基于UG的整体叶轮数控编程分析方法研究论文_李盎然

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摘要：由于叶轮的复杂曲面结构，使其加工技术成为研究的焦点。通过对整体叶轮的加工工艺进行分析，确定了数控五轴机床加工叶轮的工艺流程，并使用UG软件特有的可变轮廓铣削功能对加工刀路进行了编程，给出了刀位轨迹仿真结果，验证了方案的可行性。

关键词：整体叶轮 UG数控编程

整体叶轮作为发动机的关键部件，广泛地用于航空、航天等领域[1-2]，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率，它的加工成为提高发动机性能的关键环节。但是由于整体叶轮结构的复杂性，其数控加工技术一直是制造行业的难点。为了有效地提高整体叶轮的编程效率和加工效果，国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件进行整体叶轮的数控编程分析，国内只有少数企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有很大差距。总体上我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距，在窄槽道、小轮毂比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关，因此研究高性能叶轮的加工技术势在必行[3]。

本文针对整体叶轮加工问题，首先对整体叶轮特点与加工难点进行分析；其次，给出整体叶轮的CAD/CAM 系统结构图；然后，对整体叶轮的加工工艺进行分析，获取整体叶轮的加工工艺方案；最后，通过UG的数控编程及刀位仿真，并在MIKRON HSM400U五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控编程分析方法的可行性。

1、整体叶轮的结构特点及加工难点

国内大多数航空发动机整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，叶轮出口直径210mm，有9片叶片，叶片高度70mm，叶轮进口直径50mm，叶片厚度最薄处0.4mm，相邻叶片间最小间距为27mm，如图1所示。

图1整体叶轮示意图

图2 CAD/CAM系统结构图

为了使整体叶轮的气动性设计达到了国际先进水平，叶轮采用了大扭角、根部圆角等结构，给整体叶轮的加工提出了较高的要求，导致整体叶轮的加工过程存在以下问题：加工槽道变宽、易干涉、难度高、一致性差，加工刀具刚性差、容易断、难以控制切削深度。

总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，需要根据叶轮的特点进行工艺分析，获取叶轮的加工方法。

2、整体叶轮的CAD/CAM系统结构图

整体叶轮铣削加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足整体叶轮产品强度、曲面误差小、动平衡时去除质量较少等需求，因此是比较理想的加工方法。采用五轴数控加工方法加工整体叶轮的CAD/CAM系统结构图如图1所示。

3、整体叶轮的加工工艺方案

叶轮整体加工采用轮毂与叶片在一个毛坯上进行成形加工，其加工工艺方案如下：

1）毛坯加工

为了提高整体叶轮的强度，毛坯一般采用锻压件，然后进行基准面的车削加工，加工出叶轮回转体的基本形状。

2）叶轮气流通道的开槽加工

开槽加工槽的位置宜选在气流通道的中间位置，采用圆鼻刀平行于气流通道走刀，并保证槽底与轮毂表面留有一定的加工余量，如图3所示。

图3叶轮气流通道加工

3）叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加工

扩槽加工采用球形锥柄棒铣刀，从开槽位置开始，从中心向外缘往两边叶片扩槽，扩槽加工要保证叶型留有一定的精加工余量。由于此叶轮槽道窄、叶片高、扭曲严重，且UG数控加工编程需要根据驱动面来决定切削区域，因此扩槽加工需要分以轮毂面为驱动面进行扩槽、以叶片为驱动面进行扩槽来进行加工。

4）叶片、轮毂的精加工

在均匀余量下进行的精加工，保证了良好的表面加工质量。采用球头铣刀精加工，因为相邻叶片间最小间距为27mm，且叶片最深处为17.15mm，考虑到加工干涉，精加工刀具采用瑞士Fraisa公司直径2.5mm的球头棒铣刀，刀具避空位为20mm。

5）变圆角精加工

叶片的左侧为变圆角，圆角半径从叶片前缘到尾缘为1.25mm到2.2mm到1.25mm变化，其中最大圆角发生在靠近尾缘22％处。通过一次走到完成变圆角加工，加工刀具球头半径大于变圆角最小半径。

以上程序都要经过分度、旋转，加工完轮毂或叶片再执行下一个程序，保证应力均匀释放，减少加工变形误差。

4、叶轮加工数控程序编制与仿真

本文采用UG软件中的CAM模块进行压气机叶轮的加工仿真[4]，根据生成的叶轮加工工艺方案设置加工参数，生成叶轮加工的刀位文件，叶轮加工过程仿真如图4所示。

图4整体叶轮加工工艺轨迹生成

仿真结果证明整体叶轮数控加工工艺方案的可行性，用UG可以实现复杂整体叶轮的数控加工编程，加工仿真效果良好。

5、小结

本文是基于UG的整体叶轮数控编程方法研究，论述了整体叶轮的特点及加工难点，给出了整体叶轮加工工艺的分析过程，最后利用UG整个数控铣削过程进行了程序编制与仿真模拟，验证了工艺方案的可行性。

参考文献

[1] 庄伟娜, 周来水, 安鲁陵. 基于UG的叶轮实体造型研究[J]. 智能制造, 2008(9):51-53.

[2] 韩江, 李凯亮, 夏链. 基于UG透平叶轮数字化建模的研究[J]. 机械制造, 2010, 48(7).

[3] 汪杰. 基于UG的压气机叶轮造型系统设计研究[D]. 南京理工大学, 2013.

A，U9V

论文作者:李盎然

论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期

论文发表时间:2020/3/16

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