基于UG軟件的整體葉輪模型設(shè)計(jì)

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1、1 緒論 1.1課題的確定 整體式葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。從整體式葉輪的幾何結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程可以看出：加工整體式葉輪時(shí)加工軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰的葉片之間空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動(dòng)生成無(wú)干涉加工軌跡比較困難。因此在加工葉輪的過(guò)程中不僅要保證葉片表面的加工軌跡能夠滿足幾何準(zhǔn)確性的要求，而且由于葉片的厚度有所限制，所以還要在實(shí)際加工中注意軌跡規(guī)劃以保持加工的質(zhì)量。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多采用國(guó)外大型CAD/CAM軟件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等[1]。 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展

2、，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高推重的要求，在新型中小發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中大量采用整體結(jié)構(gòu)葉輪。選擇數(shù)控加工仿真技術(shù)，適合加工種類(lèi)多、需求少、難加工的整體葉輪，減少整體葉輪加工的成本。本課題主要研究的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上整體葉輪的數(shù)控加工工藝、造型、數(shù)控加工仿真及數(shù)控編程。而且且本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的UG NX4.0對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃。下圖是葉輪零件（圖1-1，1-2，1-3）。 圖1-1 葉輪前視圖 圖1-2葉輪俯視圖 圖1-3 葉輪葉片之間的角度 1.2國(guó)內(nèi)（外）發(fā)展概況及現(xiàn)狀的介紹 通常在整體葉輪的設(shè)計(jì)圖上給出的是葉片中性面上頂部和根部的兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括頂部和根部

3、的一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)的葉片厚度值。本課題采用B樣條方法對(duì)葉輪曲面進(jìn)行造型。整體結(jié)構(gòu)葉輪（圖1－4）的應(yīng)用可使航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、工作效率、壽命及可靠性大大提高，因此在各類(lèi)新型發(fā)動(dòng)機(jī)及大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用愈來(lái)愈多，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著決定性的影響，而其葉片的形狀又是機(jī)械中最難加工的曲面構(gòu)成的。因此，整體葉輪的加工一直是機(jī)械加工中長(zhǎng)期困擾工程技術(shù)人員的難題。為了加工出合格的葉輪，人們想出了很多的辦法。由最初的鑄造成型后修光，到后來(lái)的石蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法。其中，也有的廠家利用三坐標(biāo)仿形銑。但是這些方法不是加工效率低下，就是精度或產(chǎn)品機(jī)械性能不佳，一直到數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)

4、用到葉輪的加工中，這些問(wèn)題才得到了根本的解決。 圖1-4 整體葉輪 葉輪加工的復(fù)雜性不僅在于其葉片是復(fù)雜的曲面造型，而且在于能否精確地加工出形狀復(fù)雜的葉輪已成為衡量數(shù)控機(jī)床性能的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。 曲面根據(jù)形成原理可以分為直紋曲面和非直紋曲面。直紋面又可分為可展直紋面和非可展直紋面，對(duì)于可展直紋面，完全可以使用非數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。而對(duì)于非可展直紋面和自由曲面（非直紋曲面）葉片的整體葉輪來(lái)說(shuō)，則必須用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床才能準(zhǔn)確地將其加工出來(lái)。 由于數(shù)控機(jī)床具有四軸聯(lián)動(dòng)或五軸聯(lián)動(dòng)的功能，則利用它進(jìn)行葉輪加工時(shí)，既可以保證刀具的球頭部分對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確地切削，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作使刀具的

5、刀體或刀桿部分避讓開(kāi)工件其它部分，避免發(fā)生干涉或過(guò)切。早在七十年代初我國(guó)的幾家大型企業(yè)就開(kāi)始將數(shù)控機(jī)床用于整體葉輪的加工上。目前，我國(guó)已有越來(lái)越多的廠家開(kāi)始采用鍛造毛坯后多坐標(biāo)NC加工成型的方法加工葉輪，尤其是國(guó)防工業(yè)中所用的關(guān)鍵葉輪，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪等。目前都已采用多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工。國(guó)內(nèi)所用的機(jī)床大多是引進(jìn)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的四、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。 這些年發(fā)展起來(lái)的高速切削在葉輪葉片加工中已經(jīng)廣泛使用。Starrag公司提供的五軸、四軸葉輪葉片加工機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5萬(wàn)轉(zhuǎn)/分。實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)速也常用到1萬(wàn)轉(zhuǎn)/分左右。使用硬質(zhì)合金刀具加工不銹鋼普遍切削速度為150米

6、/分。 在編程方面，葉輪的數(shù)控加工代碼的生成也是一個(gè)很重要的步驟。目前多數(shù)廠家采用通用CAD/CAM的商用軟件編制葉輪的數(shù)控加工程序。目前用得較多的有UG，CAM/AND等。采用這些軟件編程有不便之處，由于通用軟件并非針對(duì)某一種零件設(shè)計(jì)，所以其功能繁多、界面復(fù)雜。輸入?yún)?shù)后須經(jīng)過(guò)許多步驟才能編出程序，且需多次反復(fù)，而且編程人員必須對(duì)葉輪幾何造型很熟悉，同時(shí)用相當(dāng)多的時(shí)間學(xué)習(xí)掌握了通用軟件的使用方法才能編出葉輪數(shù)控加工程序。 也有部分工廠未采用通用軟件，而是針對(duì)某一葉輪編制了專(zhuān)用程序，但現(xiàn)在情況多是使用面窄，使用性能也較差。例如，航天機(jī)電集團(tuán)某廠所做風(fēng)扇是使用早年北京郵電大學(xué)研制的程序，此程

7、序還是DOS下所編制的，使用很不方便。航天機(jī)電集團(tuán)三院某所的加工轉(zhuǎn)子的軟件也是在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上改編的。 國(guó)際上有許多工廠與我國(guó)的情況類(lèi)似，也采用通用軟件編制葉輪數(shù)控加工程序。但一些先進(jìn)的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠商（如STARRAG）及專(zhuān)業(yè)的葉輪加工工廠（如美國(guó)的NREC）都推出了專(zhuān)用于葉輪的數(shù)控加工軟件包，如MAX-5，MAX-AB，STARRAG程序等。不采用通用的CAD/CAM軟件有一系列的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)閷?zhuān)用軟件的生產(chǎn)廠商通常都有多年的葉輪加工和數(shù)控編程的經(jīng)驗(yàn)，軟件中針對(duì)不同特征的葉輪設(shè)計(jì)了刀具路徑模板。對(duì)于葉輪加工中最易出現(xiàn)的干涉問(wèn)題，也有了充分的考慮。這些都是通用軟件所不具備的。另外，這些軟

