基于UG的发动机整体叶轮数控编程研究

   整体叶轮作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节。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。以典型的CAD/CAM软件——UG，编制出深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机的转子的五坐标加工程序，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加工方案及程序的可行性。该加工件已经用于微型发动机中进行试车实验。

1 前言

整体叶轮作为透平（Turbine）机械的关键部件，广泛地用于航空、航天等领域，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。因此它的加工技术一直是透平制造行业中的一个重要课题。目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件[1]，主要有美国NREC公司的MAX-5，MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有Hypermill等专用的叶轮加工软件。此外，一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E等也可用于整体叶轮加工。目前，国内只有少数几家企业（如：西北工业大学等院校和航空航天系统一些发动机专业厂、专业所）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，很多企业的软、硬件都依靠进口，自主版权的软件在生产中未见推广应用，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。

2 整体叶轮的CAD/CAM系统结构图

整体铣削叶轮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，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用数控加工方法加工整体叶轮的CAD/CAM系统结构图[2]如图1所示。

3 微型压气机转子的结构特点及加工难点

国内大多数整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，而本文研究的叶轮是北航能源与动力工程学院自主开发的微型航空发动机上的压气机转子。压气机转子出口直径为81mm，有8片一级叶片，8片二级叶片，出口叶片高度3mm，叶轮进口直径44.3mm，进口叶片高度17.15mm，叶片厚度最薄处0.4mm，相邻叶片间最小间距为3.1mm，如图2。

为了使气动性设计达到了国际先进水平，压气机转子采用了大扭角，根部变圆角等结构，给加工提出了很高的要求。转子加工难度如下：

1、国际上同等直径81mm的整体叶轮通常有12片叶片或14片叶片，而此转子有16片叶片，而且它的二级叶片也较长，这些都使加工槽道进一步变窄，加工难度进一步增加。
2、在刀具直径为2.5mm情况下，刚性差，容易断，控制切削深度也是关键。
3、此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。有时为了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难。
4、前缘圆角曲率半径变化很大，加工过程中机床角度变化较大，并且实现环绕叶片加工较难；
5、由于叶轮强度的需要，轮毂与叶片之间还采用变圆角。由于槽道窄，叶片高，变圆角的加工也是个难点。

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，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。

4 压气机转子的加工工艺方案

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，而不采用叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法。其加工工艺方案如下[3-4]：

1、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。压气机转子的毛坯如图3所示。

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，采用平底锥柄棒铣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4所示。

其中平底锥柄棒铣刀为硬质合金刀具，其规格为：平底部分直径为：3mm，半锥角为2°，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。

此步选用的主轴转速为：10000r/min，进给速度为：800mm/min。在数控机床的控制面板上一般备有主轴转速、进给速度修调（倍率）开关，可在加工过程中根据实际加工情况对主轴转速、进给速度进行调整。

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。通常情况下，扩槽加工与精铣轮毂表面在一次加工完成。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两部分来加工。

第一部分：选择驱动面为轮毂面，进行扩槽。此时不能加工到轮毂表面，还需进一步扩槽加工；
第二部分：进一步扩槽及叶片粗加工。选择驱动面为叶片表面的偏置面，在叶片粗加工的同时，进一步扩槽。

其中球形锥柄棒铣刀为硬质合金刀具，其规格为：球头部分直径为：3mm，半锥角为2°，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。此步选用的主轴转速为：20000r/min，进给速度为：3000mm/min。

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3.1mm，且叶片最深处为17.15mm，考虑到干涉，转子精加工刀具采用瑞士Fraisa公司的直径2.5的球头棒铣刀，刀具避空位为20mm。加工时的主轴转速为：260000r/min，进给速度为：5000mm/min。

5、变圆角精加工

大、小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线性变化。其中最大圆角发生在靠近尾缘22％处。叶片右侧为常数圆角1.25mm。变圆角可以通过一次走刀加工完成，这时刀具球头部分的半径至大为变圆角的最小半径。选择的刀具、主轴转速、进给速度，同叶片、轮毂的精加工。

以上程序都要经过分度、旋转，加工完全部的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。

5 压气机转子的数控程序编制

5.1用UG加工压气机转子的流程图

用UG进行转子数控编程时，通常以如图5所示的流程图为引导，用以创建各操作的刀位轨迹，并贯穿加工的整个过程[2]。

5.2数控程序编制

5.2.1建立父节点组

1、在刀具节点下，加入加工用到的所有刀具，并设置其刀具参数；
2、在几何节点下，选择毛坯、设置加工坐标系、选择避让几何为转子实体；
3、在方法节点下，设置粗、半精、精加工时的主轴转速、进给率及刀位轨迹的显示颜色。

