基于UG叶轮的造型加工及数控编程

1 绪论1.1 课题的确定整体式叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。从整体式叶轮的几何结构和工艺过程可以看出：加工整体式叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻的叶片之间空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求，而且由于叶片的厚度有所限制，所以还要在实际加工中注意轨迹规划以保持加工的质量。目前，我国大多数生产叶轮的厂家多采用国外大型CAD/CAM 软件，如 UG NX、CATIA、MasterCAM 等随着航空航天技术的发展，为了满足发动机高速、高推重的要求，在新型中小发动机的设计中大量采用整体结构叶轮。选择数控加工仿真技术，适合加工种类多、需求少、难加工的整体叶轮，减少整体叶轮加工的成本。本课题主要研究的是航空发动机上整体叶轮的数控加工工艺、造型、数控加工仿真及数控编程。而且且本文选用目前流行且功能强大的 UG NX4.0 对复杂曲面整体叶轮进行加工轨迹规划。下图是叶轮零件图 1-1，1-2，1-3.前视图 1-1俯视图 1-2叶片之间的角度以上各图在后面会详细的分析。1.2 国内（外）发展概况及现状的介绍通常在整体叶轮的设计图上给出的是叶片中性面上顶部和根部的两组数据点，包括顶部和根部的一系列离散数据点和对应点的叶片厚度值。本课题采用B 样条方法对叶轮曲面进行造型。整体结构叶轮(图 11)的应用可使航空发动机推重比、工作效率、寿命及可靠性大大提高，因此在各类新型发动机及大推力火箭发动机中应用愈来愈多，其加工质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影响，而其叶片的形状又是机械中最难加工的曲面构成的。因此，整体叶轮的加工一直是机械加工中长期困扰工程技术人员的难题。为了加工出合格的叶轮，人们想出了很多的办法。由最初的铸造成型后修光，到后来的石蜡精密铸造，还有电火花加工等方法。其中，也有的厂家利用三坐标仿形铣。但是这些方法不是加工效率低下，就是精度或产品机械性能不佳，一直到数控加工技术应用到叶轮的加工中，这些问题才得到了根本的解决。图 11 整体叶轮叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。而且能否精确地加工出形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可展直纹面，完全可以使用非数控机床进行加工。而对于非可展直纹面和自由曲面(非直纹曲面)叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其加工出来。由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶轮加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。早在七十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上。目前，我国已有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，飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。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 公司提供的五轴、四轴叶轮叶片加工机床的最高转速可达 5 万转/分。实际生产中转速也常用到 1 万转/分左右。使用硬质合金刀具加工不锈钢普遍切削速度为150 米/分。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。目前用得较多的有 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，但现在情况多是使用面窄，使用性能也较差。例如，航天机电集团某厂所做风扇是使用早年北京邮电大学研制的程序，此程序还是 DOS 下所编制的，使用很不方便。航天机电集团三院某所的加工转子的软件也是在此基础础上改编的。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，也有了充分的考虑。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，可以和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，而缺乏推荐的切削刀具与切削量，更没有如何减少加工变形的指南。我国尚缺乏在这种专用于叶轮的数控加工的编程软件，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。1.3 本文所需解决问题以及采用的手段和方法整体叶轮采用了整体式结构，并带有复杂型面的扭曲叶片，因此增大了对叶片型面的加工和检测难度，目前一般利用三坐标测量机或专用测量样板来测量来检测整体叶轮的叶片型面误差。由于本文所利用的整体叶轮型面数据点是利用三坐标测量机测量采用精密展成电解法加工后的整体叶轮叶片的表面，故存在着一定的误差。本文所需解决的问题：曲面的确定，航空发动机整体叶轮模型的建立，航空发动机整体叶轮数控加工仿真结果，利用 UG 软件生成 NC 加工程序。