8、件通常集成性好，可以和設(shè)計(jì)結(jié)果和工藝設(shè)計(jì)直接相連。作為專(zhuān)用軟件，界面更為簡(jiǎn)潔、重點(diǎn)突出，利于設(shè)計(jì)人員掌握。這些程序盡管編程性能優(yōu)良，但所包含的工藝信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、轉(zhuǎn)速表、進(jìn)給率表等，而缺乏推薦的切削刀具與切削量，更沒(méi)有如何減少加工變形的指南。 我國(guó)尚缺乏在這種專(zhuān)用于葉輪的數(shù)控加工的編程軟件，國(guó)內(nèi)少數(shù)工廠已經(jīng)認(rèn)識(shí)到專(zhuān)用軟件的優(yōu)越性，意欲引進(jìn)。但國(guó)外索價(jià)昂貴。所以開(kāi)發(fā)中國(guó)產(chǎn)權(quán)的葉輪數(shù)控加工軟件迫在眉睫[2]。 1.3本文所需解決問(wèn)題以及采用的手段和方法 整體葉輪采用了整體式結(jié)構(gòu)，并帶有復(fù)雜型面的扭曲葉片，因此增大了對(duì)葉片型面的加工和檢測(cè)難度，目前一般利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或?qū)Ｓ脺y(cè)

9、量樣板來(lái)測(cè)量來(lái)檢測(cè)整體葉輪的葉片型面誤差。由于本文所利用的整體葉輪型面數(shù)據(jù)點(diǎn)是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量采用精密展成電解法加工后的整體葉輪葉片的表面，故存在著一定的誤差。本文所需解決的問(wèn)題：曲面的確定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪模型的建立，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪數(shù)控加工仿真結(jié)果，利用UG軟件生成NC加工程序。 本文首先采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究曲面的加工方法，構(gòu)造的曲面應(yīng)保證曲面的連續(xù)性、光滑度，精度應(yīng)符合要求，再用UG軟件進(jìn)行整體葉輪的造型、數(shù)控加工仿真，對(duì)曲面加工進(jìn)行仿真，選擇的加工方式，刀具以及走刀路徑符合實(shí)際加工要求。生成的加工程序時(shí)，選擇某一種數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行后處理，生成加工的刀位文件。

10、在造型中由于所給的數(shù)據(jù)存在著一定的誤差，需利用B樣條曲線和直紋面來(lái)進(jìn)行擬合，使得整體葉輪大的葉片形狀更接近理想的整體葉輪。數(shù)控加工一直是整體葉輪加工的難題，本文主要是仿真四軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，使得通過(guò)后置處理的數(shù)控程序能夠應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床中去。整體葉輪數(shù)控展成電解加工這一課題經(jīng)過(guò)多年的研究探索，已取得了很大的進(jìn)展，初步形成了進(jìn)行整體葉輪加工的軟、硬件條件，并進(jìn)行了有關(guān)的工藝試驗(yàn)。但在整體葉輪加工的實(shí)用化方面做得還不夠，要真正加工出符合要求的零件，在工藝方面還有許多要完善的地方，如夾具的設(shè)計(jì)。 1.4本文研究成果及意義 根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，利用UG軟件得到整體葉輪的模型，并利用UG CAM生成數(shù)控加

11、工程序，以及整體葉輪的夾具設(shè)計(jì)。整體葉輪的葉片曲面一直以來(lái)都是加工中的難點(diǎn)，通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，經(jīng)后置處理應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上的程序代碼，加工后的葉片的葉盆型面精度可達(dá) 0.1mm，葉背面由0.5mm的加工余量由后續(xù)拋光工序完成。并且此方法技術(shù)柔性好，生產(chǎn)率高，質(zhì)量好，能夠滿足整體葉輪工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下，選用材料多為不銹鋼、合金鋼、耐熱合金等難切削材料進(jìn)行加工。 2 葉輪的加工工藝分析 2.1整體葉輪結(jié)構(gòu)工藝性分析 在本實(shí)例中，需要對(duì)整體葉輪的流道、葉片和圓角主要曲面進(jìn)行加工，如圖2-1所示。 圖2-

12、1 整體葉輪 另外，在葉片之間有大量的材料需要去除。為了使葉輪滿足氣動(dòng)性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據(jù)本例具體情況下面介紹其加工難點(diǎn)。 （1）加工槽道變窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛度較低，屬于薄壁類(lèi)零件，加工過(guò)程極易變形。 （2）槽道最窄處葉片深度超過(guò)刀具直徑的8倍以上，相鄰葉片空間極小，在清角加工時(shí)刀具直徑較小，刀具容易折斷，切削深度的控制也是加工的關(guān)鍵技術(shù)。 （3）本設(shè)計(jì)中的整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴(yán)重，并且有明顯的后仰趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度較大。有些葉輪由于有副葉片，為了避免干涉，要分段加工曲面，因此，保證

13、加工表面的一致性也有困難。 整體葉輪加工技術(shù)要求包括尺寸、形狀、位置和表面粗糙度等幾何方面的要求，也包括機(jī)械、物理和化學(xué)性能的要求。在對(duì)葉輪進(jìn)行加工前，必須對(duì)葉輪毛坯進(jìn)行探傷檢查。葉輪葉片必須具有良好的表面質(zhì)量。精度一般集中在葉片表面、輪轂的表面和葉根表面。表面粗糙度值應(yīng)小于Ra0.8um。截面間的型面平滑過(guò)渡。另外葉身的表面紋理力求一致，一致的流水線是最好的紋理表面，但這樣又限制了走刀方向，從而在一定程度上限制了加工的刀具軌跡。 整體葉輪在工作中為了防止振動(dòng)并降低噪聲，對(duì)整體葉輪對(duì)動(dòng)平衡性的要求很高，因此在加工過(guò)程中要綜合考慮葉輪的對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。在進(jìn)行UG編程時(shí)可利用葉片、流道等關(guān)于葉輪旋轉(zhuǎn)

