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1、1 1 绪论绪论1.1.1 1 课题的确定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
2、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。1.21.2 国内（外）发展概况及现状的介绍国内（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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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。1.31.3 本文所需解决问题以及采用的手段和方法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
9、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
10、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。1.41.4 本文研究成果及意义本文研究成果及
11、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 2 叶轮的加工工艺分析叶轮的加工工艺分析2.12.1 整体叶轮结构工艺过程分析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
12、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
13、，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
14、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。2.22.2 整体叶轮加工工艺准备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
15、。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。
16、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
