基于ug的發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪數(shù)控編程研究

1、基于ug的發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪數(shù)控編程研究發(fā)布：2006-12-17 17:04:24 來(lái)源:模具網(wǎng) 編輯：佚名1 前言整體葉輪作為透平（Turbine）機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛地用于航空、航天等領(lǐng)域，其質(zhì)量直接影響其空氣動(dòng)力性能和機(jī)械效率。因此它的加工技術(shù)一直是透平制造行業(yè)中的一個(gè)重要課題。目前國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專用軟件1，主要有美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專用軟件，瑞士Starrag數(shù)控機(jī)床所帶的整體葉輪加工模塊，還有Hypermill等專用的葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如：UG、CATIA、PRO/E等也可用于整體葉輪加工。目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：

2、西北工業(yè)大學(xué)等院校和航空航天系統(tǒng)一些發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)廠、專業(yè)所）可以加工整體葉輪，而且工藝水平距國(guó)際先進(jìn)水平尚有很大差距。總體上我國(guó)葉輪加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，很多企業(yè)的軟、硬件都依靠進(jìn)口，自主版權(quán)的軟件在生產(chǎn)中未見(jiàn)推廣應(yīng)用，在窄槽道、小輪轂比等高性能葉輪制造技術(shù)方面尚未過(guò)關(guān)，因此研究高性能葉輪的加工技術(shù)勢(shì)在必行。2 整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件，然后車削成為葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀，在五軸數(shù)控加工中心上使輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上一次加工完成，它可以滿足壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)品強(qiáng)度要求，曲面誤差小，動(dòng)平衡時(shí)去質(zhì)量較少，因此是較理想的加工方法。五軸數(shù)控加

3、工技術(shù)的成熟使這種原來(lái)需要手工制造的零件，可以通過(guò)整體加工制造出來(lái)。采用數(shù)控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2如圖1所示。3 微型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)國(guó)內(nèi)大多數(shù)整體葉輪都是根據(jù)國(guó)外葉輪縮比仿制的，而本文研究的葉輪是北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院自主開(kāi)發(fā)的微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子出口直徑為81mm，有8片一級(jí)葉片，8片二級(jí)葉片，出口葉片高度3mm，葉輪進(jìn)口直徑44.3mm，進(jìn)口葉片高度17.15mm，葉片厚度最薄處0.4mm，相鄰葉片間最小間距為3.1mm，如圖2。為了使氣動(dòng)性設(shè)計(jì)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用了大扭角，根部變圓角等結(jié)構(gòu)，給加工提出了很高的要求

4、。轉(zhuǎn)子加工難度如下：1、國(guó)際上同等直徑81mm的整體葉輪通常有12片葉片或14片葉片，而此轉(zhuǎn)子有16片葉片，而且它的二級(jí)葉片也較長(zhǎng)，這些都使加工槽道進(jìn)一步變窄，加工難度進(jìn)一步增加。2、在刀具直徑為2.5mm情況下，剛性差，容易斷，控制切削深度也是關(guān)鍵。3、此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重，并且有后仰的趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。有時(shí)為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保證加工表面的一致性也有一定困難。4、前緣圓角曲率半徑變化很大，加工過(guò)程中機(jī)床角度變化較大，并且實(shí)現(xiàn)環(huán)繞葉片加工較難；5、由于葉輪強(qiáng)度的需要，輪轂與葉片之間還采用變圓角。由于槽道窄，葉片高，變圓角的加工也是個(gè)

5、難點(diǎn)?？傊巳~輪的窄槽道、大扭角、變圓角給加工帶來(lái)了很大困難，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有加工出此種高難度的整體葉輪。4 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的加工工藝方案葉輪整體加工采用輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上進(jìn)行成形加工，而不采用葉片加工成形后焊接在輪轂上的工藝方法。其加工工藝方案如下3-4：1、為了提高整體葉輪的強(qiáng)度，毛坯一般采用鍛壓件，然后進(jìn)行基準(zhǔn)面的車削加工，加工出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯如圖3所示。2、葉輪氣流通道的開(kāi)槽加工開(kāi)槽加工槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，采用平底錐柄棒銑刀平行于氣流通道走刀，并保證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量，如圖4所示。其中平底錐柄棒銑刀為硬質(zhì)合金刀具，其規(guī)格為：平底部分直徑

