ug整體葉輪數控加工方案的設計與實現

1整體葉輪結構特點的應用葉片的總體特點是結構復雜、數量眾多、對發動機性能的影響較大、設計圖紙審批周期長、制造工作量大等。目前,較重要用途的葉輪都是由非可展直紋面和自由曲面構成的,葉輪葉片的型面非常復雜,使得葉片實體造型較一般的實體造型更為復雜多變。從整體葉輪的結構特點也可以看出:加工整體葉輪時加工軌跡規劃的約束條件比較多,相鄰葉片空間較小,加工時極易產生碰撞干涉,自動生成無干涉刀位軌跡較困難。目前國外一般應用整體葉輪的五坐標加工專用軟件,主要有美國NREC公司的MAX-5,MAX-AB葉輪加工專用軟件,瑞士Starrag數控機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,國內只有少數幾家企業可以加工整體葉輪,而且工藝水平距國際先進水平尚有差距。總體上,我國葉輪加工領域的研究與應用同發達國家相比還有很大差距,在窄槽道、小輪轂比等高性能葉輪制造技術方面尚未過關。2葉輪產品的加工整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件,然后車削成為葉輪回轉體的基本形狀,在五軸數控加工中心上使輪轂與葉片在一個毛坯上一次加工完成,它可以滿足壓氣機葉輪產品強度要求,曲面誤差小,動平衡時去質量較少,因此是較理想的加工方法。五軸數控加工技術的成熟使這種原來需要手工制造的零件,可以通過整體加工制造出來。采用數控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統結構圖如圖1。3轉子尺寸對加工的影響國內大多數整體葉輪都是根據國外葉輪縮比仿制的,而本文研究的葉輪是北航能源與動力工程學院自主開發的微型航空發動機上的壓氣機轉子。壓氣機轉子出口直徑為81mm,有8片一級葉片,8片二級葉片,出口葉片高度3mm,葉輪進口直徑44.3mm,進口葉片高度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2。為了使氣動性設計達到了國際先進水平,壓氣機轉子采用了大扭角、根部變圓角等結構,給加工提出了很高的要求。轉子加工難度如下:a.國際上同等直徑81mm的整體葉輪通常有12片葉片或14片葉片,而此轉子有16片葉片,而且它的二級葉片也較長,這些都使加工槽道進一步變窄,加工難度進一步增加;b.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鍵;c.此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴重,并且有后仰的趨勢,加工時極易產生干涉,加工難度高。有時為了避免干涉,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;d.前緣圓角曲率半徑變化很大,加工過程中機床角度變化較大,并且實現環繞葉片加工較難;e.由于葉輪強度的需要,輪轂與葉片之間還采用變圓角。槽道窄、葉片高、變圓角的加工也是難點。總之,此葉輪的窄槽道、大扭角、變圓角給加工帶來了很大困難,國內還未見有加工出此種高難度的整體葉輪。4創造荷葉三維模型4.1理論模型建立葉輪葉片數據的獲取主要有兩種方法:一種是通過逆向工程;一種是通過理論計算。逆向工程是把原型的幾何尺寸通過各種測量方法(如:三坐標測量機、激光跟蹤儀、三坐標測頭等)轉化成數據文件,然后重新建立此零件的CAD模型的技術。理論計算是根據流體力學原理計算出的葉型數據,本文的原始造型數據就是通過理論計算得出的。數據文件提供的是:一系列數據點坐標,數據點坐標格式為:“XC空格YC空格ZC空格”,與UG對數據源文件的要求一致。這樣才可以根據曲面的連續、光滑性要求,在UG的自由曲面模塊中,由葉片的離散數據點擬合生成光滑、準確的閉合曲線,從而再通過這些曲線生成葉片曲面。4.2平面曲線和空間曲線通常情況下,葉片的基元線主要分為兩類:一類是平面曲線(一般出現在渦輪中),一類是空間曲線(一般出現在壓氣機葉輪中)。而UG中對這兩類曲線生成葉片實體的處理方法是不同的。4.2.1封閉樣條曲線的繪制從菜單欄中選擇【樣條】命令,根據需要選擇其中的一種擬合方式,把已生成的數據文件導入,系統將按照數據繪制封閉的樣條曲線。