本文首先采用适当的数学方法对数据进行处理，研究曲面的加工方法，构造的曲面应保证曲面的连续性、光滑度，精度应符合要求，再用 UG 软件进行整体叶轮的造型、数控加工仿真，对曲面加工进行仿真，选择的加工方式，刀具以及走刀路径符合实际加工要求。生成的加工程序时，选择某一种数控加工系统进行后处理，生成加工的刀位文件。在造型中由于所给的数据存在着一定的误差，需利用 B 样条曲线和直纹面来进行拟合，使得整体叶轮大的叶片形状更接近理想的整体叶轮。数控加工一直是整体叶轮加工的难题，本文主要是仿真四轴联动的数控机床，使得通过后置处理的数控程序能够应用到数控机床中去。整体叶轮数控展成电解加工这一课题经过多年的研究探索，已取得了很大的进展，初步形成了进行整体叶轮加工的软、硬件条件，并进行了有关的工艺试验。但在整体叶轮加工的实用化方面做得还不够，要真正加工出符合要求的零件，在工艺方面还有许多要完善的地方，如夹具的设计。1.4 本文研究成果及意义根据已有的数据，利用 UG 软件得到整体叶轮的模型，并利用 UG CAM 生成数控加工程序，以及整体叶轮的夹具设计。整体叶轮的叶片曲面一直以来都是加工中的难点，通过此次的设计，经后置处理应用于数控机床上的程序代码，加工后的叶片的叶盆型面精度可达0.1mm，叶背面由 0.5mm 的加工余量由后续抛光工序完成。并且此方法技术柔性好，生产率高，质量好，能够满足整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐热合金等难切削材料进行加工。2 叶轮的加工工艺分析2.1 整体叶轮结构工艺过程分析在本实例中，需要对整体叶轮的流道、叶片和圆角主要曲面进行加工，如下图所示。另外，在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。根据本例具体情况下面介绍其加工难点。(1)加工槽道变窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形(2)槽道最窄处叶片深度超过刀具直径的 8 倍以上，相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，切削深度的控制也是加工的关键技术。(3)本设计中的整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并且有明显的后仰趋势，加工时极易产生干涉，加工难度较大。有些叶轮由于有副叶片，为了避免干涉，要分段加工曲面，因此，保证加工表面的一致性也有困难。整体叶轮加工技术要求包括尺寸、形状、位置和表面粗糙度等几何方面的要求，也包括机械、物理和化学性能的要求。在对叶轮进行加工前，必须对叶轮毛坯进行探伤检查。叶轮叶片必须具有良好的表面质量。精度一般集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面。表面粗糙度值应小于 Ra0.8m。截面间的型面平滑过渡。另外叶身的表面纹理力求一致，一致的流水线是最好的纹理表面，但这样又限制了走刀方向，从而在一定程度上限制了加工的刀具轨迹。整体叶轮在工作中为了防止振动并降低噪声，对整体叶轮对动平衡性的要求很高，因此在加工过程中要综合考虑叶轮的对称问题。在进行 UG 编程时可利用叶片、流道等关于叶轮旋转轴的对称性的加工表面，可采用对某一元素的加工来完成对相同加工内容不同位置的操作，如本设计就应用了旋转阵列加工的操作。另外，应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。2.2 整体叶轮加工工艺准备2.2.1 机床准备叶轮轮毂面及叶片分别由叶片中性面根部曲线和叶片中性面顶部曲线绕 Z轴旋转而成;经过旋转轴 Z 的设计基准面为子午面;中性面是处于叶片压力面和吸力面中间位置的曲面。对于轮毂曲面和包覆曲面，可分别由叶片根部曲线和叶片顶部曲线绕 Z 轴回转而成。因此三轴机床根本无法加工出整体式叶轮，四轴机床业很难达到要求，所以加工整体式叶轮必须要用五轴联动的机床才能满足加工要求。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度要求高，专门用于加工复杂曲面零件的机床，五轴加工的主要优点是仅需一次装夹定位即能完成复杂形体零件的全部加工，可以节省大量的加工时间。本文采用采用立式五轴联动高速加工中心，数控机床主要参数 X 轴行程 900mm，Y 轴行程 600mm，Z 轴行程550mm，A 轴旋转范围 0360，B 轴摆动范围-9090，刀库容量 40 把刀位，数控系统为 SIEMENS 840D。如图 3-1图 3-1 立式加工中心2.2.2 定位基准零件是由若干表面组成，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面称为基准。基准按其作用不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准 设计图样上所采用的基准称为设计基准。工艺基准 在工艺中采用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同，又分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。定位基准的选择选择工件的定位基准，实际上确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作定位基准，则称为精基准。