南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文基于ug的發(fā)動(dòng)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(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(zhuān)用軟件1，主要有美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專(zhuān)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(zhuān)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：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(zhuān)業(yè)廠、專(zhuān)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?？傮w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(chē)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(mǎn)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)。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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文為了使氣動(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。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)難點(diǎn)?？傊?，此葉輪的窄槽道、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(chē)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。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文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)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)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文槽。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(guò)一次走刀加工完成，這時(shí)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(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5.2數(shù)控程序編制5.2.1建立父節(jié)點(diǎn)組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。5.2.2葉輪氣流通道的開(kāi)槽加