5.2.2叶轮气流通道的开槽加工

抽取流道曲面，U、V参数线如图6（a）所示。因为叶轮通道的加工需要沿气流方向，所以重新排列流道的U、V参数线，使U参数或V参数线沿气流方向。因为此流道曲面的特殊性，重新调整U、V参数后，流道面分成了三片曲面。重新排列后的V参数线如图6（b）所示，是沿气流方向的。

1、流道前端曲面（如图6(b)中的1面）的加工

采用可变轴曲面轮廓铣（Variable Contour），加工深度越深，干涉越严重，采用一种刀轴控制方式不一定合适，因此分成两种刀轴控制方式进行。一种为：Normal to Drive（用于上半层加工），一种为：Toward Point（用于下半层加工）。

加工上半层，程序的参数设置如下：

1）驱动方法（Drive Method）采用Surface Area；
2）驱动几何选用流道前端曲面，即图6(b)中的1面；
3）建立避让几何，以零件整体作为避让几何，如果干涉则自动退刀，一般粗加工时选用自动退刀来避免干涉。
4）粗加工，行距选择Tolerance=0.1mm；
5）刀轴控制方式为：Normal to Drive；
6）切削区域中Surface%的Start step、End step都设置为：50，表示在加工面中间位置切削一刀；
7）设置Non-Cutting，即非切削运动，选用沿刀轴进退刀；
8）Cutting下，设置Stock余量：7mm；设置Multiple passes（多层加工），每层切深为0.5mm。

加工下半层，程序的参数设置如下：

1）刀轴控制方式为：Toward Point；
2）Cutting下，设置Stock余量：0.2mm；设置Multiple passes（多层加工），每层切深为0.5mm。
3）其它参数设置，同加工上半层的程序。

因为可变轴曲面轮廓铣关键是选择刀轴控制方式，因此后续的加工只说明刀轴控制方式。

2、流道左端曲面（如图6(b)中的2面）的加工

采用的是可变轴曲面轮廓铣，加工本曲面，刀轴控制方式一种是Normal to Drive（用于上半部分加工），一种是Relative to Drive（用于下半部分加工）。

（3）流道右端曲面（如图6(b)中的3面）的加工

此曲面曲率变化很平缓，曲面上各点法向与叶片曲面夹角都接近0º，因此加工此曲面所选择的刀轴控制方式为Normal to Drive。生成加工刀轨如图7所示。

5.2.3叶轮气流通道的扩槽加工

扩槽加工刀轨类似开槽加工，只是切削区域中Surface%的Start step设置为：0、End step：100，表示切削整个流道面，生成刀轨如图8所示。

5.2.4进一步扩槽和叶片的粗加工

扩槽加工后已经加工掉流道大部分余量，为了保证精加工之前有均匀的加工余量，提高最终的表面加工质量，此步是继续扩槽和叶片粗加工。加工驱动面选择叶片的偏置面，如图9所示，流道、叶片粗加工后的仿真结果如图10所示。

5.2.5转子一级、二级叶片的精加工(吸力面、压力面、前圆角)

从吸力面过渡到压力面曲率变化剧烈，因此，采取吸力面、压力面、前圆角分开加工。一级、二级叶片型面类似，加工参数是类似的，下面是叶片精加工的通用参数设置。

1）驱动几何选择要加工曲面；
2）刀轴控制方式为：Relative to Drive，关键是选择参数Tilt、Lead；
3）设置Non-Cutting，选用沿切削方向进刀、沿刀轴方向退刀；
4）精加工Stock设置为：0mm；生成的加工刀轨，如图11。

5.2.6叶片根部变圆角精加工

因为变圆角的曲率变化剧烈，因此用Relative(Normal) To Drive控制刀轴方向容易与其它叶片干涉，因此大、小叶片的刀轴控制方式都为：Toward Line，有时只用一条控制刀轴线，还不能控制加工一张完整的曲面，可能要选用几条控制线。大叶片左侧变圆角加工刀轨如图12、小叶片左侧变圆角加工刀轨，如图13。

6 结论

实验结果证明此微型整体叶轮数控加工的方案是可行的，用UG可以实现复杂微型整体叶轮的数控加工编程，加工效果良好。此加工件已经用于微型发动机的试车实验。