14、軸的對(duì)稱(chēng)性的加工表面，可采用對(duì)某一元素的加工來(lái)完成對(duì)相同加工內(nèi)容不同位置的操作，如本設(shè)計(jì)就應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)陣列加工的操作。另外，應(yīng)盡可能減少由于裝夾或換刀造成的誤差。 2.2整體葉輪加工工藝準(zhǔn)備 2.2.1機(jī)床準(zhǔn)備 葉輪輪轂面及葉片分別由葉片中性面根部曲線和葉片中性面頂部曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)而成；經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)軸Z的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面為子午面；中性面是處于葉片壓力面和吸力面中間位置的曲面。對(duì)于輪轂曲面和包覆曲面，可分別由葉片根部曲線和葉片頂部曲線繞Z軸回轉(zhuǎn)而成。因此三軸機(jī)床根本無(wú)法加工出整體式葉輪，四軸機(jī)床業(yè)很難達(dá)到要求，所以加工整體式葉輪必須要用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床才能滿足加工要求。 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床（如圖2-2所

15、示）是一種科技含量高、精密度要求高，專(zhuān)門(mén)用于加工復(fù)雜曲面零件的機(jī)床，五軸加工的主要優(yōu)點(diǎn)是僅需一次裝夾定位即能完成復(fù)雜形體零件的全部加工，可以節(jié)省大量的加工時(shí)間。本文采用采用立式五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心，數(shù)控機(jī)床主要參數(shù)X軸行程900mm，Y軸行程600mm，Z軸行程550mm，A軸旋轉(zhuǎn)范圍0～360，B軸擺動(dòng)范圍-90～90，刀庫(kù)容量40把刀位，數(shù)控系統(tǒng)為SIEMENS 840D[9]。 圖2-2五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床 2.2.2定位基準(zhǔn) 選擇工件的定位基準(zhǔn)，實(shí)際上確定工件的定位基面。根據(jù)選定的基面加工與否，又將定位基準(zhǔn)分為粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)。在起始工序中

16、，只能選擇未經(jīng)加工的毛坯表面作定位基準(zhǔn)，這種基準(zhǔn)稱(chēng)為粗基準(zhǔn)。用加工過(guò)的表面作定位基準(zhǔn)，則稱(chēng)為精基準(zhǔn)。 （1）精基準(zhǔn)的選擇原則 ①基準(zhǔn)重合原則 直接選擇加工表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為定位基準(zhǔn)，稱(chēng)為基準(zhǔn)重合原則。采用基準(zhǔn)重合原則可以避免由定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差（基準(zhǔn)不重合誤差）。 ②基準(zhǔn)統(tǒng)一原則 同一零件的多道工序盡可能選擇同一個(gè)定位基準(zhǔn)，稱(chēng)為基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。這樣既可保證各加工表面問(wèn)的相互位置精度，避免或減少困基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換而引起的誤差，而且簡(jiǎn)化了夾具的設(shè)計(jì)與制造工作，降低了成本，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 ③自為基準(zhǔn)原則 精加工或光整加工工序要求余量小而均勻，選擇加工表面本身作為定位基準(zhǔn)，稱(chēng)為

17、自為基準(zhǔn)原則。 ④互為基準(zhǔn)原則：為使各加工表面之間具有較高的位置精度，或?yàn)槭辜庸け砻婢哂芯鶆虻募庸び嗔浚刹扇蓚€(gè)加工表面互為基準(zhǔn)反復(fù)加工的方法，稱(chēng)為互為基準(zhǔn)原則。 ⑤便于裝夾原則：所選精基準(zhǔn)應(yīng)能保證工件定位準(zhǔn)確穩(wěn)定，裝夾方便可靠，夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用，操作方便靈活。同時(shí)，定位基準(zhǔn)應(yīng)有足夠大的接觸面積，以承受較大的切削力。 （2）粗基準(zhǔn)的選擇原則 粗基準(zhǔn)選擇的要求應(yīng)能保證加工面與不加工面之間的位置要求和合理分配各加工面的余量，同時(shí)要為后續(xù)工序提供精基準(zhǔn)。具體可按下列原則選擇： ①非加工表面原則：為了保證加工面與不加工面之間的位置要求，應(yīng)選不加工面為粗基準(zhǔn)。 ②余量最小原則：以余量最小的

18、表面作為粗基準(zhǔn)，以保證各加工表面有足夠的加工余量。 ③重要表面原則：為保證重要表面的加工余量均勻，應(yīng)選擇重要加工面為粗基準(zhǔn)。 ④不重復(fù)使用原則：粗基準(zhǔn)未經(jīng)加工，表面比較粗糙且精度低，二次安裝時(shí)，其在機(jī)床上（或夾具中）的實(shí)際位置可能與第一次安裝時(shí)不一樣，從而產(chǎn)生定位誤差，導(dǎo)致相應(yīng)加工表面出現(xiàn)較大的位置誤差。 ⑤便于工件裝夾原則：作為粗基準(zhǔn)的表面，應(yīng)盡量平整光滑，沒(méi)有飛邊、冒口、澆口或其他缺陷，以便使工件定位準(zhǔn)確、夾緊可靠。 （3）輔助基準(zhǔn)的選擇 輔助基準(zhǔn)是為了便于裝夾或易于實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一而人為制成的一種定位基準(zhǔn)，如軸類(lèi)零件加工所用的兩個(gè)中心孔，它不是零件的工作表面，只是出于工藝上的需要才

19、做出的。為安裝方便，毛坯上專(zhuān)門(mén)鑄出工藝搭子，也是典型的輔助基準(zhǔn)，加工完畢后應(yīng)將其從零件上切除。 整體葉輪的加工過(guò)程中，不同的加工階段中選擇的基準(zhǔn)也有區(qū)別。遵照以上原則本設(shè)計(jì)中，就該整體葉輪而言，其基準(zhǔn)可以通過(guò)數(shù)控車(chē)床的加工獲得良好的表面后變成隨后葉輪的加工基準(zhǔn)[3]。 2.2.3刀具準(zhǔn)備 整體葉輪工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下，選用材料多為不銹鋼、合金鋼、耐熱合金等難切削材料進(jìn)行加工。所以本設(shè)計(jì)采用HSK高速刀柄，由于加工時(shí)葉片的紋理要求所使用的刀具切削刃長(zhǎng)度應(yīng)大于70mm，刀具總長(zhǎng)度應(yīng)大于120mm，并采用整體硬質(zhì)合金涂層刀具。 2.2.4裝夾方案 工件裝夾原則： （1）在熟悉產(chǎn)