精基准的选择原则：(1）基准重合原则 直接选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合原则。采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差（基准不重合误差 ） 。B(2）基准统一原则 同一零件的多道工序尽可能选择同一个定位基准，称为基准统一原则。这样既可保证各加工表面问的相互位置精度，避免或减少困基准转换而引起的误差，而且简化了夹具的设计与制造工作，降低了成本，缩短了生产准备周期。(3）自为基准原则 精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。(4）互为基准原则 为使各加工表面之间具有较高的位置精度，或为使加工表面具有均匀的加工余量，可采取两个加工表面互为基准反复加工的方法，称为互为基准原则。(5）便于装夹原则 所选精基准应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用，操作方便灵活。同时，定位基准应有足够大的接触面积，以承受较大的切削力。粗基准的选择原则:粗基准选择的要求应能保证加工面与不加工面之间的位置要求和合理分配各加工面的余量，同时要为后续工序提供精基准。具体可按下列原则选择：（1）非加工表面原则 为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准。（2）余量最小原则 以余量最小的表面作为粗基准，以保证各加工表面有足够的加工余量。（3）重要表面原则 为保证重要表面的加工余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。（4）不重复使用原则 粗基准未经加工，表面比较粗糙且精度低，二次安装时，其在机床上（或夹具中）的实际位置可能与第一次安装时不一样，从而产生定位误差，导致相应加工表面出现较大的位置误差。（5）便于工件装夹原则 作为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有飞边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。辅助基准的选择：辅助基准是为了便于装夹或易于实现基准统一而人为制成的一种定位基准，如轴类零件加工所用的两个中心孔，它不是零件的工作表面，只是出于工艺上的需要才做出的。为安装方便，毛坯上专门铸出工艺搭子，也是典型的辅助基准，加工完毕后应将其从零件上切除。整体叶轮的加工过程中，不同的加工阶段中选择的基准也有区别。遵照以上原则本设计中，就该整体叶轮而言，其基准可以通过数控车床的加工获得良好的表面后变成随后叶轮的加工基准。2.2.3 刀具准备整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐热合金等难切削材料进行加工。所以本设计采用 HSK 高速刀柄，由于加工时叶片的纹理要求所使用的刀具切削刃长度应大于 70mm，刀具总长度应大于120mm，并采用整体硬质合金涂层刀具。2.2.4 装夹方案工件装夹原则：（1）在熟悉产品图样、工艺文件和工艺装备的基础上进行工件的装夹；（2）在机床工作台面上安装夹具时，要擦净其定位基准面，并找正加工要求的相对位置；（3）工件装夹前应将其定位面、夹紧面，夹具的定位面擦拭干净，不得有毛刺，保证定位精度；（4）按工艺规定的定位基准装夹，定位基准符合以下原则：a)尽可能使设计基准、加工基准、检验基准重合，便于加工尺寸链的换算和测量；b)尽可能使各加工面采用同一定位基准，容易保证形位公差，如平行度、同心度、垂直度等； c)粗加工基准选取应结合后续工序的定位要求，有利于提高加工精度；精加工工序定位基准应是巳加工表面，使定位准确、加工精度高；d)选择的定位基准必须使工件定位、夹紧方便，加工时稳定可靠。（5）夹紧工件夹紧力的大小适当，夹紧力的作用点应通过支承面，尽可能靠近加工面；对刚性较差或是悬空的工件，应增加辅助支承以增强刚性；（6）夹紧精加工面应以铜皮作软垫保护，不损坏巳加工表面；(7)工面应尽可能靠近床头箱，选取适当刀具增强系统刚性，提高加工表面粗糙度。(8)用四爪夹叶轮外径或后口环，以流道中心或前后盖板流道面作轴向找正基准及叶轮进口直径作径向找正后夹紧，粗车叶轮进口端口环留精车余量 1-2mm，及前板面，本工序保证叶轮流道的相对位置。遵循以上装夹标准本设计采用芯轴装夹定位，也可以考虑在毛坯上制出键槽进行辅助定位，并制作适应芯轴定位装夹的专用工装。由于这不是本文研究重点所以就不多做研究。2.2.5 划分工序工序：一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。划分工序的主要依据是工作地是否变动和工作是否连续。加工工序安排原则：（1）先粗后精的原则。（2）基准面先加工原则。（3）先面后孔原则(4)先内后外原则。（4）减少换刀次数的原则。（5）连续加工的原则。工序划分原则：（1）按所用刀具划分。以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序，这种方法适用于工件的待加工。表面较多。机床连续工作时间过长。加工程序的编制和检查难度较大等情况。加工中心。常用这种方法划分。（2）按安装次数划分以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序，这种方法适用于工件的加工表面不多。的工件，加工完成后就能达到待检。