參數線

在設定刀軸插補矢量時，應使刀具盡可能地接近兩側的葉片面，在不過切流道和葉片的情況下，最大限度地減少葉片面與流道面之間的殘留區域。

3 后置處理

不同的數控機床往往采用不同的指令形式，即使使用同一種數控系統，機床結構不同其指令也大相徑庭。采用NX后處理構造器，可以針對所使用的數控機床制作專屬的后處理，完成將刀具軌跡及各種加工控制信息轉換成符合機床要求的指令格式，生成用于數控加工的程序。通過設置數控系統(SIEMENS、FANUC、HAIDENHAIN等常用系統可供選擇)、機床結構類型（單轉臺單擺頭、雙轉臺、雙擺頭）、B/C軸參數（括設置B/C軸轉角限位和旋轉的正負方向以及擺頭長度補償值等）、單位（英制或毫米）、最大行程、最高走刀速度、最小分辨率、程序開始部分、刀軌移動部分、程序結束部分等參數用戶便可以生成與現有機床相匹配的后處理。在設置后處理每一項參數時，都需要與本機床的參數一致。如本實例中，采用的是SIEMENS 840D數控系統，可以使用TRAORI指令激活RTCP伍軸原點跟蹤）功能（測得的刀具長度補償值直接輸入機床對應寄存器中），則將后處理中Pivot distance設0即可。

4 加工程序仿真檢驗

如果采取直接使用未經過仿真檢驗的程序在機床上首件試切的方式來驗證數控程序，對于整體式葉輪這類大型復雜零件來說研制風險與成本太高。雖然NX本身自帶了仿真功能，但它只能對自己生成的刀位軌跡進行仿真，而在加工過程中，使用的是刀位軌跡經過后處理計算生成的數控程序。如果后處理設置的參數與機床參數存在不一致，即使刀軌正確，但所生成的數控程序卻是錯誤的，就很可能發生過切、超程、甚至撞刀等生產事故。而且由于零件形狀和機床結構的復雜性，在生成刀具軌跡的過程中，很難將零件在加工中遇到的所有加工環境（如機床和夾具的具體機構、工件的裝夾方式等）都考慮到位，很難確保計算出的數控加工程序能夠安全、正確地執行。所以，使用的第三方虛擬加工驗證軟件是很有必要的。VERICUT軟件是一款專為制造業設計的CNC數控機床加工仿真和優化軟件，以模擬加工全過程的方式來校驗加工程序的準確性，幫助發現編程錯誤，從而優化切削方案，提高大型復雜零件研制效率。

VERICUT軟件自帶許多常用的數控系統、機床模型和刀具庫，用戶可以直接調用或針對所使用的機床和刀具進行修改如圖6所示）。在建立機床模型、數控系統、加工模型與毛坯、刀具庫和坐標系后，導入加工程序，就可以對程序進行仿真。通過自動比較功能，可以判斷是否存在過切和欠切，是否還需要對程序進行優化。

圖6 VERICUT虛擬加工環境

以下是利用VERICUT軟件避免過切的實例：用NX生成刀軌如圖，未發現有任何過切現象，如圖7所示。

圖7 葉片面半精銑刀路軌跡

將后處理的程序導入VERICUT，再虛擬加工后，發現在切削完一片葉片而進行下一片葉片切削的移刀過程中有過切現象，如圖8所示。

圖8 葉片面虛擬加工（圖中圈出部位為過切部分）

檢查程序后發現，在快速移動的過程中刀具先進行了X、Y軸的移動，再進行Z軸的移動。這種移動方式在3軸數控機床上是安全的；但在5軸聯動時是不可取的。打開NX后處理構造器，進入刀軌移動部分，修改快速移動指令格式，使X、Y、Z三軸同時移動，如圖9所示。

圖9 后處理構造器快速移動對話框

用修改后的后處理生成程序，再導入VERICUT進行虛擬加工，經自動比較未發現過切現象，如圖10所示。

圖10 葉片面虛擬加工（無過切）

5 結語

只有在對現有機床的結構、性能和運動機理以及控制系統的功能指令有充分認識和了解的基礎上，才能制作出對該機床相匹配的后處理。再經過虛擬加工的反復檢驗后，制作出的后處理才能應用到實際生產過程中。

本文通過葉輪五軸車銑加工的典型案例，調整了NX的刀軸控制方法、對HTM4075車銑復合加工中心制作了專用的后處理，用VERICUT仿真虛擬加工技術對刀軌、后處理和加工程序驗證了可行性，并在HTM4075上實現了葉輪的車銑復合加工，實際應用效果良好，有助于復雜曲面多軸加工技術的工程應用。