20、品圖樣、工藝文件和工藝裝備的基礎(chǔ)上進(jìn)行工件的裝夾。 （2）在機(jī)床工作臺(tái)面上安裝夾具時(shí)，要擦凈其定位基準(zhǔn)面，并找正加工要求的相對(duì)位置。 （3）工件裝夾前應(yīng)將其定位面、夾緊面，夾具的定位面擦拭干凈，不得有毛刺，保證定位精度。 （4）按工藝規(guī)定的定位基準(zhǔn)裝夾，定位基準(zhǔn)符合以下原則： ①盡可能使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)、檢驗(yàn)基準(zhǔn)重合，便于加工尺寸鏈的換算和測(cè)量； ②盡可能使各加工面采用同一定位基準(zhǔn)，容易保證形位公差，如平行度、同心度、垂直度等； ③粗加工基準(zhǔn)選取應(yīng)結(jié)合后續(xù)工序的定位要求，有利于提高加工精度； 精加工工序定位基準(zhǔn)應(yīng)是巳加工表面，使定位準(zhǔn)確、加工精度高； ④選擇的定位基準(zhǔn)必須使工

21、件定位、夾緊方便，加工時(shí)穩(wěn)定可靠。 （5）夾緊工件夾緊力的大小適當(dāng)，夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)通過(guò)支承面，盡可能靠近加工面。對(duì)剛性較差或是懸空的工件，應(yīng)增加輔助支承以增強(qiáng)剛性。 （6）夾緊精加工面應(yīng)以銅皮作軟墊保護(hù)，不損壞巳加工表面。 （7）加工面應(yīng)盡可能靠近床頭箱，選取適當(dāng)?shù)毒咴鰪?qiáng)系統(tǒng)剛性，提高加工表面粗糙度。 （8）用四爪夾葉輪外徑或后口環(huán)，以流道中心或前后蓋板流道面作軸向找正基準(zhǔn)及葉輪進(jìn)口直徑作徑向找正后夾緊，粗車(chē)葉輪進(jìn)口端口環(huán)留精車(chē)余量1-2mm，及前板面，本工序保證葉輪流道的相對(duì)位置。 遵循以上裝夾標(biāo)準(zhǔn)本設(shè)計(jì)采用芯軸裝夾定位，也可以考慮在毛坯上制出鍵槽進(jìn)行輔助定位，并制作適應(yīng)芯軸定位

22、裝夾的專(zhuān)用工裝。由于這不是本文研究重點(diǎn)所以就不多做研究。 2.2.5劃分工序 工序：一個(gè)或一組工人，在一個(gè)工作地對(duì)同一個(gè)或同時(shí)對(duì)幾個(gè)工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過(guò)程，稱(chēng)為工序。劃分工序的主要依據(jù)是工作地是否變動(dòng)和工作是否連續(xù)。 加工工序安排原則： （1）先粗后精的原則； （2）基準(zhǔn)面先加工原則； （3）先面后孔原則； （4）先內(nèi)后外原則； （5）減少換刀次數(shù)的原則； （6）連續(xù)加工的原則。 工序劃分原則： （1）按所用刀具劃分 以同一把刀具完成的那一部分工藝過(guò)程為一道工序，這種方法適用于工件的待加工表面較多，機(jī)床連續(xù)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，加工程序的編制和檢查難度較大等情況常用這

23、種方法劃分[8]。 （2）按安裝次數(shù)劃分 以一次安裝完成的那一部分工藝過(guò)程為一道工序，這種方法適用于工件的加工表面不多，加工完成后就能達(dá)到待檢。 （3）按粗精加工劃分 以粗加工中完成的那一部分工藝過(guò)程為一道工序。精加工中完成的那一部分過(guò)程為一道工序，這種劃分方法適用于加工后變形較大，需粗精加工分開(kāi)的零件。 （4）按加工部位劃分 以完成相同型面的那一部分工藝過(guò)程為一道工序，對(duì)于加工表面多爾復(fù)雜的零件，可按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如內(nèi)型，外形，曲面和平面等）劃分成多道工序。 按以上原則劃分葉輪加工工序如下： （1）葉輪開(kāi)粗工序 用φ16R2圓鼻刀進(jìn)行粗加工。工序

24、的具體內(nèi)容如表2-1所示。 表2-1 葉輪開(kāi)粗 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE 刀具規(guī)格 Φ16R2圓鼻刀 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 6000r/min 加工余量 2.5mm 進(jìn)給速度 3500mm/min 曲面精度 0.03mm 切削寬度 12mm 切削深度 2mm 工藝分析：機(jī)床規(guī)格小，粗加工采用小負(fù)載快速加工速加工效果較好 （2）輪轂半精加工工序 用φ16R2圓鼻刀進(jìn)行半精加工。工序的具體內(nèi)容如表2-2所示。 表2-2 輪轂半精加工 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE 刀具規(guī)格 Φ16R2圓鼻刀

25、 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 6000r/min 加工余量 1mm 進(jìn)給速度 3500mm/min 曲面精度 0.03mm 切削寬度 8mm 切削深度 1mm 工藝分析：開(kāi)粗時(shí)，注意使用上道工序的毛胚跟蹤功能 （3）葉片半精加工工序 用φ12R6球頭刀半精加工。工序的具體內(nèi)容如表2-3所示。 表2-3 葉片半精加工 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE 刀具規(guī)格 Φ12R6球頭刀 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 6000r/min 加工余量 0.5mm 進(jìn)給速度 2500mm/min 曲面精度 0.02mm 切削寬

26、度 4mm 切削深度 0.5mm 工藝分析：使用球頭刀時(shí)參加切削刃不宜過(guò)長(zhǎng)，避免產(chǎn)生包刀現(xiàn)象 （4）流道半精加工工序 用φ12R6球頭刀對(duì)流道進(jìn)行半精加工。工序具體內(nèi)容如表2-4所示。 表2-4 流道半精加工 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE 刀具規(guī)格 Φ12R6球頭尖刀 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 6000r/min 加工余量 0.5mm 進(jìn)給速度 2500mm/min 曲面精度 0.02mm 切削寬度 4mm 切削深度 0.5mm 工藝分析：使用球頭刀時(shí)參加切削刃不宜過(guò)長(zhǎng)，避免產(chǎn)生包刀現(xiàn)象 （5）流道精加工工序 用