6、為：3mm，半錐角為2°，刀具柄部直徑為：6mm，帶錐部分長(zhǎng)度為：20mm。此步選用的主軸轉(zhuǎn)速為：10000r/min，進(jìn)給速度為：800mm/min。在數(shù)控機(jī)床的控制面板上一般備有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度修調(diào)（倍率）開(kāi)關(guān)，可在加工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際加工情況對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)整。3、葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工及葉片的粗加工擴(kuò)槽加工采用球形錐柄棒銑刀，從開(kāi)槽位置開(kāi)始，從中心向外緣往兩邊葉片擴(kuò)槽，擴(kuò)槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下，擴(kuò)槽加工與精銑輪轂表面在一次加工完成。由于此葉輪槽道窄、葉片高、扭曲嚴(yán)重，且UG數(shù)控加工編程需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)面來(lái)決定切削區(qū)域，因此擴(kuò)槽加工需要分兩部分來(lái)

7、加工。第一部分：選擇驅(qū)動(dòng)面為輪轂面，進(jìn)行擴(kuò)槽。此時(shí)不能加工到輪轂表面，還需進(jìn)一步擴(kuò)槽加工；第二部分：進(jìn)一步擴(kuò)槽及葉片粗加工。選擇驅(qū)動(dòng)面為葉片表面的偏置面，在葉片粗加工的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)槽。其中球形錐柄棒銑刀為硬質(zhì)合金刀具，其規(guī)格為：球頭部分直徑為：3mm，半錐角為2°，刀具柄部直徑為：6mm，帶錐部分長(zhǎng)度為：20mm。此步選用的主軸轉(zhuǎn)速為：20000r/min，進(jìn)給速度為：3000mm/min。4、葉片、輪轂的精加工在均勻余量下進(jìn)行的精加工，保證了良好的表面加工質(zhì)量，采用球頭銑刀精加工，因?yàn)橄噜徣~片間最小間距為3.1mm，且葉片最深處為17.15mm，考慮到干涉，轉(zhuǎn)子精加工刀具采用瑞士

8、Fraisa公司的直徑2.5的球頭棒銑刀，刀具避空位為20mm。加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為：260000r/min，進(jìn)給速度為：5000mm/min。5、變圓角精加工以上程序都要經(jīng)過(guò)分度、旋轉(zhuǎn)，加工完全部的輪轂或葉片再執(zhí)行下一個(gè)程序，保證應(yīng)力均勻釋放，減少加工變形誤差。5 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的數(shù)控程序編制5.1用UG加工壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的流程圖用UG進(jìn)行轉(zhuǎn)子數(shù)控編程時(shí)，通常以如圖5所示的流程圖為引導(dǎo)，用以創(chuàng)建各操作的刀位軌跡，并貫穿加工的整個(gè)過(guò)程2。5.2數(shù)控程序編制1、在刀具節(jié)點(diǎn)下，加入加工用到的所有刀具，并設(shè)置其刀具參數(shù)；2、在幾何節(jié)點(diǎn)下，選擇毛坯、設(shè)置加工坐標(biāo)系、選擇避讓幾何為轉(zhuǎn)子實(shí)體；3、在方法節(jié)點(diǎn)下，設(shè)置

9、粗、半精、精加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率及刀位軌跡的顯示顏色。抽取流道曲面，U、V參數(shù)線如圖6（a）所示。因?yàn)槿~輪通道的加工需要沿氣流方向，所以重新排列流道的U、V參數(shù)線，使U參數(shù)或V參數(shù)線沿氣流方向。因?yàn)榇肆鞯狼娴奶厥庑裕匦抡{(diào)整U、V參數(shù)后，流道面分成了三片曲面。重新排列后的V參數(shù)線如圖6（b）所示，是沿氣流方向的。1、流道前端曲面（如圖6(b)中的1面）的加工采用可變軸曲面輪廓銑（Variable Contour），加工深度越深，干涉越嚴(yán)重，采用一種刀軸控制方式不一定合適，因此分成兩種刀軸控制方式進(jìn)行。一種為：Normal to Drive（用于上半層加工），一種為：Toward Poin

