基于UG的發動機整體葉輪數控編程研究

1 前言

整體葉輪作為透平（Turbine）機械的關鍵部件，廣泛地用于航空、航天等領域，其質量直接影響其空氣動力性能和機械效率。因此它的加工技術一直是透平制造行業中的一個重要課題。目前國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用軟件[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數控機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，國內只有少數幾家企業（如：西北工業大學等院校和航空航天系統一些發動機專業廠、專業所）可以加工整體葉輪，而且工藝水平距國際先進水平尚有很大差距。總體上我國葉輪加工領域的研究與應用同發達國家相比還有很大差距，很多企業的軟、硬件都依靠進口，自主版權的軟件在生產中未見推廣應用，在窄槽道、小輪轂比等高性能葉輪制造技術方面尚未過關，因此研究高性能葉輪的加工技術勢在必行。

2 整體葉輪的CAD/CAM系統結構圖

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體的基本形狀，在五軸數控加工中心上使輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成，它可以滿足壓氣機葉輪產品強度要求，曲面誤差小，動平衡時去質量較少，因此是較理想的加工方法。五軸數控加工技術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。采用數控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統結構圖[2]如圖1所示。

3 微型壓氣機轉子的結構特點及加工難點

國內大多數整體葉輪都是根據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院自主開發的微型航空發動機上的壓氣機轉子。壓氣機轉子出口直徑為81mm，有8片一級葉片，8片二級葉片，出口葉片高度3mm，葉輪進口直徑44.3mm，進口葉片高度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。

為了使氣動性設計達到了國際先進水平，壓氣機轉子采用了大扭角，根部變圓角等結構，給加工提出了很高的要求。轉子加工難度如下：

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一步變窄，加工難度進一步增加。
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鍵。
3、此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴重，并且有后仰的趨勢，加工時極易產生干涉，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，加工過程中機床角度變化較大，并且實現環繞葉片加工較難；
5、由于葉輪強度的需要，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，國內還未見有加工出此種高難度的整體葉輪。

4 壓氣機轉子的加工工藝方案

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度，毛坯一般采用鍛壓件，然后進行基準面的車削加工，加工出葉輪回轉體的基本形狀。壓氣機轉子的毛坯如圖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合金刀具，其規格為：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。

此步選用的主軸轉速為：10000r/min，進給速度為：800mm/min。在數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速、進給速度修調（倍率）開關，可在加工過程中根據實際加工情況對主軸轉速、進給速度進行調整。

3、葉輪氣流通道的擴槽加工及葉片的粗加工

擴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槽，擴槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下，擴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、扭曲嚴重，且UG數控加工編程需要根據驅動面來決定切削區域，因此擴槽加工需要分兩部分來加工。

第一部分：選擇驅動面為輪轂面，進行擴槽。此時不能加工到輪轂表面，還需進一步擴槽加工；
第二部分：進一步擴槽及葉片粗加工。選擇驅動面為葉片表面的偏置面，在葉片粗加工的同時，進一步擴槽。

其中球形錐柄棒銑刀為硬質合金刀具，其規格為：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。此步選用的主軸轉速為：20000r/min，進給速度為：3000mm/min。

4、葉片、輪轂的精加工

在均勻余量下進行的精加工，保證了良好的表面加工質量，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。加工時的主軸轉速為：260000r/min，進給速度為：5000mm/min。

5、變圓角精加工

大、小葉片的左側為變圓角，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。其中最大圓角發生在靠近尾緣22％處。葉片右側為常數圓角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、主軸轉速、進給速度，同葉片、輪轂的精加工。

以上程序都要經過分度、旋轉，加工完全部的輪轂或葉片再執行下一個程序，保證應力均勻釋放，減少加工變形誤差。

5 壓氣機轉子的數控程序編制

5.1用UG加工壓氣機轉子的流程圖

用UG進行轉子數控編程時，通常以如圖5所示的流程圖為引導，用以創建各操作的刀位軌跡，并貫穿加工的整個過程[2]。

5.2數控程序編制

5.2.1建立父節點組

1、在刀具節點下，加入加工用到的所有刀具，并設置其刀具參數；
2、在幾何節點下，選擇毛坯、設置加工坐標系、選擇避讓幾何為轉子實體；
3、在方法節點下，設置粗、半精、精加工時的主軸轉速、進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參數線，使U參數或V參數線沿氣流方向。因為此流道曲面的特殊性，重新調整U、V參數后，流道面分成了三片曲面。重新排列后的V參數線如圖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，程序的參數設置如下：

1）驅動方法（Drive Method）采用Surface Area；
2）驅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）切削區域中Surface%的Start step、End step都設置為：50，表示在加工面中間位置切削一刀；
7）設置Non-Cutting，即非切削運動，選用沿刀軸進退刀；
8）Cutting下，設置Stock余量：7mm；設置Multiple passes（多層加工），每層切深為0.5mm。

加工下半層，程序的參數設置如下：

1）刀軸控制方式為：Toward Point；
2）Cutting下，設置Stock余量：0.2mm；設置Multiple passes（多層加工），每層切深為0.5mm。
3）其它參數設置，同加工上半層的程序。

因為可變軸曲面輪廓銑關鍵是選擇刀軸控制方式，因此后續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葉輪氣流通道的擴槽加工

擴槽加工刀軌類似開槽加工，只是切削區域中Surface%的Start step設置為：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進一步擴槽和葉片的粗加工

擴槽加工后已經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量，此步是繼續擴槽和葉片粗加工。加工驅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果如圖10所示。

5.2.5轉子一級、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，加工參數是類似的，下面是葉片精加工的通用參數設置。

1）驅動幾何選擇要加工曲面；
2）刀軸控制方式為：Relative to Drive，關鍵是選擇參數Tilt、Lead；
3）設置Non-Cutting，選用沿切削方向進刀、沿刀軸方向退刀；
4）精加工Stock設置為：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。大葉片左側變圓角加工刀軌如圖12、小葉片左側變圓角加工刀軌，如圖13。

6 結論

實驗結果證明此微型整體葉輪數控加工的方案是可行的，用UG可以實現復雜微型整體葉輪的數控加工編程，加工效果良好。此加工件已經用于微型發動機的試車實驗。