（3）按粗精加工划分以粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序过程为一道工序。精加工中完成的那一。那一部分过程为一道工序，这种划分方法适用于加工后变形较大，需粗精加工分开的零件。（4）按加工部位划分以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序，对于加工表面多尔复杂的零件，可按其结构特点如内型，外形，曲面和平面等划分成多道工序。按以上原则划分叶轮加工工序如下：1.工序 1用 16R2 圆鼻刀粗加工。工序 1 的具体内容如表 1 所示。表 1 工序 1加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格 16R2 圆鼻刀刀具材料 硬质合金主轴转速 6000r/min 加工余量 2.5进给速度 3500mm/min 曲面精度 0.03mm切削宽度 12mm 切削深度 2mm工艺分析：机床规格小，粗加工采用小负载快速加工速加工效果较好2.工序 2用 16R2 圆鼻刀开粗加工。工序 2 的具体内容如表 2 所示。生成的刀具路径和加工仿真如图 7、图 8 所示。表 2 工序 2加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格 16R2 圆鼻刀刀具材料 硬质合金主轴转速 6000r/min 加工余量 1进给速度 3500mm/min 曲面精度 0.03mm切削宽度 8mm 切削深度 1工艺分析：开粗时，注意使用上道工序的毛胚跟踪功能3.工序 3用 12R6 球头刀半精加工。工序 3 的具体内容如表 3 所示。生成的刀具路径和加工仿真如图 9、图 10 所示。表 3 工序 3加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格 12R6 球头刀 刀具材料 硬质合金主轴转速 6000r/min 加工余量 0.5进给速度 2500mm/min 曲面精度 0.02m切削宽度 4mm 切削深度 0.5工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象4.工序 4用 12R6 球头刀精加工。工序 4 的具体内容如表 4 工序 4 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格 12R6 球头尖刀刀具材料 硬质合金主轴转速 6000r/min 加工余量 0.5进给速度 2500mm/min 曲面精度 0.02m切削宽度 4mm 切削深度 0.5工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象5.工序 5用 10R5 球头刀除流道残料加工。工序 5 的具体内容如表 5 所示。表 5 工序 5加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格 10R5 球头刀刀具材料 硬质合金主轴转速 6000r/min 加工余量 0进给速度 2500mm/min 曲面精度 0.005mm切削宽度 0.5mm 切削深度 8工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响6.工序 6用 10R5 球头刀清根加工。工序 6 的具体内容如表 6 所示。表 6 工序 6加工方式 VARIABLE_CONTOUR刀具规格 16R2 圆鼻刀刀具材料 硬质合金主轴转速 10000r/min 加工余量 0mm进给速度 4500mm/min 曲面精度 0.005mm切削宽度 0.02mm 切削深度 60mm工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响7.工序 7多刀具清角加工。工序 7 的具体内容如表 7 工序 7加工方式 VARIABLE_CONTOUR刀具规格 10R5 球头刀 刀具材料 硬质合金涂层刀具规格 8R4 球头刀 刀具材料 硬质合金涂层刀具规格 6R3 球头刀 刀具材料 硬质合金涂层刀具规格 12R2 圆鼻刀 刀具材料 硬质合金涂层主轴转速 150000r/min 加工余量 0mm切削宽度 0.01 曲面精度 0.005mm进给速度 6000mm/min 切削深度 60mm工艺分析:根部圆角的加工是重要的一步，采用相同的加工方式不同的刀具直径逐渐逼近设计要求2.2.6 测量准备对于叶轮这样的复杂型面，手工方法无法确定精度，主要采用三坐标测量机进行型面数据检测。把采集到的数据与几何建模实体进行比较来检测加工精度。2.3 工艺文件编制工艺过程卡产品名称图号现代制造技术系机械加工工艺卡 零件名称整体式叶轮共 1 页 第 1 页毛坯种类铝铸件材料牌号毛坯尺寸 100*50工具序号工种 工步 工艺内容备注夹具刀具 量具1 下料 铸件卡盘2 粗洗流道3流道加工精细流道立铣刀4 粗铣叶片5叶片加工精铣叶片球头刀67加工中心清根 倒角加工 根部清理卡盘 球头刀三坐标测量机工序卡零件名称 整体式叶轮 零件图号 图 1 夹具名称 卡盘设备名称及型号 加工中心材料名称及牌号 铝铸件 硬度 75HBS 工序名称 叶轮的开 工序号 1粗切削用量 刀具 量具工步号 工步内容n f ap 编号 名称 名称1 流道粗加工 6000 3500 2 1 T0101三坐标测量机2 叶片粗加工 6000 3500 1 1 T0101三坐标测量机1 流道半精加工 6000 