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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等隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速、

2、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.前視圖1-1俯視圖1-2葉片之間的角度以上各圖在后面會(huì)詳細(xì)的分析。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

3、法對(duì)葉輪曲面進(jìn)行造型。整體結(jié)構(gòu)葉輪(圖11)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)用到葉輪的加工中，這些問(wèn)題才得到了根本的解決。圖11 整體葉

4、輪葉輪加工的復(fù)雜性主要在于其葉片是復(fù)雜的曲面造型。而且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)

5、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/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

6、/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，CAMAND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)

7、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)及專業(yè)的葉輪加工工廠(如美國(guó)的NREC)都推出了專用于葉輪的數(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Ｓ密浖纳a(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

8、。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。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)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

9、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。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

10、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

11、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)工藝過(guò)程分析在本實(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，如下圖所示。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

12、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)

13、小于Ra0.8m。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)軸的對(duì)稱性的加工表面，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;

14、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)床是一種科技含量高、精密度要求高，專門(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0360，B軸擺動(dòng)范圍-90

15、90，刀庫(kù)容量40把刀位，數(shù)控系統(tǒng)為SIEMENS 840D。如圖3-1圖3-1立式加工中心2.2.2定位基準(zhǔn)零件是由若干表面組成，各表面之間都有一定的尺寸和相互位置要求。用以確定零件上點(diǎn)、線、面間的相互位置關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、線、面稱為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)按其作用不同，可分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)兩大類(lèi)。設(shè)計(jì)基準(zhǔn) 設(shè)計(jì)圖樣上所采用的基準(zhǔn)稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。工藝基準(zhǔn) 在工藝中采用的基準(zhǔn)稱為工藝基準(zhǔn)。工藝基準(zhǔn)按用途不同，又分為定位基準(zhǔn)、工序基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)的選擇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，只能選擇未經(jīng)加工的毛坯表面

16、作定位基準(zhǔn)，這種基準(zhǔn)稱為粗基準(zhǔn)。用加工過(guò)的表面作定位基準(zhǔn)，則稱為精基準(zhǔn)。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)，稱為自為基準(zhǔn)原則。(4）互為基準(zhǔn)原則 為

17、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?，可采取兩個(gè)加工表面互為基準(zhǔn)反復(fù)加工的方法，稱為互為基準(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。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 以余量最小的表面作為粗基準(zhǔn)，以保證各加工表面有足夠的加工余量

18、。（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。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做出的。為安裝方便，毛坯上專門(mén)鑄出工藝搭子，也是典型的輔助基

19、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)。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)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

20、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：a)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；b)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； c)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；d)選擇的定位基準(zhǔn)必須使工件定位、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；

21、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)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)芯軸定位裝夾的專用工裝。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

22、連續(xù)完成的那一部分工藝過(guò)程，稱為工序。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。（4）減少換刀次數(shù)的原則。（5）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。加工中心。常用這種方法劃分。（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。的工件，加工完成后就能達(dá)到待檢。（3）按粗精加工劃分以粗加

23、工中完成的那一部分工藝過(guò)程為一道工序過(guò)程為一道工序。精加工中完成的那一。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.工序1用16R2圓鼻刀粗加工。工序1的具體內(nèi)容如表1所示。表1 工序1加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具規(guī)格16R2圓鼻刀刀具材料硬質(zhì)合金主軸轉(zhuǎn)速6000r/min加工余量2.5進(jìn)給速度3500mm/min曲面精度0.03mm切削寬度12mm切削深

24、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.工序2用16R2圓鼻刀開(kāi)粗加工。工序2的具體內(nèi)容如表2所示。生成的刀具路徑和加工仿真如圖7、圖8所示。表2 工序2加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具規(guī)格16R2圓鼻刀刀具材料硬質(zhì)合金主軸轉(zhuǎn)速6000r/min加工余量1進(jìn)給速度3500mm/min曲面精度0.03mm切削寬度8mm切削深度1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.工序3用12R6球頭刀半精加工。工序3的具體內(nèi)容如表3所示。生成的刀具路徑和加工仿真如圖9、圖10所示。表3 工序3加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具規(guī)格12

25、R6球頭刀刀具材料硬質(zhì)合金主軸轉(zhuǎn)速6000r/min加工余量0.5進(jìn)給速度2500mm/min曲面精度0.02m切削寬度4mm切削深度0.5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.工序4用12R6球頭刀精加工。工序4的具體內(nèi)容如表4 工序4 加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具規(guī)格12R6球頭尖刀刀具材料硬質(zhì)合金主軸轉(zhuǎn)速6000r/min加工余量0.5進(jìn)給速度2500mm/min曲面精度0.02m切削寬度4mm切削深度0.5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.工序5用10R5球頭刀除流道殘料加工。工序5的具體內(nèi)容如表5所示。表5 工序

