整体叶轮的加工工艺

整体叶轮的加工工艺

摘要：根据叶轮加工专业软件中NC 程序模块分类思路以及通用叶轮数控工艺的需求分析，在对某型叶轮进行五轴加工工艺编排过程中对此方法进行了工程试用，最后通过VIRICUT 加工仿真平台验证了叶轮工艺及特征分类方法的可行性和正确性。

关键词：叶轮；加工特征；加工模块

1 引言

随着航空发动机推重比的日益提高，在风扇与压气机中整体叶轮的结构得到越来越多的应用，其省去了连接用的榫头、榫槽，使零件数大为减少。然而却带来单件结构复杂、刚性差、材料加工难度大、加工质量要求高，加工量大等一系列加工难点。而且整体叶轮上的叶片往往由复杂的自由曲面经过三维扭曲组成，几何精度要求很高，因此对加工程序的编制提出了更高的要求。如何快速地缩短我国叶轮加工工艺技术与发达国家的距离，研发我国自主版权的叶轮加工专业模块及软件，成为我国叶轮加工工艺技术研究中亟待解决的问题。

2 整体叶轮分类与CAD/CAM 系统结构

目前航空发动机技术中所采用的整体叶轮按结构形式分为开式与闭式两种构型，开式叶轮按照气流的运行方式又可分为轴流式叶轮与离心式叶轮。对于压气机转子和风扇等具有复杂曲面叶片叶轮的制造通常采用五轴数控铣削加工的方式实现其精度要求，较为成熟的工艺主要有：精锻毛坯+精密数控铣削加工；焊接毛坯+精密数控铣削加工。采用通用加工软件对整体叶轮进行精密数控铣削加工的CAD/CAM 系统，如图2 所示。

图2整体叶轮的通用CAD/CAM 系统

在通用加工软件中，首先根据叶轮图纸及型值点数据建立整体叶轮模型，之后对已有模型中的轮毂、流道、叶片等区域分别进行工艺编制和程序编写，并通过加工仿真验证程序的可行性，最后通过机床相应后置处理得到可以用于加工的NC 代码。

3 加工特征分类的整体叶轮加工工艺

3.1 加工刀具的选择

为了提高加工效率及保证刀具刚性，在叶轮的加工过程中应尽可能使用直径大的刀具。通过UG 软件的距离分析功能可得被加工叶轮的叶片间距Lmin为8.2mm，为了保证半精加工余量δmax并为刀轴摆动角度预留空间，可以通过（1）式预估刀具直径，各参数定义，如图3所示。

式中：ɧ—叶片展长。

通过叶轮尺寸的已知参数可以确定并选取准5 的刀具对叶轮叶片主体进行粗加工和半精、精加工。对R1的叶根圆角与流道精加工程序则分别选用准2与准3的圆锥铣刀。

图3叶轮叶片区域参数示意图

3.2 整体叶轮的特征加工编程

3.2.1 叶轮零件区域清除开粗插铣加工程序

开式叶轮机械加工过程中的叶轮加工程序是最大的去除工艺，所要求的机械性能要求由小直径铣刀片间距大小限制下的苛刻。通用的整体叶轮开粗程序是粗略选取叶片间气流通道的中间位置，采用者为增大切削刚性，选择机床直线副运动形式，对流道空间的型腔特征从不同方向分别进行三轴加工。然而以上两种方法，均不以叶片几何特征为算法参考，加工效果不稳定，无法保证叶片半精加工的余量均匀。

在本文中，通过UG/Open API编程接口，采用插铣加工的整个算法整体叶轮的加工过程，如图4所示。最小二乘解确定轴空间矢量算法的切入铣刀位置由刀面刀的特征偏移离散值，从而使加工和后续加工余量分布，提高整体质量的暂时空白。并介绍了一种铣削加工方法，可以有效地减小加工变形，减小工件的加工变形，提高挂工具的直径比，为整体叶轮的加工提供了一种解决方案。

图4叶轮零件区域清除开粗插铣加工刀轨

3.2.2 叶轮流道半精/精加工程序

叶轮加工高质量要求，不干扰可行的有限域，流道表面光洁度加工，需要选择合理的刀具尺寸和刀具的角度精度控制。由于理论模型叶间距Lmin为8.2mm，叶根圆角为R1，为了完成切割面积最大齿根圆角和考虑刀具刚度、准流表面半精加工球头铣刀5选择，选3的准锥刀通道表面精加工。刀轴摆角控制，当信道特征作为驱动表面，通过UG矢量插值插值驱动方式手动设置和调整的关键工具轨迹的刀轴矢量和线性插值方法的刀轴矢量的刀具位置，相邻刀位刀轴矢量平滑过渡。最后，刀具路径的全局干涉检查和设置安全检查距离为

0.05mm，干涉的边界是避免加工刀具路径。优化后的叶轮表面精加工工具导轨，如图5所示。

图5叶轮流道精加工刀轨

3.2.3 叶片精加工程序

整体叶轮上的叶片往往由复杂的自由曲面经过三维扭曲组成，几何精度要求很高，而且由于整体叶轮的高温高压的恶劣工作环境，往往叶轮毛坯材料属于难加工材料。所以对整体叶轮叶片的特征处理，不仅要规划和准确的和光顺优化叶片加工程序的编写，还需要加工的切削参数进行了优化，以提高加工表面质量和加工效率。为了提高刚性零件的加工特性。在铣削加工叶轮区域清晰的模块完成，随后叶片精加工程序预留1.5mm制服津贴，准5球头铣刀刀片的加工精度，调整刀轴矢量与角θ叶片几何特性控制和实时性，避免在插值和整体叶轮的加工刀具位置全局刀具干涉。在光顺刀轨端程序，提高加工表面质量。如图6所示，为该型叶轮的特殊要求，空白，需要叶片精加工程序段，0%至48%叶的特点，45%到90%，88%和100%进行精加工，采用准2球头铣刀精加工面积的88%和100%，转轮叶片的铁路连接过渡到叶根圆角R1之间叶片特征。

图6叶轮叶片精加工分段刀轨

4 加工过程仿真与验证

为提高整体叶轮的加工程序组，与给定的机器和模具的组，在VERICUT平台和加工程序加工过程的可行性进行了验证。如图7所示，完成6套整体叶轮的加工特征的加工组时的仿真结果，为一个单一的加工特征设置仿真加工时间约0.8H。加工后的模型与叶轮理论模型对比，叶片型面各处误差均小于0.05mm，符合叶轮零件精度要求。

图7叶轮加工程序组仿真结果

5 结论

本文从对外加工叶轮的叶轮数控加工程序模块分类思想和一般叶轮数控加工中引入思想编程块的过程一定型叶轮的五轴数控加工工艺安排需求分析软件的总结，形成一套完整的叶轮加工方法。最后，通过viricut平台下的仿真结果的处理、验证过程和模块划分的叶轮的方法的可行性和正确性。

参考文献

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