1引言
航空工业是一个国家综合国力的象征；航空工业的核心技术是发动机技术；航空发动机已成为一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。据统计，航空发动机中80%的零部件都是是叶轮和叶片。如果说飞机的核心是发动机的话，那么发动机的核心就是叶轮叶片。所以叶轮叶片加工技术的研究，对航空制造业的发展有着重要的意义。整体叶轮按气流的运行方式分为轴流式叶轮和离心式叶轮。轴流式叶轮工作时，空气的流动方向与轴线方向平行，主要提供给飞行器提供向前运动的动力；而离心式叶轮工作时，空气的流动方向远离轴线方向，主要提供给飞行器向上升的动力。介绍的是轴流式航空整体叶轮的加工，如图1所示。该整体叶轮基本参数及技术要求为：铝合金扭曲叶片，开式整体叶轮；最大直径为200mm，叶片数量为16个，叶片悬长45mm，叶片宽50mm，叶片最大厚度1.6mm，最小厚度0.6mm；叶片曲面及轮毂曲面表面质量Ra1.6，叶片形状精度误差（±0.03）mm。为保证整体叶轮达到航空发动机气动性能的要求，整体叶轮上的叶片普遍都是由复杂组成。该复杂曲面是经过三维扭曲形成的，几何精度要求都比较高。同时由于整体叶轮在高温高压的恶劣环境中工作，所以选用的材料基本都是难加工材料，因此加工整体叶轮不仅需要高端的五轴机床，还需要高效的CAD/CAM软件来设计刀位轨迹。同时在进行整体叶轮的多轴加工时，由于工作台和刀具主轴都需要转动，使得主轴和工作台发生碰撞的机率增加，为此需要设计专用夹具将毛坯进行抬升，避免碰撞现象的产生。加工整体叶轮的难点还还包括:相邻叶片之间间隙小，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程容易产生变形；由于相邻叶片空间极小导致在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断;叶片扭曲曲率大，加工时容易产生干涉，加工难度较大。综上所述，航空整体叶轮的加工涉及到机床、刀具、材料、工艺等各方面技术，可以说整体叶轮加工技术是一个国家装备制造业水平的重要标志之一。
2整体叶轮数控加工
2.1加工方法
整体叶轮的数控加工方法分为点铣法、侧铣法以及插铣法三种，如图2所示。点铣法是用球头刀的刀头按叶片的流线方向逐行走刀，逐渐加工出叶片曲面。加工部位为球头，接触方式为点接触，这种加工方法能较好的保证曲面型面、精度较高，但效率比较低。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。加工部位为刀具侧刃；接触方式为线接触；特点为这种加工方法能获得较好的表面质量、效率高，但刀轴算法复杂。插铣法指的是从叶轮顶端向下一直铣削到叶片根部或流道面。并通过刀具的横向平移进给加工出复杂表面几何形状。插铣法具有加工效率高，加工时间短，更适合整体叶轮这类去除量大的复杂零件的粗加工。对于这种插铣加工，插铣刀轨布局一直是其加工的难点。介绍的叶轮加工既用到点铣法，也用到侧铣法。
2.2刀具选用
加工整体叶轮使用的刀具有圆柱刀、圆锥刀、鼓形刀、特型刀等。在开粗加工过程中应尽可能选用直径大的刀尖圆弧直柄立铣刀以提高效率；在进行精加工时，由于叶片之间的间隙较小，叶片的根部较深，大都选用锥柄立铣刀来提高刀具的刚性，同时在CAM软件中应将精加工刀具锥柄值设成比实际的大，以避免精加工时产生欠切或过切现象。为了提高加工效率及保证刀具刚性，通常用CAD软件的距离分析功能得到被加工叶轮的叶片间距Lmin，同时为了保证半精加工余量并为刀轴摆动角度预留空间，可以根据如图3所示的公式预估刀具直径（h：叶片展长）。根据公式计算，介绍的叶轮粗加工选用准12球头刀，精加工选用准4的锥柄球头铣刀。
3工艺工装设计
介绍的叶轮中叶片的自由曲面是经过三维扭曲形成的，所以加工中需要用到五轴数控加工。介绍的是利用Delcam公司的PowerMill软件进行刀位轨迹设计，并进行后置处理生成数控程序，最终在某数控实训中心利用DMU60P五轴加工中心上完成加工。该零件的加工采用一个开粗和两个精加工（分别是叶片精加工和轮毂精加工）工艺，如表1所示。在该零件的五轴加工过程中，由于机床的B、C轴都要旋转，刀柄容易与夹具发生干涉，所以需要将工件的装夹位置进行抬升，这就需要用到叶轮加工的专用夹具，该零件采用的夹具，如图4所示。主要技术特点有：准60×190的圆柱便于通用的三爪自定心夹盘装夹，找正，安装在工作台中心，充分应用多轴机床的行程；准50/准110处的轴肩，以及2×0.5的退刀槽，应用于被加工零件的准确定位；4×准8.5的孔，应用于螺栓锁紧工件（应用于离心式叶轮的装夹）；准6的销孔，应用于工件的定位；M30的螺纹用于锁紧工件（适用于轴流式叶轮的装夹）；装夹、配合部位的粗糙度、同轴度和垂直度要求较高，保证装夹精度。