27、φ10R5球頭刀除流道殘料加工。工序具體內(nèi)容如表2-5所示。 表2-5 流道精加工 加工方式 ZLEVEL_FOLLOW_CORE 刀具規(guī)格 Φ10R5球頭刀 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 6000r/min 加工余量 0 進(jìn)給速度 2500mm/min 曲面精度 0.005mm 切削寬度 0.5mm 切削深度 8 工藝分析：注意刀具切削工件時(shí)的切削應(yīng)力對(duì)工件精度的影響 （6）葉輪精加工工序 用φ10R5球頭刀進(jìn)行葉輪精加工加工。工序具體內(nèi)容如表2-6所示。 表2-6 葉輪精加工 加工方式 VARIABLE_CONTOUR 刀具規(guī)格

28、 Φ10R5球頭刀 刀具材料 硬質(zhì)合金 主軸轉(zhuǎn)速 10000r/min 加工余量 0mm 進(jìn)給速度 4500mm/min 曲面精度 0.005mm 切削寬度 0.02mm 切削深度 60mm 工藝分析：注意刀具切削工件時(shí)的切削應(yīng)力對(duì)工件精度的影響 （7）多刀具清角加工工序 多刀具清角加工。工序具體內(nèi)容如表2-7所示。 表2-7 多刀具清角加工 加工方式 VARIABLE_CONTOUR 刀具規(guī)格 Φ10R5球頭刀 刀具材料 硬質(zhì)合金涂層 刀具規(guī)格 Φ8R4球頭刀 刀具材料 硬質(zhì)合金涂層 刀具規(guī)格 Φ6R3球頭刀 刀具材料

29、 硬質(zhì)合金涂層 刀具規(guī)格 Φ12R2圓鼻刀 刀具材料 硬質(zhì)合金涂層 主軸轉(zhuǎn)速 150000r/min 加工余量 0mm 切削寬度 0.01 曲面精度 0.005mm 進(jìn)給速度 6000mm/min 切削深度 60mm 工藝分析:根部圓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徑逐漸逼近設(shè)計(jì)要求 2.2.6測(cè)量準(zhǔn)備 對(duì)于葉輪這樣的復(fù)雜型面，手工方法無(wú)法確定精度，主要采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行型面數(shù)據(jù)檢測(cè)。把采集到的數(shù)據(jù)與幾何建模實(shí)體進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)加工精度。 2.3工藝文件 （1）根據(jù)葉輪工藝分析編制出（表2-8）工藝過(guò)程卡片。 （2）根據(jù)工序劃分原

30、則編制出（表2-9）工序卡片。 （3）根據(jù)工件的加工區(qū)域、加工材料編制出（2-10）刀具卡片。 表2-8 工藝過(guò)程卡 現(xiàn)代制造技術(shù)系 機(jī)械加工 工藝卡 產(chǎn)品 名稱(chēng) 圖號(hào) 零件名稱(chēng) 整體式葉輪 共1頁(yè) 第1頁(yè) 毛坯種類(lèi) 鋁鑄件 材料牌號(hào) 毛坯尺寸 φ100*50 序號(hào) 工種 工步 工藝內(nèi)容 備注 工具 夾具 刀具 量具 1 下料 鑄件 卡盤(pán) 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 2 加 工 中 心 流道加工 粗洗流道 卡 盤(pán) 立銑刀 3 精細(xì)流道 4 葉片加工 粗銑葉片 球頭刀

31、 5 精銑葉片 6 清根 倒角加工 根部清理 球頭刀 7 表2-9 工序卡 零件名稱(chēng) 整體式葉輪 零件圖號(hào) 圖1 夾具名稱(chēng) 卡盤(pán) 設(shè)備名稱(chēng)及型號(hào) 加工中心 材料名稱(chēng)及牌號(hào) 鋁鑄件 硬度 75HBS 工序名稱(chēng) 葉輪的開(kāi)粗 工序號(hào) 1 工步號(hào) 工步內(nèi)容 切削用量 刀具 量具 n f ap 編號(hào) 名稱(chēng) 名稱(chēng) 1 流道粗加工 6000 3500 2 1 T0101 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 2 葉片粗加工 6000 3500 1 1 T0101 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1 流道半精加工

32、6000 2500 2 2 T0202 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 2 葉片半精加工 6000 2500 1 2 T0202 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1 流道精加工 6000 2500 0.5 3 T0303 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 2 葉片精加工 6000 2500 0.5 3 T0303 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1 多刀清根加工 15000 6000 0.1 3、4、5、6 T0404 T0505 T0606 T0303 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 表2-10 刀具卡 產(chǎn)品名稱(chēng) 零件名稱(chēng) 典型軸 零件圖號(hào) 序號(hào) 刀具號(hào) 刀具規(guī)格名稱(chēng) 數(shù)量

33、 加工表面 備注 1 T01 Φ8R2立銑刀 1 葉輪粗加工 2 T02 Φ12R6球頭刀 1 半精加工 3 T03 Φ10R5球頭尖刀 1 精加工 4 T04 Φ8R4球頭刀 1 清根 5 T05 Φ6R3球頭刀 1 6 T06 Φ12R2立銑刀 1 編制 審核 批準(zhǔn) 第1 頁(yè) 2.4編程軟件的準(zhǔn)備 目前，國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專(zhuān)用加工軟件，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)床帶有的整體葉輪加工模塊，還有HyperMill等專(zhuān)用的加工軟

34、件。此外，一些通用的CAD/CAM軟件，如UG、CATIA、Delcam等也可用于整體葉輪的加工，本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是UG NX通用編程軟件。 、 3 葉輪的實(shí)體造型 葉輪類(lèi)零件是一類(lèi)具有代表性的復(fù)雜零件，被廣泛應(yīng)用于航空航夭領(lǐng)域。葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜：種類(lèi)繁多。工作型面的設(shè)計(jì)涉及到了空氣動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此曲面造型質(zhì)量、加工手段等對(duì)葉輪性能參數(shù)都有很大的影響。 精確的幾何實(shí)體造型是葉輪數(shù)控加工的必要前提。研究整體葉輪的實(shí)體造型因而具有重要意義。許多不斷成熟起來(lái)的CAO/CAM軟件為高精度的葉輪造型提供了有力的支持，比如Siemens PLM Software公司