26、5加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具規(guī)格10R5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.工序6用10R5球頭刀清根加工。工序6的具體內(nèi)容如表6所示。表6 工序6加工方式VARIABLE_CONTOUR刀具規(guī)格16R2圓鼻刀刀具材料硬質(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.工序7多

27、刀具清角加工。工序7的具體內(nèi)容如表7 工序7加工方式VARIABLE_CONTOUR刀具規(guī)格10R5球頭刀刀具材料硬質(zhì)合金涂層刀具規(guī)格8R4球頭刀刀具材料硬質(zhì)合金涂層刀具規(guī)格6R3球頭刀刀具材料硬質(zhì)合金涂層刀具規(guī)格12R2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)

28、檢測(cè)加工精度。2.3工藝文件編制工藝過(guò)程卡現(xiàn)代制造技術(shù)系機(jī)械加工工藝卡產(chǎn)品名稱圖號(hào)零件名稱整體式葉輪共1頁(yè)第1頁(yè)毛坯種類(lèi)鋁鑄件材料牌號(hào)毛坯尺寸100*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5精銑葉片6清根倒角加工 根部清理球頭刀7工序卡零件名稱整體式葉輪零件圖號(hào)圖1夾具名稱卡盤(pán)設(shè)備名稱及型號(hào)加工中心材料名稱及牌號(hào)鋁鑄件硬度75HBS工序名稱葉輪的開(kāi)粗工序號(hào)1工步號(hào)工步內(nèi)容切削用量刀具量具nfap編號(hào)名稱名稱1流道粗加工6000350021T0101三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2葉片粗加工6000350011T

29、0101三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1流道半精加工6000250022T0202三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2葉片半精加工6000250012T0202三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1流道精加工600025000.53T0303三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2葉片精加工600025000.53T0303三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1清根1500060000.14T0404T0505T0606T0303刀具卡產(chǎn)品名稱或代號(hào)零件名稱典型軸零件圖號(hào)序號(hào)刀具號(hào)刀具規(guī)格名稱數(shù)量加工表面?zhèn)渥?T018R2立銑刀1葉輪粗加工2T0212R6球頭刀1半精加工3T0310R5球頭尖刀1精加工4T048R4球頭刀1清根5T056R3球頭刀16T0612R2立銑刀1編制審核批準(zhǔn)第1 頁(yè)2.4編程軟

30、件的準(zhǔn)備目前，國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專用加工軟件，主要有美國(guó)NREC公司的MAX-5、MAX-AB葉輪加工專用軟件，瑞士Starrag數(shù)控機(jī)床帶有的整體葉輪加工模塊，還有HyperMill等專用的加工軟件。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。

31、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

32、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2-1)及前(后)緣處圓弧所在圓的圓心和直徑(如圖2-2)。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2-1葉片五截面數(shù)據(jù)圖2-2前（后）球截面線處的圖和控制（1）在保證精度

33、的條件下，應(yīng)盡可能降低樣條曲線的次數(shù)，推薦使用不超過(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

34、此零件的CAD模型。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

35、型所需的數(shù)據(jù)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。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，如果葉片實(shí)體的光順性達(dá)不到要求，需要重新對(duì)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行修改，重新生成截面線，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)

36、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。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。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下

37、。先選擇“樣條曲線(SPllne)”命令，選擇種樣條曲線擬合方式，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

38、(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求，如圖2-3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2-4)。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2-5所示。圖2-3截面線前（后）緣圖2-4截面線的控制點(diǎn)圖2-5修改后的5條截面選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初始矢量趨勢(shì)相同。如圖2-6所示，否則生成的

39、葉片表面會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。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2-7所示。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)。2-6截面線初始矢量2-7截面線的對(duì)應(yīng)點(diǎn)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2-8示。2-8滑葉片實(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

40、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2-9。最后創(chuàng)建葉輪實(shí)體，如圖2-10圖2-9輪轂2-10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)

41、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)加工專用軟件，主要有美國(guó)NREC公司的MAX-5，MAX-AB葉輪加工專用軟件，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

42、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)專業(yè)廠、專業(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。4.1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

43、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2如圖4-1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圖42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

44、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。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) （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

45、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)。 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壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子毛培（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