4刀位轨迹设计
航空整体叶轮加工基本都属于五轴联动数控加工，关键需要根据实际加工情况，应用CAD/CAM软件来设计刀位轨迹。如今能进行五轴编程的软件有UG、hyperMILL、cimatron、powermill、caxa制造工程师等，其中由于powermill软件具有功能强大，操作简便等特点，在国内市场的占有率正在逐年提高。介绍的整体叶轮采用powermill软件的“叶盘”模块来编制五轴刀位轨迹。powermill的叶轮加工策略操作属于参数化设置，首先要构建两个辅助曲面，分别是轮毂（辅助曲面）、套（辅助曲面），然后再将左翼叶片、右翼叶片、轮毂（辅助曲面）、套（辅助曲面）进行分层设置，然后在进行叶盘区域清除、叶片精加工、轮毂精加工三个策略设计时，将相应的特征填入，如图5（a）所示。然后在“忽略”选项框中务必将“套”曲面设置成“忽略”的特征，然后再进行刀轴界限、刀路连接设置（将安全高度设置为圆柱体能提高加工效率），最后进行过切和碰撞检查，则能生成，如图5（b）所示。整体叶轮加工刀位轨迹。
5整体叶轮加工
5.1仿真加工
要保证五轴加工的安全可靠，需要在实际加工之前，依据实际加工时的工艺工装进行仿真模拟加工。在计算机上进行虚拟数控仿真加工能够大大降低生产本，提高生产效率，缩短生产周期，还可以节省加工设备和现资源的消耗，具有可操作性和安全性。选用vericut仿真软件进行仿真加工。在加工前需要将POWERMILL软件设计的刀位轨迹后置处理成机床识别的数控程序，然后在仿真软件中搭建仿真加工平台，包括机床、系统、夹具、刀具等，然后进行仿真加工，可检验出是否存在碰撞或者欠切、过切现象。在VERICUT仿真加工中，当用带B轴的五轴机床进行仿真时，配置程序零点选择从组件（B轴）到组件（stock），这样才能顺利完成仿真对刀工作。经检验，采用该工艺工装和加工策略能顺利加工出整体叶轮，各工步加工后的效果，如图6所示。
5.2实际加工
实际加工时，采用的设备是DMU60MONOBLOCK五轴联动加工中心，数控系统是HEIDENHAINITNC530，首先需要将程序文件转换成“.h”的格式，然后建立软件、计算机和五轴加工中心之间的通讯联系（联系方式就是建立TCP/IP协议），通过HEID-ENHAINITNC530数控系统的NC程序传输软件将NC程序导入到数控系统中。粗加工过程中S为4500r/min，F为1000mm/min；精加工时S为8000r/min，F为2000mm/min，加工时冷却液采用顶端喷射，加工过程中的毛坯、设备及结果，如图7所示。实际加工时夹具通过三爪自定心夹盘夹紧，同时尽量将工件装夹在工作台中心，保证机床工作中实现的最大行程；对刀时采用百分表加C轴的模式，找到X、Y轴的中心，通过Z轴定位器实现Z轴的对刀；加工前还需通过刀具长度测量仪测出刀具长度再输入数控系统；加工过程中尽量需选用切削铝专用的刀具，再加上冷却液，避免产生粘刀现象；在刀具长度足够的情况下尽可能缩短刀具伸出长度。通过该加工策略及参数，顺利完成试件的加工，经检测达到了尺寸和精度的要求。
6结束语
航空整体叶轮在加工时，首先应设计相应的夹具将零件垫高，防止加工中的干涉及碰撞现象的发生，同时应考虑装夹的方便性；其次在设计刀路时应对连接刀路进行优化，以提高刀路效率，本零件通过设计“圆柱”连接刀路，大大提高加工效率；在仿真验证配置程序零点时应选择从组件（B轴）到组件（stock）；在选用刀具时应考虑零件的材质，选用容易排屑的高效铣刀；在实际加工时尽量避免刀具伸出太长，提高刚性，注意机床C轴360°回0°时相关参数的设置。整体叶轮的加工需要比较全面的现代制造技术，涉及到数学建模、CAD/CAM技术、虚拟制造技术、机械加工基础等。整体叶轮的加工值得研究的方向还很多，比如优化连接刀路，刀轨算法、刀具设计等，都能有效提高零件的加工质量和效率。叶轮加工过程中的受力是一个动态变化的过程，刀具的切削力将会导致叶轮中的叶片产生变形，导致降低零件加工精度。因此切削力对整体叶轮变形的影响将是该领域后续研究的重点。
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