35、的UG NX。U6 NX是一款集CAD/CAM/CAE于一體的工程軟件，它具有較強(qiáng)的曲面造型和數(shù)控加工編程功能，并且提供了應(yīng)用開(kāi)發(fā)模塊，為用戶提供二次開(kāi)發(fā)接口，給復(fù)雜曲面的數(shù)控加工帶來(lái)了很大的方便。本文基于UG NX曲面造型系統(tǒng)，研究了整體葉輪實(shí)體造型的具體過(guò)程和一般原則。 3.1葉輪造型方法概述 整體葉輪的實(shí)體造型主要包括創(chuàng)建葉片實(shí)體和輪轂實(shí)體兩部分。葉片曲面為光順性、連續(xù)性要求較高的自由曲面，其截面線是復(fù)雜的自由曲線，因此葉片實(shí)體造型難度較大。目前，一般先創(chuàng)建截面線，再采用通過(guò)截面線）through curve引的方法進(jìn)行葉片的曲面造型。輪毅的創(chuàng)建較為簡(jiǎn)單，在草圖方式下創(chuàng)建截面線串，通

36、過(guò)旋轉(zhuǎn)（RevolVe）命令對(duì)截面線串旋轉(zhuǎn)，再創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體?？梢?jiàn)，整體葉輪造型的關(guān)鍵是葉片實(shí)體的造型。葉片的實(shí)體造型是整體葉輪造型工作的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)要求較高，曲面特征也較復(fù)雜。葉輪的設(shè)計(jì)圖樣提供了葉片五個(gè)截面的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)（如圖3-1）及前（后）緣處圓弧所在圓的圓心和直徑（如圖3-2）。筆者通過(guò)對(duì)滿足設(shè)計(jì)要求的葉片實(shí)體造型方法的研究，提出其造型過(guò)程中需要遵循的般原則。 圖3-1葉片截面圖 圖3-2前（后）球截面線處的圖和控制 （1）在保證精度的條件下，應(yīng)盡可能降低樣條曲線的次數(shù)，推薦使用不

37、超過(guò)四次的曲線，且五個(gè)截面要生成相同次數(shù)的曲線。 （2）在每個(gè)截面樣條曲線的前、后緣曲率比較大的部位，控制頂點(diǎn)的分布要密一些，而在曲率比較小、葉身曲線比較平直的部位，給定稀疏的均勻分布點(diǎn)即可。 （3）五個(gè)裁面樣條曲線上相應(yīng)控制頂點(diǎn)的數(shù)量盡量相等，且分布的變化規(guī)律相同。 （4）盡量使截面樣條曲線的曲率變化均勻。 3.2葉片的創(chuàng)建 3.2.1.截面數(shù)據(jù)的獲取與處理 葉輪葉片截面線數(shù)據(jù)的獲取主要有兩種方法一種是通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行測(cè)量獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，另一種是通過(guò)理論計(jì)算獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)。本文的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量獲得，即先通過(guò)對(duì)葉輪原型的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)重建此零件的CAD模型。

38、 原始數(shù)據(jù)的測(cè)量，主要分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)：接觸式測(cè)量（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)械手式測(cè)量機(jī)）具有精度高、減少冗余數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，是直接對(duì)所需截面進(jìn)行測(cè)量，得到截面線數(shù)據(jù)列表，但效率較低；非接觸式測(cè)最常采用激光掃描（如結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x），數(shù)據(jù)完整、效率高，同時(shí)數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)處理帶來(lái)負(fù)擔(dān)。利用激光掃描采集的數(shù)據(jù)通常是無(wú)序散亂的“點(diǎn)云”。數(shù)量較大需要先進(jìn)行去噪處理，再利用分割面將數(shù)據(jù)點(diǎn)云處理成按掃描線存儲(chǔ)的“結(jié)構(gòu)化”測(cè)量數(shù)據(jù)；經(jīng)過(guò)排序最后亦可得截面線數(shù)據(jù)列表。 葉片基于UG NX的曲面造型，通常采用通過(guò)截面線（through Curves）的方法進(jìn)行。根據(jù)獲得的截面列表曲線坐標(biāo)點(diǎn)，把造型所需的數(shù)據(jù)

39、文件轉(zhuǎn)化成UG NX能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，即.dat文件，為每個(gè)截面線創(chuàng)建一個(gè)文件，方便截面線數(shù)據(jù)的讀取和修改。本文的葉片模型是給定了五個(gè)截面線的數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要?jiǎng)?chuàng)建五個(gè)數(shù)據(jù)文件[4]。 3.2.2截面線曲線的創(chuàng)建 一般每個(gè)截面曲線由四段曲線拼接而成，包括凸面、凹面的三次祥條曲線和前（后）邊緣處半徑很小的圓弧，這滿足在拼接點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，其他點(diǎn)處保持一階、二階導(dǎo)數(shù)都連續(xù)。用這種方法生成的截面線再掃掠生成葉片實(shí)體，如果葉再根據(jù)修改的裁面線掃掠生成實(shí)體，因此工作量非常大，且許多原始數(shù)據(jù)都是通過(guò)對(duì)實(shí)物的實(shí)際測(cè)量獲得，誤差較大。在造型過(guò)程中，需要不斷對(duì)葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，因而這種截面線的構(gòu)造方法是不可取的

40、。 在實(shí)例的設(shè)計(jì)要求中給出了葉高方向五個(gè)截面的原始數(shù)據(jù)，包括葉片型線坐標(biāo)點(diǎn)，前（后）緣兩段圓弧的圓心和半徑，需要通過(guò)給定數(shù)據(jù)點(diǎn)為每個(gè)截面插值生成一條樣條曲線。本文首先很據(jù)圖樣給定的前（后）緣處的回心和半徑數(shù)據(jù)做圓；然后以此圓為參考，調(diào)節(jié)樣條曲線前（后）緣處的控制頂點(diǎn)，使截面樣條線在前（后）緣處盡量貼合所做的圓。通過(guò)這種方法擬合成五個(gè)截面樣條曲線，掃掠生成的葉片實(shí)體如果不滿足光順要求，只需對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。即可完成對(duì)葉片實(shí)體的光順處理。這不需姿重新掃掠截面線生成實(shí)體，工作變得簡(jiǎn)單，更符合uG的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念。 其具體方案如下： 先選擇“樣條曲線（SPllne）”命令，選擇種樣條曲線擬合方