按照上述方法,用其它的數據文件中的數據繪制其它封閉樣條曲線。從菜單欄中選擇【通過曲線】命令,系統將彈出【通過曲線】對話框,分別選取已建的樣條曲線串。這樣就生成了葉片實體(如圖3)。4.2.2葉片片體的縫合面導入數據文件,繪制樣條曲線;通過曲線串生成葉片實體:同4.2.1。但是這時候生成的是葉片片體(如圖4)。要想生成實體,必須在葉片片體的兩側建立兩個縫合面,縫合成實體。利用【掃描】命令,通過片體兩側的最外邊曲線,生成縫合面(如圖5),這樣這兩個平面和所建立的葉片片體共同圍成了一個封閉的葉片體。利用【縫合】命令,選擇以上建立的兩個平面和片體,生成葉片實體,如圖6。4.3基于麻黃的建模UG提供了兩種建立曲線的方式:一種是直接在三維建模方式下,一種是在草圖方式下。草圖中建立便于參數化,推薦用草圖建立。利用【回轉】命令,選擇所建的截面曲線作為剖面線串,創建輪轂回轉體。4.4修復葉片和方向盤通過定義基準面和裁剪體,利用【裁剪】命令,裁掉多余的部分。4.5葉片均勻的處理因為葉片是圓周均布的,所以利用【變換】命令,選擇要復制的葉片,在【角度】文本框中輸入參數值360/n(n為葉片個數),連續復制n-1次,這樣就完成了n個葉片在輪轂上的均勻分布。4.6葉輪的三維實體造型到此,葉片、輪轂已經建立完畢,但它們都是獨立的實體,因此,把它們組合成一個實體,最終完成葉輪的三維實體造型(如圖7、8)。5線、曲面的偏差由于葉片數據的獲取來源,決定了生成的葉片曲線、曲面可能存在不需要的拐點,出現不光滑的凹凸現象,這直接影響著后續的加工效果。因此在三維建模過程中需要對曲線、曲面進行光順檢查。5.1曲線分析5.1.1曲線特征曲線分析用UG中的曲線分析工具,分析葉片的每一條基元線的曲率分布情況,有無斷點、尖點、交叉、重疊。下面以一條空間基元線為例,分析曲線的質量。曲率梳可以反映曲線的曲率變化規律并由此發現曲線的形狀問題。原始曲線的曲率梳分布如圖9,光順后的曲率梳分布如圖10。通過曲率圖可以看出:光順后的曲線比原始曲線要光順的多。因此,光順后的曲線更有利于后續的數控加工編程。5.1.2光順曲線通過編輯曲線中的光順曲線命令,修改光順因子,來達到需要的光順曲線。5.2面部分析5.2.1調整法矢量的垂直分布葉片曲面的理想情況是在各處法向矢量呈發散的趨勢。如果兩法向矢量有相交的趨勢,原因可能是由于前緣、尾緣的半徑設置不合理。這種情況下,需將前、后緣的數據點進行修改。用UG中的橋接曲線功能,在保證連接點曲率連續的前提下,通過修改相切模量來調整前緣、尾緣形狀。最后重新分析曲面的法矢量。以轉子葉片為例,葉片曲面法矢量三維分布,可以看出法矢量的變化比較連續,只是在前緣、尾緣與吸力面、壓力面的相接處存在較大的轉折。通過放大法矢量圖,分析在銜接處的法矢量變化,發現法矢量的變化是連續的,即法向矢量之間沒有相交的趨勢。如圖11,這是合理的。但是法矢量變化較大的地方,可能成為曲面加工中的難點,因此在數控編程中應特別注意干涉過切與刀具轉角這兩方面的問題。如果干涉太嚴重,可以將壓力面、吸力面、前緣角分開加工。5.2.2相鄰葉片曲面距離的選取使用UG中的距離分析命令可以求出相鄰葉片曲面的最小距離,這個最小距離可以作為選取刀具的參考依據之一。所選刀具的直徑最大不能超過該值。6葉片溫度控制精確加工的規劃6.1葉片安裝時最小距離lmin的大小為提高加工效率,在進行流道粗加工、半精加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀,但是必須保證刀具直徑R1小于葉片間最小距離Lmin,Lmin的大小可以根據UG軟件的分析面面距離的功能測得。在葉片精加工過程中,應在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀,即保證刀具半徑R2大于流道和葉片相接部分的最大圓角半徑。在對流道和相鄰葉片的交接部分進行清根時,選擇的刀具半徑R3小于流道和葉片相接部分的最小圓角半徑。6.2加工工藝葉輪整體加工采用輪轂與葉片在一個毛坯上進行成形加工,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。