2500 2 2 T0202三坐标测量机2 叶片半精加工 6000 2500 1 2 T0202三坐标测量机1 流道精加工 6000 2500 0.5 3 T0303三坐标测量机2 叶片精加工 6000 2500 0.5 3 T0303三坐标测量机1 清根 15000 6000 0.1 4T0404T0505T0606T0303刀具卡产品名称或代号零件名称 典型轴 零件图号序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注1 T01 8R2 立铣刀 1 叶轮粗加工2 T02 12R6 球头刀 1 半精加工3 T03 10R5 球头尖刀 1 精加工4 T04 8R4 球头刀 15 T05 6R3 球头刀 16 T06 12R2 立铣刀 1清根编制 审核 批准 第 1 页2.4 编程软件的准备目前，国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用加工软件，主要有美国NREC 公司的 MAX-5、MAX-AB 叶轮加工专用软件，瑞士 Starrag 数控机床带有的整体叶轮加工模块，还有 HyperMill 等专用的加工软件。此外，一些通用的CAD/CAM 软件，如 UG、CATIA、Delcam 等也可用于整体叶轮的加工，本设计应用的是 UG NX 通用编程软件。3 叶轮的实体造型叶轮类零件是一类具有代表性的复杂零件，被广泛应用于航空航夭领域。叶轮结构复杂：种类繁多。工作型面的设计涉及到了空气动力学等多个学科，因此曲面造型质量、加工手段等对叶轮性能参数都有很大的影响。精确的几何实体造型是叶轮数控加工的必要前提。研究整体叶轮的实体造型因而具有重要意义。许多不断成熟起来的 CAO/CAM 软件为高精度的叶轮造型提供了有力的支持，比如 Siemens PLM Software 公司的 UG NX。U6 NX 是一款集 CAD/CAM/CAE 于一体的工程软件，它具有较强的曲面造型和数控加工编程功能，并且提供了应用开发模块，为用户提供二次开发接口，给复杂曲面的数控加工带来了很大的方便。本文基于 UG NX 曲面造型系统，研究了整体叶轮实体造型的具体过程和一般原则。3.1 叶轮造型方法概述整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。叶片曲面为光顺性、连续性要求较高的自由曲面，其截面线是复杂的自由曲线，因此叶片实体造型难度较大。目前，一般先创建截面线，再采用通过截面线(through curve 引的方法进行叶片的曲面造型。轮毅的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过旋转(RevolVe)命令对截面线串旋转，再创建轮毂回转体。可见，整体叶轮造型的关键是叶片实体的造型。叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复杂。叶轮的设计图样提供了叶片五个截面的数据点坐标(如图 3-1)及前(后)缘处圆弧所在圆的圆心和直径(如图 3-2)。笔者通过对满足设计要求的叶片实体造型方法的研究，提出其造型过程中需要遵循的般原则。图 3-1 叶片五截面数据图 3-2 前（后）球截面线处的图和控制（1）在保证精度的条件下，应尽可能降低样条曲线的次数，推荐使用不超过四次的曲线，且五个截面要生成相同次数的曲线。（2）在每个截面样条曲线的前、后缘曲率比较大的部位，控制顶点的分布要密一些，而在曲率比较小、叶身曲线比较平直的部位，给定稀疏的均匀分布点即可。（3）五个裁面样条曲线上相应控制顶点的数量尽量相等，且分布的变化规律相同。（4）尽量使截面样条曲线的曲率变化均匀。3.2 叶片的创建3.2.1.截面数据的获取与处理叶轮叶片截面线数据的获取主要有两种方法一种是通过对实体进行测量获取数据点坐标，另一种是通过理论计算获取数据点。本文的原始数据点是通过测量获得，即先通过对叶轮原型的几何尺寸进行测量，再根据测量的数据重建此零件的 CAD 模型。原始数据的测量，主要分为接触式和非接触式两类：接触式测量(如三坐标测量机、机械手式测量机)具有精度高、减少冗余数据的优点，是直接对所需截面进行测量，得到截面线数据列表，但效率较低；非接触式测最常采用激光扫描(如结构光测量仪)，数据完整、效率高，同时数据量大，对数据后续处理带来负担。利用激光扫描采集的数据通常是无序散乱的“点云” 。数量较大需要先进行去噪处理，再利用分割面将数据点云处理成按扫描线存储的“结构化”测量数据；经过排序最后亦可得截面线数据列表。叶片基于 UG NX 的曲面造型，通常采用通过截面线(through Curves)的方法进行。根据获得的截面列表曲线坐标点，把造型所需的数据文件转化成 UG NX 能够识别的数据格式，即.dat 文件，为每个截面线创建一个文件，方便截面线数据的读取和修改。本文的叶片模型是给定了五个截面线的数据点，需要创建五个数据文件。3.2.2 截面线曲线的创建一般每个截面曲线由四段曲线拼接而成，包括凸面、凹面的三次祥条曲线和前(后)边缘处半径很小的圆弧，这满足在拼接点一阶导数连续，其他点处保持一阶、二阶导数都连续。用这种方法生成的截面线再扫掠生成叶片实体，如果叶片实体的光顺性达不到要求，需要重新对点的坐标进行修改，重新生成截面线，再根据修改的裁面线扫掠生成实体，因此工作量非常大，且许多原始数据都是通过对实物的实际测量获得，误差较大。在造型过程中，需要不断对叶片数据进行修改，因而这种截面线的构造方法是不可取的。