41、式，使用“Through Points”方式，使樣條曲線通過(guò)測(cè)量所得的點(diǎn)f當(dāng)然還要根據(jù)光順性要求不斷對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和修改，使樣條曲線在滿足光順要求的條件下，盡可能通過(guò)或貼合測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，把上文生成的五個(gè)．dat又件數(shù)據(jù)分別導(dǎo)人，生成五條封閉的樣條曲線。在保證精度的條件下，應(yīng)盡可能降低樣條曲線的次數(shù)，這可使曲線更接近特征多邊形，能夠更好地控制樣條曲線。 本文使用了三發(fā)樣條曲線，且五個(gè)截面生成的曲線次數(shù)相同。在五個(gè)截面線前（后）緣處，根據(jù)圖樣給定的圓心和半徑數(shù)據(jù)分別做圓。根據(jù)所做的圓，調(diào)節(jié)樣條出線前（后）緣處的控制頂點(diǎn)。使樣條曲線在前（后）緣處盡量貼合所做的圓，這使樣條曲線滿足誤差和光順的要

42、求，如（圖3-3）所示。特別需耍注意的是在每個(gè)截面的前（后）緣曲率比較大的部位，可適當(dāng)加密控制點(diǎn)來(lái)約束曲線變化。而在曲率比較小、葉身皿線比較平直的部位，只繪定較稀疏的均勻分布點(diǎn)即可如（圖3-4）所示。調(diào)節(jié)截面線上的控制頂點(diǎn)，盡量使截面線的曲率均勻變化，修改后的五條截面線如圖3-5所示。 圖3-3 截面線前（后）緣 圖3-4 截面線的控制點(diǎn) 圖3-5 修改后的5條截面線 3.2.3 通過(guò)擬合出的截自線掃掠生成葉片實(shí)體 選擇“通過(guò)曲線（Through curves）”命令，選擇擬合好的五條截面線，注意一定要使五條截面線的

43、初始矢量趨勢(shì)相同。否則生成的葉片表面會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象（如圖3-6）。在“Aligment”項(xiàng)中選擇“By Points”方式，即在每個(gè)截面線上的相應(yīng)位置取點(diǎn)，掃掠生成曲面時(shí)使這些點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，（如圖3-7）需要在前（后）緣部位取點(diǎn)，否則會(huì)在前（后）緣部位產(chǎn)生扭曲變形或不能生成一整張葉片曲面，這是筆者在實(shí)際工作中多次嘗試所得出的經(jīng)驗(yàn)。 本文中截面線數(shù)據(jù)是通過(guò)測(cè)量方法得到，難免會(huì)產(chǎn)生誤差，擬合成的曲面客易出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，這需要對(duì)產(chǎn)生凹凸現(xiàn)象區(qū)域的曲線上點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，再重新擬合曲面，經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試最后得到光滑的葉片實(shí)體，如圖3-8所示。 圖3-6 截面線初始矢量

44、 圖3-7 截面線的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 圖3-8 葉片實(shí)體 3.3創(chuàng)建輪轂并生成葉輪實(shí)體 輪轂的創(chuàng)建較為簡(jiǎn)單，有兩種方式可以選擇，一種是直接進(jìn)行三維建模，另一種是先創(chuàng)建草圖再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本文采用第二種方法，在草圖方式下先創(chuàng)建截面線串，再利用旋轉(zhuǎn)（RevolVe）命令對(duì)截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，（如圖3-9）。最后創(chuàng)建葉輪實(shí)體，如圖3-10所示。 圖3-9 輪轂 圖3-10 葉輪實(shí)體 本文是基于UG NX的整體葉輪實(shí)體造型研究，詳細(xì)論述了從葉片數(shù)據(jù)的獲得和處理，截面線的生成和修改，至擬合成光滑的葉片實(shí)體的整個(gè)過(guò)程。同時(shí)總結(jié)了在葉輪造型過(guò)程中需要注意的些

45、問(wèn)題，完成了符合要求的葉輪造型，這為后續(xù)的數(shù)控加工提供了有力的保證。 4 基于UG的整體葉輪數(shù)控編程 整體葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，它的加工成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是由于整體葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其數(shù)控加工技術(shù)一直是制造行業(yè)的難點(diǎn)。以典型的CAD/CAM軟件UG，編制出深窄槽道、大扭角、變根圓角的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子的五坐標(biāo)加工程序，并在MIKRON HSM400U五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該整體葉輪數(shù)控加工方案及程序的可行性。 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，主要有美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加

46、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[5]。 4.1整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

47、 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)。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，圖4-1所示。 整體葉輪CAD/COM主模塊 葉輪CAD造型 刀具軌跡生成 通用后置處理 加工仿真 葉片 輪轂 葉 片 溝 槽 圓角 曲線 型值點(diǎn) 曲面 刀具運(yùn)行軌跡仿真 加工

48、過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真 三軸 五軸 圖4-1 的CAD/CAM結(jié)構(gòu)圖 4.2 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89mm，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4-2所示。 圖4-2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪 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，根部圓角等結(jié)構(gòu)，給加工提出了很高的要求。

49、 轉(zhuǎn)子加工難點(diǎn)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)。 （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

50、窄，葉片高，變圓角的加工也是個(gè)難點(diǎn)。 總之，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。 4.3壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的仿真加工工藝方案 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： （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4-3）所示。 圖4-3 整體葉輪毛坯 （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

51、證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量，如圖4-4所示。 圖4-4 葉輪路氣流通道加工 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)

52、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)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，

53、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

54、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[6]。 4.4整體式葉輪的數(shù)控程序編制 4.4.1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(shí)，通常以（圖4-5）UG加工流程圖為引導(dǎo)，用以創(chuàng)建各操作的刀位軌跡，并貫穿加工的整個(gè)過(guò)程。 部件模型 非切削運(yùn)動(dòng) 刀軸控制 步距 步長(zhǎng) 切削方向 創(chuàng)建操作對(duì)話框 加工仿真驗(yàn)證刀軌 生成刀軌 指定操作參數(shù) 方法 幾何體 刀具 程序 創(chuàng)建修改符主文件 指定加工環(huán)境進(jìn)入制造模

55、塊 根據(jù)部件模型制定加工方法和順序 圖4-5 UG加工流程圖 4.4.2數(shù)控程序編制 （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。 （2）葉輪氣流通道的開(kāi)槽加工 抽取流道曲面，U、V參數(shù)線（如圖4-6）所示。因?yàn)槿~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?yàn)榇肆鞯狼娴奶厥庑裕匦抡{(diào)整U、

