基于UG的发动机整体叶轮数控编程研究

1、基于UG的发动机整体叶轮数控编程研究         1 前言    整体叶轮作为透平（Turbine）机械的关键部件，广泛地用于航空、航天等领域，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。因此它的加工技术一直是透平制造行业中的一个重要课题。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件1，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

2、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。    2 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

3、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1所示。    3 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81mm，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

4、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2。    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，根部变圆角等结构，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，加工难度进一步增加。    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。  &

5、#160; 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。  

6、;  4 压气机转子的加工工艺方案    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3-4：    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3所示。    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

7、4所示。5 压气机转子的数控程序编制    5.1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2。    1、流道前端曲面（如图6(b)中的1面）的加工    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

8、 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 t

9、o 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； &#

10、160;  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）。    （3）流道右端曲面（如图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0º，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7所示。    6 结论    在MIKRON HSM400U机床上实际加工