在实例的设计要求中给出了叶高方向五个截面的原始数据(包括叶片型线坐标点，前(后)缘两段圆弧的圆心和半径)，需要通过给定数据点为每个截面插值生成一条样条曲线。本文首先很据图样给定的前(后)缘处的回心和半径数据做圆；然后以此圆为参考，调节样条曲线前(后)缘处的控制顶点，使截面样条线在前(后)缘处尽量贴合所做的圆。通过这种方法拟合成五个截面样条曲线，扫掠生成的叶片实体如果不满足光顺要求，只需对控制顶点进行调节。即可完成对叶片实体的光顺处理。这不需姿重新扫掠截面线生成实体，工作变得简单，更符合 uG 的参数化设计理念。其具体实现步骤如下。先选择“样条曲线(SPllne)”命令，选择种样条曲线拟合方式，使用“Through Points”方式，使样条曲线通过测量所得的点 f 当然还要根据光顺性要求不断对控制顶点进行调整和修改，使样条曲线在满足光顺要求的条件下，尽可能通过或贴合测量的数据点)，把上文生成的五个dat 又件数据分别导人，生成五条封闭的样条曲线。在保证精度的条件下，应尽可能降低样条曲线的次数，这可使曲线更接近特征多边形，能够更好地控制样条曲线。本文使用了三发样条曲线，且五个截面生成的曲线次数相同。在五个截面线前(后)缘处，根据图样给定的圆心和半径数据分别做圆。根据所做的圆，调节样条出线前(后)缘处的控制顶点。使样条曲线在前(后)缘处尽量贴合所做的圆，这使样条曲线满足误差和光顺的要求，如图 3-3 所示。特别需耍注意的是在每个截面的前(后)缘曲率比较大的部位，可适当加密控制点来约束曲线变化。而在曲率比较小、叶身皿线比较平直的部位，只绘定较稀疏的均匀分布点即可(如图 3-4)。调节截面线上的控制顶点，尽量使截面线的曲率均匀变化，修改后的五条截面线如图 3-5 所示。图 3-3 截面线前（后）缘图 3-4 截面线的控制点图 3-5 修改后的 5 条截面选3.2.3 通过拟合出的截自线扫掠生成叶片实体选择“通过曲线(Through curves)“命令，选择拟合好的五条截面线，注意一定要使五条截面线的初始矢量趋势相同。如图 3-6 所示，否则生成的叶片表面会出现扭曲现象。在“Aligment”项中选择“By Points”方式，即在每个截面线上的相应位置取点，扫掠生成曲面时使这些点相对应，如图 3-7 所示。需要在前(后)缘部位取点，否则会在前(后)缘部位产生扭曲变形或不能生成一整张叶片曲面，这是笔者在实际工作中多次尝试所得出的经验。3-6 截面线初始矢量3-7 截面线的对应点本文中截面线数据是通过测量方法得到，难免会产生误差，拟合成的曲面客易出现凹凸现象，这需要对产生凹凸现象区域的曲线上点进行调整，再重新拟合曲面，经过反复尝试最后得到光滑的叶片实体，如图 3-8 示。3-8 滑叶片实体3.3 创建轮毂并生成叶轮实体轮毂的创建较为简单，有两种方式可以选择，一种是直接进行三维建模，另一种是先创建草图再进行旋转。本文采用第二种方法，在草图方式下先创建截面线串，再利用旋转(RevolVe)命令对截面线串旋转，创建轮毂回转体，如图3-9。最后创建叶轮实体，如图 3-10图 3-9 轮毂3-10 叶轮实体本文是基于 uG NX 的整体叶轮实体造型研究，详细论述了从叶片数据的获得和处理，截面线的生成和修改，至拟合成光滑的叶片实体的整个过程。同时总结了在叶轮造型过程中需要注意的些问题，完成了符合要求的叶轮造型，这为后续的数控加工提供了有力的保证。4 基于 UG 的整体叶轮数控编程整体叶轮作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节。但是由于整体叶轮结构的复杂性，其数控加工技术一直是制造行业的难点。以典型的 CAD/CAM 软件UG，编制出深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机的转子的五坐标加工程序，并在 MIKRON HSM400U 五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控加工方案及程序的可行性。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，主要有美国 NREC 公司的 MAX-5，MAX-AB 叶轮加工专用软件，瑞士 Starrag 数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有 Hypermill 等专用的叶轮加工软件。此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E 等也可用于整体叶轮加工。目前，国内只有少数几家企业（如：西北工业大学等院校和航空航天系统一些发动机专业厂、专业所）可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有很大差距。总体上我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距，很多企业的软、硬件都依靠进口，自主版权的软件在生产中未见推广应用，在窄槽道、小轮毂比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关，因此研究高性能叶轮的加工技术势在必行。4.1 整体叶轮的 CAD/CAM 系统结构图整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用数控加工方法加工整体叶轮的 CAD/CAM 系统结构图2如图 4-1图 4-1 的 CAD/CAM 结构图4.2 微型压气机转子的结构特点及加工难点国内大多数整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，而本文研究的叶轮是北航能源与动力工程学院自主开发的微型航空发动机上的压气机转子。