56、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4-6b）所示，是沿氣流方向的流道前端曲面（如圖4-6b）加工。 （a）原流道曲面的U、V參數(shù)曲線 （b）調(diào)整后的曲面U、V參數(shù)曲線 圖4-6流道曲面的參數(shù)曲線 葉輪流道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。一種為上半層加工，一種為下半層加工[7]。 加工上半層，程序的參數(shù)設(shè)置如下： ①驅(qū)動(dòng)方法（Drive Method）采用Surface Area。 ②驅(qū)動(dòng)幾何選用流道前端曲面（如圖4-

57、6b）。 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(dòng)退刀，一般粗加工時(shí)選用自動(dòng)退刀來(lái)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(dòng)，選用沿刀軸進(jìn)退刀。 ⑧Cutting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

58、。 ②Cutting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?yàn)榭勺冚S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(shuō)明刀軸控制方式。流道左端曲面（如圖4-6b）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上半部分加工，一種是下半部分加工。流道右端曲面（如圖4-6b）的加工 此曲面曲率變化很平緩，曲面上各點(diǎn)法向與葉片曲面夾角都接近0，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4-7所示。 圖4-7 開(kāi)槽加工

59、 （3）葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工 擴(kuò)槽加工刀軌類(lèi)似開(kāi)槽加工，只是切削區(qū)域中Surface%的Start step設(shè)為： 0、End step：100，表示切削整個(gè)流道面，生成刀軌如圖4-9所示： 圖4-8 粗加工仿真 （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(dòng)面選擇葉片的偏置面（如圖4-9），流道、葉片粗加工后的仿真結(jié)果如圖4-8所示。 圖4-9 葉片粗加工刀軌 （5）轉(zhuǎn)子一級(jí)、二級(jí)葉片的精加工 從吸力面過(guò)渡到壓力面曲率變化劇烈，因此，采取吸力面、壓

60、力面、前圓角分開(kāi)加工。一級(jí)、二級(jí)葉片型面類(lèi)似，加工參數(shù)是類(lèi)似的，下面是葉片精加工的通用參數(shù)設(shè)置。 ①驅(qū)動(dòng)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4-10所示。 （a）小葉片吸力面 （b）小葉片圓角 （c）大葉片吸力面 圖4-10 大小葉片吸力面刀軌 （6）葉片根部變圓角精加工 因

61、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T(mén)oward Line，有時(shí)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4-11、小葉片左側(cè)變圓角加工刀軌，如圖4-12所示。 圖4-11 大葉片左側(cè)變圓角加工刀軌 圖4-12 小葉片變圓角加工刀軌 實(shí)驗(yàn)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(shí)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。 4.5程序的生成 （1）后置處理 （2）程序生成（見(jiàn)附錄） 

62、結(jié)論 本課題是對(duì)整體葉輪的工藝、造型、數(shù)控加工仿真及數(shù)控編程的研究。利用UG軟件CAD/CAM進(jìn)行造型和數(shù)控加工仿真，并設(shè)計(jì)整體葉輪的仿真加工。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對(duì)UG軟件有了更進(jìn)一步的了解，尤其是對(duì)UG/CAM應(yīng)用方面有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，這對(duì)以后的工作有著一定的作用。由于本人學(xué)識(shí)淺薄，加之時(shí)間倉(cāng)促，實(shí)驗(yàn)條件所限，本論文只是對(duì)葉輪加工這方面的一個(gè)粗淺研究。本次研究中還存在許多不足之處，如對(duì)零件加工時(shí)一些參數(shù)的設(shè)置考慮的還不夠細(xì)致等。 目前，整體葉輪加工的研究還在不斷的進(jìn)行新的試驗(yàn)，尤其是在提高加工精度和擴(kuò)展工藝范圍方面有著不小的成就，相信通過(guò)不懈的研究、探索，這項(xiàng)新技術(shù)一定會(huì)日臻完善

63、，在加工業(yè)中起愈來(lái)愈重要的作用。 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、零件工藝、造型、仿真及后置處理的順利完成，首先要感謝我的指導(dǎo)教師張德紅老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及零件的工藝造型、仿真及后置處理中，對(duì)我不懂的知識(shí)及模糊地方無(wú)微不致的指導(dǎo)和幫助，再次向他表示衷心的感謝。我還要感謝曾經(jīng)的任課教師是他們讓我學(xué)到了很多知識(shí)才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠按期完成。感謝學(xué)校給予的支持和幫助，感謝同學(xué)們的無(wú)私幫助。同時(shí)還要感謝在百忙之中進(jìn)行論文評(píng)審的老師們，對(duì)論文的不足之處敬請(qǐng)批評(píng)指正！ 參

64、考文獻(xiàn) [1] 楊叔子主編.機(jī)械加工工藝師手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [2] 田春霞主編.數(shù)控加工工藝.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [3] 洪如瑾主編.UG NX2 CAD 快速入門(mén)指導(dǎo).北京：清華大學(xué)出版社，2004 [4] 龔勉主編.UG CAD應(yīng)用案例集.北京：清華大學(xué)出版社，2003 [5] 馬秋成等編.UG-CAM篇.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [6] 李益民主編.機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994 [7] 張柱良.數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003 [8] 朱正偉.數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng).北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版

65、社，2004 [9] 王潤(rùn)孝，秦現(xiàn)生.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)(M).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000 附錄 附錄1：仿真及程序 附圖1 葉片粗加工刀軌生成 下面是上圖刀軌的部分程序 %（葉片粗加工程序） N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 N0030 T00 M06 N0040 G0 G90 X-.8042 Y-1.4605 S0 M03 N0050 G43 Z1.8789 H00 N0060 Z1.8011 N0070 G1 Z1.682

66、9 F9.8 M08 N0080 X-.6266 Y-1.3573 N0090 G2 X-.5632 Y-1.3349 I.0914 J-.1573 N0100 X-.5213 Y-1.3307 I.0578 J-.3714 N0110 X-.2514 Y-1.3149 I.551 J-7.0872 N0120 X-.2053 Y-1.2681 I1.3124 J-1.2447 N0130 G0 X-.0752 Y-1.1405 N0140 Z1.8011 N0150 Z1.8789 N0160 X.1782 Y-1.1468 N0170 Z1.8011 N0180 G1 Z1.6829 N0190 X.2968 Y-1.2792 N0200 G2 X.3268 Y-1.3183 I-.236 J-.2115 N0210 X.5216 Y-1.3308 I-.2888 J-6.0617 N0220 X.5589 Y-1.3348 I-.0262 J-.4175 N0230 X.6412 Y-1.3696 I-.0276 J-.