基于UG的發(fā)動機(jī)整體葉輪數(shù)控編程研究

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)中的一個重要課題。目前國外一般應(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，國內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：西北工業(yè)大學(xué)等院校和航空航天系統(tǒng)一些發(fā)動機(jī)專業(yè)廠、專業(yè)所）可以加工整體葉輪，而且工藝水平距國際先進(jìn)水平尚有很大差距。總體上我國葉輪加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用同發(fā)達(dá)國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)方面尚未過關(guān)，因此研究高性能葉輪的加工技術(shù)勢在必行。

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，動平衡時去質(zhì)量較少，因此是較理想的加工方法。五軸數(shù)控加工技術(shù)的成熟使這種原來需要手工制造的零件，可以通過整體加工制造出來。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)特點及加工難點

國內(nèi)大多數(shù)整體葉輪都是根據(jù)國外葉輪縮比仿制的，而本文研究的葉輪是北航能源與動力工程學(xué)院自主開發(fā)的微型航空發(fā)動機(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片一級葉片，8片二級葉片，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。

為了使氣動性設(shè)計達(dá)到了國際先進(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。轉(zhuǎn)子加工難度如下：

1、國際上同等直徑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，而且它的二級葉片也較長，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，加工時極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。有時為了避免干涉，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，加工過程中機(jī)床角度變化較大，并且實現(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難點。

總之，此葉輪的窄槽道、大扭角、變圓角給加工帶來了很大困難，國內(nèi)還未見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、葉輪氣流通道的開槽加工

開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：平底部分直徑為：3mm，半錐角為2°，刀具柄部直徑為：6mm，帶錐部分長度為：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）開關(guān)，可在加工過程中根據(jù)實際加工情況對主軸轉(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，從開槽位置開始，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)動面來決定切削區(qū)域，因此擴(kuò)槽加工需要分兩部分來加工。

第一部分：選擇驅(qū)動面為輪轂面，進(jìn)行擴(kuò)槽。此時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)動面為葉片表面的偏置面，在葉片粗加工的同時，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，因為相鄰葉片間最小間距為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Fraisa公司的直徑2.5的球頭棒銑刀，刀具避空位為20mm。加工時的主軸轉(zhuǎn)速為：260000r/min，進(jìn)給速度為：5000mm/min。

5、變圓角精加工

大、小葉片的左側(cè)為變圓角，圓角半徑從葉片前緣到尾緣為1.25mm到2.2mm到1.25mm線性變化。其中最大圓角發(fā)生在靠近尾緣22％處。葉片右側(cè)為常數(shù)圓角1.25mm。變圓角可以通過一次走刀加工完成，這時刀具球頭部分的半徑至大為變圓角的最小半徑。選擇的刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，同葉片、輪轂的精加工。

以上程序都要經(jīng)過分度、旋轉(zhuǎn)，加工完全部的輪轂或葉片再執(zhí)行下一個程序，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，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，并貫穿加工的整個過程[2]。

5.2數(shù)控程序編制

5.2.1建立父節(jié)點組

1、在刀具節(jié)點下，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)子實體；
3、在方法節(jié)點下，設(shè)置粗、半精、精加工時的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率及刀位軌跡的顯示顏色。

5.2.2葉輪氣流通道的開槽加工

抽取流道曲面，U、V參數(shù)線如圖6（a）所示。因為葉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。因為此流道曲面的特殊性，重新調(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 Point（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)動方法（Drive Method）采用Surface Area；
2）驅(qū)動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，如果干涉則自動退刀，一般粗加工時選用自動退刀來避免干涉。
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，選用沿刀軸進(jìn)退刀；
8）Cutting下，設(shè)置Stock余量：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。

因為可變軸曲面輪廓銑關(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。

5.2.3葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工

擴(kuò)槽加工刀軌類似開槽加工，只是切削區(qū)域中Surface%的Start step設(shè)置為：0、End step：100，表示切削整個流道面，生成刀軌如圖8所示。

5.2.4進(jìn)一步擴(kuò)槽和葉片的粗加工

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。

5.2.5轉(zhuǎn)子一級、二級葉片的精加工(吸力面、壓力面、前圓角)

從吸力面過渡到壓力面曲率變化劇烈，因此，采取吸力面、壓力面、前圓角分開加工。一級、二級葉片型面類似，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。

5.2.6葉片根部變圓角精加工

因為變圓角的曲率變化劇烈，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

實驗結(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)動機(jī)的試車實驗。