压气机转子出口直径为 89mm，有 8 片一级叶片，8 片二级叶片，出口叶片高度 3mm，叶轮进口直径 44.3mm，进口叶片高度 17.15mm，叶片厚度最薄处 0.4mm，相邻叶片间最小间距为 3.1mm，如图 4-2图 42 压气机转子叶轮为了使气动性设计达到了国际先进水平，压气机转子采用了大扭角，根部圆角等结构，给加工提出了很高的要求。转子加工难度如下： （1）国际上同等直径 81mm 的整体叶轮通常有 12 片叶片或 14 片叶片，而此转子有 16 片叶片，而且它的二级叶片也较长，这些都使加工槽道进一步变窄，加工难度进 （2）在刀具直径为 2.5mm 情况下，刚性差，容易断，控制切削深度也是关键。 （3）此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。有时为了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难。 （4）前缘圆角曲率半径变化很大，加工过程中机床角度变化较大，并且实现环绕叶片加工较难； （5）由于叶轮强度的需要，轮毂与叶片之间还采用变圆角。由于槽道窄，叶片高，变圆角的加工也是个难点。 总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。 4.3 压气机转子的仿真加工工艺方案叶轮整体加工采用轮毂与叶片在一个毛坯上进行成形加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法。其加工工艺方案如下： （1）为了提高整体叶轮的强度，毛坯一般采用锻压件，然后进行基准面的车削加工，加工出叶轮回转体的基本形状。压气机转子的毛坯如图 4-3 所示。图 4-3 压气机转子毛培（2）叶轮气流通道的开槽加工 开槽加工槽的位置宜选在气流通道的中间位置，采用平底锥柄棒铣刀平行于气流通道走刀，并保证槽底与轮毂表面留有一定的加工余量，如图 4-4 所示。图 4-4 叶轮路气流通道加工其中平底锥柄棒铣刀为硬质合金刀具，其规格为：平底部分直径为：3mm，半锥角为 2，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。 此步选用的主轴转速为：10000r/min，进给速度为：800mm/min。在数控机床的控制面板上一般备有主轴转速、进给速度修调（倍率）开关，可在加工过程中根据实际加工情况对主轴转速、进给速度进行调整。 （3）叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加工 扩槽加工采用球形锥柄棒铣刀，从开槽位置开始，从中心向外缘往两边叶片扩槽，扩槽加工要保证叶型留有一定的精加工余量。通常情况下，扩槽加工与精铣轮毂表面在一次加工完成。由于此叶轮槽道窄、叶片高、扭曲严重，且 UG 数控加工编程需要根据驱动面来决定切削区域，因此扩槽加工需要分两部分来加工。 第一部分：选择驱动面为轮毂面，进行扩槽。此时不能加工到轮毂表面，还需进一步扩槽加工； 第二部分：进一步扩槽及叶片粗加工。选择驱动面为叶片表面的偏置面，在叶片粗加工的同时，进一步扩槽。 其中球形锥柄棒铣刀为硬质合金刀具，其规格为：球头部分直径为：3mm，半锥角为 2，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。此步选用的主轴转速为：20000r/min，进给速度为：3000mm/min。 （4）叶片、轮毂的精加工 在均匀余量下进行的精加工，保证了良好的表面加工质量，采用球头铣刀精加工，因为相邻叶片间最小间距为 3.1mm，且叶片最深处为 17.15mm，考虑到干涉，转子精加工刀具采用瑞士 Fraisa 公司的直径 2.5 的球头棒铣刀，刀具避空位为20mm。加工时的主轴转速为：260000r/min，进给速度为：5000mm/min。 （5）变圆角精加工 大、小叶片的左侧为变圆角，圆角半径从叶片前缘到尾缘为 1.25mm 到 2.2mm到 1.25mm 线性变化。其中最大圆角发生在靠近尾缘 22处。叶片右侧为常数圆角 1.25mm。变圆角可以通过一次走刀加工完成，这时刀具球头部分的半径至大为变圆角的最小半径。选择的刀具、主轴转速、进给速度，同叶片、轮毂的精加工。 以上程序都要经过分度、旋转，加工完全部的轮毂或叶片再执行下一个程序，保证应力均匀释放，减少加工变形误差。4.4 整体式叶轮的数控程序编制4.4.1 用 UG 加工压气机转子的流程图用 UG 进行转子数控编程时，通常以如图 5 所示的流程图为引导，用以创建各操作的刀位轨迹，并贯穿加工的整个过程。图 4-5 UG 加工流程图4.4.2 数控程序编制4.4.2.1 建立父节点组 （1）在刀具节点下，加入加工用到的所有刀具，并设置其刀具参数；（2）在几何节点下，选择毛坯、设置加工坐标系、选择避让几何为转子实体； （3）在方法节点下，设置粗、半精、精加工时的主轴转速、进给率及刀位轨迹的显示颜色。 4.4.2.2 叶轮气流通道的开槽加工 抽取流道曲面，U、V 参数线如图 4-6（a）所示。因为叶轮通道的加工需要沿气流方向，所以重新排列流道的 U、V 参数线，使 U 参数或 V 参数线沿气流方向。因为此流道曲面的特殊性，重新调整 U、V 参数后，流道面分成了三片曲面。