46、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)槽加工與精銑輪轂表

47、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，保證了良好的表面加

48、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

49、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。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)，通常以如圖5所示的流程圖為引導(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。圖4-5 UG加工流程圖4.4.2數(shù)控程序編制4.4.2.1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。 4.4.2.2葉輪氣流通道的開(kāi)槽加工

50、 抽取流道曲面，U、V參數(shù)線如圖4-6（a）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?，重新調(diào)整U、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4-6（b）所示，是沿氣流方向的。1、流道前端曲面（如圖4-6(b)中的1面）的加工。圖4-6(a) 原流道曲面的U、V參數(shù)曲線圖4-6（b）調(diào)整后的曲面U參數(shù)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：Normal to Drive（用于上半層加工）

51、，一種為：Toward Point（用于下半層加工）。 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，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(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

52、沿刀軸進(jìn)退刀。(8）Cutting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。 (2）Cutting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。 2、流道左端曲面（如圖4-6(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 Dr

53、ive（用于上半部分加工），一種是Relative to Drive（用于下半部分加工）。 流道右端曲面（如圖4-6(b)中的3面）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4.4.2.3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4-8所示：圖4-8 粗加工仿真4.4.2.4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

54、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所示，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4.4.2.5轉(zhuǎn)子一級(jí)、二級(jí)葉片的精加工(吸力面、壓力面、前圓角) 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

55、、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。圖4-10 大小葉片吸力面刀軌4.4.2.6葉片根部變圓角精加工 因?yàn)樽儓A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(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。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

56、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）5結(jié)論本課題是整體葉輪的造型、數(shù)控加工仿真及數(shù)控編程。是利用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。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，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)、零件的工藝、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

57、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)的任課教師黃河、廖璘志、陽(yáng)彥雄、劉學(xué)航、袁永富、周文超、王信等教師，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。在此我還要特別感謝周星星、曾勇同學(xué)在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我的幫助。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！ 參考文獻(xiàn) 1胡憶溈主編.實(shí)用帶壓密封夾具圖集M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19982 朱耀祥主編.組合夾具-組裝，應(yīng)用，理論-M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19903 洪如瑾主編.UG NX2 CAD 快速入門(mén)指導(dǎo)M.北京：清華大學(xué)

58、出版社，20044 龔勉主編.UG CAD應(yīng)用案例集（NX版）.北京：清華大學(xué)出版社，2003 5 馬秋成等編.UG-CAM篇M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002附 錄圖為葉片粗加工刀軌生成下面是上圖刀軌的部分程序%N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0:0030 T00 M06N0040 G0 G90 X-.8042 Y-1.4605 S0 M03N0050 G43 Z1.8789 H00N0060 Z1.8011N0070 G1 Z1.6829 F9.8 M08N0080 X-.6266 Y-1.3573N0090 G2 X-.5632 Y-1.334

59、9 I.0914 J-.1573N0100 X-.5213 Y-1.3307 I.0578 J-.3714N0110 X-.2514 Y-1.3149 I.551 J-7.0872N0120 X-.2053 Y-1.2681 I1.3124 J-1.2447N0130 G0 X-.0752 Y-1.1405N0140 Z1.8011N0150 Z1.8789N0160 X.1782 Y-1.1468N0170 Z1.8011N0180 G1 Z1.6829N0190 X.2968 Y-1.2792N0200 G2 X.3268 Y-1.3183 I-.236 J-.2115N0210 X.52

60、16 Y-1.3308 I-.2888 J-6.0617N0220 X.5589 Y-1.3348 I-.0262 J-.4175N0230 X.6412 Y-1.3696 I-.0276 J-.1798N0240 G0 X.801 Y-1.4908N0250 Z1.8011N0260 Z1.997N0270 X-.7973 Y-1.4086N0280 Z1.8789N0290 Z1.8011N0300 G1 Z1.6829N0310 G3 X-.5352 Y-1.5146 I.2198 J.1663N0320 G2 X-.5109 Y-1.5124 I.0298 J-.1917（非完整程序）圖為仿真加工開(kāi)粗圖為葉片精加工刀軌下面是上圖刀軌的部分程序%N0010 G40 G17 G94 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0:0030 T00 M06N0040 G1 G90 X.3952 Y-.2024 Z.8426 A345.855 B83.266 F9.8 S0 M03 M08N0050 X.3418 Y-.1516 Z.7223 A347.481 B82.513N0060 X.2844 Y-.1068 Z.602 A349.252 B81.822N0070 X.2235