10、t（用于下半層加工）。加工上半層，程序的參數(shù)設(shè)置如下：1）驅(qū)動(dòng)方法（Drive Method）采用Surface Area；2）驅(qū)動(dòng)幾何選用流道前端曲面，即圖6(b)中的1面；3）建立避讓幾何，以零件整體作為避讓幾何，如果干涉則自動(dòng)退刀，一般粗加工時(shí)選用自動(dòng)退刀來(lái)避免干涉。4）粗加工，行距選擇Tolerance=0.1mm；5）刀軸控制方式為：Normal to Drive；6）切削區(qū)域中Surface%的Start step、End step都設(shè)置為：50，表示在加工面中間位置切削一刀；7）設(shè)置Non-Cutting，即非切削運(yùn)動(dòng)，選用沿刀軸進(jìn)退刀；8）Cutting下，設(shè)置Stock余量：

11、7mm；設(shè)置Multiple passes（多層加工），每層切深為0.5mm。加工下半層，程序的參數(shù)設(shè)置如下：1）刀軸控制方式為：Toward Point；2）Cutting下，設(shè)置Stock余量：0.2mm；設(shè)置Multiple passes（多層加工），每層切深為0.5mm。3）其它參數(shù)設(shè)置，同加工上半層的程序。因?yàn)榭勺冚S曲面輪廓銑關(guān)鍵是選擇刀軸控制方式，因此后續(xù)的加工只說(shuō)明刀軸控制方式。2、流道左端曲面（如圖6(b)中的2面）的加工采用的是可變軸曲面輪廓銑，加工本曲面，刀軸控制方式一種是Normal to Drive（用于上半部分加工），一種是Relative to Drive（用于下半

12、部分加工）。（3）流道右端曲面（如圖6(b)中的3面）的加工此曲面曲率變化很平緩，曲面上各點(diǎn)法向與葉片曲面夾角都接近0º，因此加工此曲面所選擇的刀軸控制方式為Normal to Drive。生成加工刀軌如圖7所示。擴(kuò)槽加工刀軌類似開(kāi)槽加工，只是切削區(qū)域中Surface%的Start step設(shè)置為：0、End step：100，表示切削整個(gè)流道面，生成刀軌如圖8所示。擴(kuò)槽加工后已經(jīng)加工掉流道大部分余量，為了保證精加工之前有均勻的加工余量，提高最終的表面加工質(zhì)量，此步是繼續(xù)擴(kuò)槽和葉片粗加工。加工驅(qū)動(dòng)面選擇葉片的偏置面，如圖9所示，流道、葉片粗加工后的仿真結(jié)果如圖10所示。從吸力面過(guò)渡到

13、壓力面曲率變化劇烈，因此，采取吸力面、壓力面、前圓角分開(kāi)加工。一級(jí)、二級(jí)葉片型面類似，加工參數(shù)是類似的，下面是葉片精加工的通用參數(shù)設(shè)置。1）驅(qū)動(dòng)幾何選擇要加工曲面；2）刀軸控制方式為：Relative to Drive，關(guān)鍵是選擇參數(shù)Tilt、Lead；3）設(shè)置Non-Cutting，選用沿切削方向進(jìn)刀、沿刀軸方向退刀；4）精加工Stock設(shè)置為：0mm；生成的加工刀軌，如圖11。因?yàn)樽儓A角的曲率變化劇烈，因此用Relative(Normal) To Drive控制刀軸方向容易與其它葉片干涉，因此大、小葉片的刀軸控制方式都為：Toward Line，有時(shí)只用一條控制刀軸線，還不能控制加工一張完整的曲面，可能要選用幾條控制線。大葉片左側(cè)變圓角加工刀軌如圖12、小葉片左側(cè)變圓角加工刀軌,如圖13。6 結(jié)論在MIKRON HSM400U機(jī)床上實(shí)際加工出該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。葉片粗加工結(jié)果如圖14所示，大葉片背面的加工過(guò)程，如圖15所示，轉(zhuǎn)子的實(shí)物圖如圖16所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此微型整體葉輪數(shù)控加工的方案是可行的，用UG可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微型整體葉輪的數(shù)控加工編程，加工效果良好。此加工件已經(jīng)用于微型發(fā)動(dòng)機(jī)的試車實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1 葛友華.CAD/CAM技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2