6.2.1壓墊為了提高整體葉輪的強度,毛坯一般采用鍛壓件,然后進行基準面的車削加工,加工出葉輪回轉體的基本形狀。6.2.2流道面的加工開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,并保證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量。根據整體葉輪流道部分的幾何特征,流道開槽需分成3部分加工:小葉片前端、左端、右端,如圖12所示。每部分開槽需采用分層漸進的方法,將流道部分的總加工余量根據整體葉輪和刀具材料的力學性質以及進給速度等分成若干層進行加工。所分層數和每層的加工余量應該根據總加工余量的最大厚度部分來進行合理分配。選擇流道曲面為零件面(PartGeometry)和驅動幾何面(DriveGeometry),葉片面和輪轂面為干涉檢查面(Check)。可采用的驅動方法為:前端流道面加工采用的驅動方法為:垂直于驅動(NormaltoDrive)、趨向于點(TowardPoint);左端流道面加工采用的驅動方法為:垂直于驅動(NormaltoDrive)、相對于驅動面(RelativetoDrive);右端流道面曲率變化很平緩,曲面上各點法向與葉片曲面夾角都接近0o,因此加工采用的驅動方法為:垂直于驅動(NormaltoDrive)。因為開槽時余量大,剛開始就用五軸加工,對刀具直徑有限制,切削速度慢。因此可以先用型腔銑對流道從兩個不同的方向進行開槽。相對于分層漸進法,此方法開槽效率高,加工質量穩定,但開槽后剩余加工量大,且不規則,還需要用分層漸進法補加工。6.2.3擴槽加工工藝設計開槽加工后已經加工掉流道大部分余量,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量,還需要擴槽和葉片粗加工。擴槽加工采用球形錐柄棒銑刀,從開槽位置開始,從中心向外緣往兩邊葉片擴槽,擴槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下,擴槽加工與精銑輪轂表面在一次加工完成。由于此葉輪槽道窄、葉片高、扭曲嚴重,且UG數控加工編程需要根據驅動面來決定切削區域,因此擴槽加工需要分兩部分來加工。a.選擇驅動面為輪轂面,進行擴槽。此時不能完全加工輪轂表面,還需進一步擴槽加工,來輔助加工輪轂表面;b.進一步擴槽及葉片粗加工。選擇驅動面為葉片表面的偏置面,在葉片粗加工的同時,進一步擴槽。加工驅動面選擇葉片的偏置面,流道面、其他相鄰葉片面作為干涉檢查面,可采用的驅動方式為:趨向于點(TowardPoint)、趨向于線(TowardLine),生成的刀軌如圖13所示。6.2.4轉子銑削刀具在均勻余量下進行的精加工,保證了良好的表面加工質量,采用球頭銑刀精加工,因為相鄰葉片間最小間距為3.1mm,且葉片最深處為17.15mm,考慮到干涉,轉子精加工刀具采用瑞士Fraisa公司的直徑2.5mm的球頭棒銑刀,刀具避空位為20mm。從吸力面過渡到壓力面曲率變化劇烈,因此,采取吸力面、壓力面、前圓角分開加工。驅動幾何選擇要加工的曲面;可采用的驅動方法為相對于驅動(RelativetoDrive),必要時需要合理設置前傾角和側傾角,生成的刀軌如圖14所示。6.2.5次走刀加工大、小葉片的左側為變圓角,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。其中最大圓角發生在靠近尾緣22%處。葉片右側為常數圓角1.25mm。變圓角可以通過一次走刀加工完成,這時刀具球頭部分的半徑最大為變圓角的最小半徑。因為變圓角的曲率變化劇烈,因此用Relative(Normal)ToDrive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:TowardLine,有時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。以上程序都要經過分度、旋轉,加工完全部的輪轂或葉片再執行下一個程序,保證應力均勻釋放,減少加工變形誤差。五軸編程不僅要合理選擇驅動面,而且還要根據葉輪的幾何特征合理地設置進退刀方式,從而避免過切和干涉。7實驗結果分析本文利用UGNX軟件對復雜曲面葉輪進行了三維造型、加