重新排列后的 V 参数线如图 4-6（b）所示，是沿气流方向的。1、流道前端曲面（如图 4-6(b)中的 1 面）的加工。图 4-6(a) 原流道曲面的 U、V 参数曲线图 4-6（b）调整后的曲面 U 参数采用可变轴曲面轮廓铣（Variable Contour） ，加工深度越深，干涉越严重，采用一种刀轴控制方式不一定合适，因此分成两种刀轴控制方式进行。一种为：Normal to Drive（用于上半层加工） ，一种为：Toward Point（用于下半层加工） 。 加工上半层，程序的参数设置如下： (1）驱动方法（Drive Method）采用 Surface Area； (2）驱动几何选用流道前端曲面，即图 6(b)中的 1 面； (3）建立避让几何，以零件整体作为避让几何，如果干涉则自动退刀，一般粗加工时选用自动退刀来避免干涉。 (4）粗加工，行距选择 Tolerance=0.1mm。(5）刀轴控制方式为：Normal to Drive。(6）切削区域中 Surface%的 Start step、End step 都设置为：50，表示在加工面中间位置切削一刀。(7）设置 Non-Cutting，即非切削运动，选用沿刀轴进退刀。(8）Cutting 下，设置 Stock 余量：7mm；设置 Multiple passes（多层加工） ，每层切深为 0.5mm。加工下半层，程序的参数设置如下：(1）刀轴控制方式为：Toward Point。 (2）Cutting 下，设置 Stock 余量：0.2mm；设置 Multiple passes（多层加工） ，每层切深为 0.5mm。 (3）其它参数设置，同加工上半层的程序。 因为可变轴曲面轮廓铣关键是选择刀轴控制方式，因此后续的加工只说明刀轴控制方式。 2、流道左端曲面（如图 4-6(b)中的 2 面）的加工 采用的是可变轴曲面轮廓铣，加工本曲面，刀轴控制方式一种是 Normal to Drive（用于上半部分加工） ，一种是 Relative to Drive（用于下半部分加工） 。流道右端曲面（如图 4-6(b)中的 3 面）的加工 此曲面曲率变化很平缓，曲面上各点法向与叶片曲面夹角都接近 0，因此加工此曲面所选择的刀轴控制方式为 Normal to Drive。生成加工刀轨如图 4-7 所示。图 4-7 开槽加工4.4.2.3 叶轮气流通道的扩槽加工 扩槽加工刀轨类似开槽加工，只是切削区域中 Surface%的 Start step 设为：0、End step：100，表示切削整个流道面，生成刀轨如图 4-8 所示：图 4-8 粗加工仿真4.4.2.4 进一步扩槽和叶片的粗加工 扩槽加工后已经加工掉流道大部分余量，为了保证精加工之前有均匀的加工余量，提高最终的表面加工质量，此步是继续扩槽和叶片粗加工。加工驱动面选择叶片的偏置面，如图 4-9 所示，流道、叶片粗加工后的仿真结果如图 4-8 所示。图 4-9 叶片粗加工刀轨4.4.2.5 转子一级、二级叶片的精加工(吸力面、压力面、前圆角) 从吸力面过渡到压力面曲率变化剧烈，因此，采取吸力面、压力面、前圆角分开加工。一级、二级叶片型面类似，加工参数是类似的，下面是叶片精加工的通用参数设置。（1）驱动几何选择要加工曲面； （2）刀轴控制方式为：Relative to Drive，关键是选择参数Tilt、Lead； （3）设置 Non-Cutting，选用沿切削方向进刀、沿刀轴方向退刀； （4）精加工 Stock 设置为：0mm；生成的加工刀轨，如图 4-10。图 4-10 大小叶片吸力面刀轨4.4.2.6 叶片根部变圆角精加工 因为变圆角的曲率变化剧烈，因此用 Relative(Normal) To Drive 控制刀轴方向容易与其它叶片干涉，因此大、小叶片的刀轴控制方式都为：Toward Line，有时只用一条控制刀轴线，还不能控制加工一张完整的曲面，可能要选用几条控制线。大叶片左侧变圆角加工刀轨如图 4-11、小叶片左侧变圆角加工刀轨，如图 4-12。图 4-11 大叶片左侧变圆角加工刀轨图 4-12 小叶片变圆角加工刀轨实验结果证明此微型整体叶轮数控加工的方案是可行的，用 UG 可以实现复杂微型整体叶轮的数控加工编程，加工效果良好。4.5 程序的生成（1）后置处理（2）程序生成（见附录）5 结论本课题是整体叶轮的造型、数控加工仿真及数控编程。是利用 UG 软件CAD/CAM 进行造型和数控加工仿真，并设计整体叶轮的仿真加工。目前，整体叶轮加工的研究还在不断的进行新的试验，尤其是在提高加工精度和扩展工艺范围方面有着不小的成就，相信通过不懈的研究、探索，这项新技术一定会日臻完善，在加工业中起愈来愈重要的作用。致谢这次毕业设计说明书、零件的工艺、造型、仿真及后置处理的顺利完成，首先要感谢我的指导教师张德红老师，在毕业设计说明书及零件的工艺造型、仿真及后置处理中，对我不懂的知识及模糊地方无微不致的指导和帮助，再次向他表示衷心的感谢。我还要感谢曾经的任课教师黄河、廖璘志、阳彦雄、刘学航、袁永富、周文超、王信等教师，是他们让我学到了很多知识才使我的毕业设计能够按期完成。在此我还要特别感谢周星星、曾勇同学在这次毕业设计中给予我的帮助。感谢学校给予的支持和帮助，感谢同学们的无私帮助。同时还要感谢在百忙之中进行论文评审的老师们，对论文的不足之处敬请批评指正！参考文献1胡忆沩主编.实用带压密封夹具图集M.北京：机械工业出版社，19982 朱耀祥主编.组合夹具-组装，应用，理论-M.北京：机械工业出版社，19903 洪如瑾主编.UG NX2 CAD 快