基于UG的整体叶轮加工工艺.docx
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基于UG的整体叶轮加工工艺
分类号UDC单位代码10644
密级公开学号xxxxxxx
本科毕业设计
压气机叶轮加工工艺
学生姓名：
二级学院：
物理与机电工程学院
专业：
机械工程及自动化
班级：
201x级x班
学号：
*****xxxxx
指导教师：
xxx
完成时间：
年月日
中国达州
年月
压气机叶轮加工工艺
机械工程及自动化
2011级x班：
xxx指导教师：
xxx
摘要：
离心压缩机叶轮的加工是一个多轴数控加工中最常见的例子，现如今数控高速铣削加运用于整体叶轮加工的技术已经相对成熟，但多依赖于国外的软件。
本文主要介绍了压缩机叶轮的加工工艺过程、详细分析了叶轮的仿真全过程。
主要工作包括以下三个方面：
（1）本文根据实习公司实际的生产情况和研究需求，使用UG8.0软件进行压气机叶轮的工艺分析。
运用UG8.0加工模块的型腔铣、可变轮廓铣、叶轮加工等方法完成对叶轮加工的编程、仿真加工及后处理。
（2）压气机叶轮的主叶片、分流叶片呈不规则曲面状，在径向上随着半径的减小叶片的厚度越来越薄、相邻叶片流道越来越窄、叶片高度逐渐增加、叶片的曲率越来越大，这些无疑是整体叶轮加工的难点和重点。
因此，加工叶轮叶片时刀具与被加工叶片之间、刀具与相邻叶片之间及易发生干涉，导致在某些区域程序自动生成时没有不碰撞的刀具轴。
本文就是从该难点出发设计压气机叶轮叶片、轮毂、流道的加工工艺。
（3）在编程过程中刀具的选择，主轴转速、进给、吃刀量、加工余量的确定，都直接影响加工效率。
针对刀轴的约束条件多,自动无法生成可靠的刀轨等问题进行加工工艺分析，确定了采用瑞士米克朗公司的海德汉系统五轴加工中心作为叶轮加工设备，刀具轨迹采用"自曲面等值线”方式。
关键词：
压气机叶轮；UG8.0；加工工艺；叶片
CentrifugalFanImpeller
Mechanicalengineeringandautomation
Theclassxofgrade2011:
Jxxxx Theinstructor:
xxxx
Abstract:
Centrifugalcompressorimpellermachiningisthemostcommoninstancesofmulti-axislinkagencmachining,itisalsooneofthedifficultiesinncmachining.Thispaperintroducesindetailthewholeprocessoftheimpellermachiningandprocessingprocessmattersneedingattention,forcomplexproductmodelingandncprogrammingprovidesdesignideasandmethods.Mainworkincludesthefollowingaspects:
（1）Inthispaper,accordingtotheactualproductionsituationandthedemandofresearch,usingUG8.0softwarefortheanalysisoftheimpeller.Throughprocessingmodulecavitymilling,variablecontourmilling,processingmethodofimpellerimpellermodelofprogramming,simulationprocessandpost-processing.
（2）Adjacentintegralimpellerbladelessspace,withthedecreaseoftheradiusontheradialchannelssuchasnarrowprocessingdifficulties,sotheimpellerbladecurvedsurfacemachiningbesidesinterferenceoccursbetweenthecutterandtheprocessingblade,cuttingtoolisinterferencewiththeadjacentblades.
（3）Toolplanningconstraints,automaticgenerationoftoolpathismoredifficultproblems,combinedwithpracticalexperience,hascarriedontheprocessingtechnologyresearch,identifiedbySwissmkronorcompanyHydehansystemfiveaxismachiningcenterasanimpellermachiningequipment,toolpathusing"sincethesurfacecontour"way.
Keywords:
Integralimpeller;UG;Theprocessingtechnology
1.引言
涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。
汽车离心涡轮增压器是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，涡轮增压器的开发对于发动机的发展有着积极的影响，涡轮增压器工作原理如图2所示。
而压气机是涡轮增压器的主要部件，压气机叶轮即工作叶轮，是压气机的主要组成部分，在航空航天、船舶、汽车等透平机械领域被广泛应用，一直是机械加工行业中的一个重要课题。
压气机叶轮叶片的设计和加工通常会考虑空气动力学、流体力学、叶片强度和叶片振动等对叶轮工作的影响。
近几年来我国汽车工业的快速发展，对涡轮增压器的需求量越来越大，对叶轮设计制造和性能要求也越来越高。
目前，叶轮的最高转速以达10万转/分，这对叶轮的表面质量、致密的组织以及综合力学性能要求也越来越高。
当前，国外多采用五轴高速铣加工整体叶轮，且在技术和工艺上已经非常成熟，主要采用专业软件加工整体叶轮，如美国NREC公司的MAX系列，Hypermill叶轮加工软件。
而中国多用UGNX、CATIA、MasterCAM、PRO/E等三维软件来加工压气机叶轮，在加工工艺、加工质量、加工效率方面都还有待提高。
本文选用功能强大的UGNX8.0对压气机叶轮进行工艺分析和加工仿真方面的研究。
窗体底端
2.压气机叶轮结构加工工艺分析
2.1压气机叶轮结构分析
压气机是通过压缩空气来增加进气量从而提高压气机叶轮转速的机械装置。
列如，汽车离心涡轮增压器就是是利用发动机排出的废气的惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，如图2所示。
当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
涡轮增压系统如图1所示，工作叶轮、涡轮叶轮如图2所示。
涡轮增压机主要包括离心压气机叶轮、离心式空压机、涡轮增压系统等。
离心式压气机叶轮又称工作轮，是离心式压缩机中惟一对气流作功的元件。
转子上的最主要部件。
一般由轮盘、轮盖和叶片等零件组成，压气机叶轮模型如图3所示。
气体在叶轮叶片的作用下，随叶轮作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮后的压力得到提高。
在风力发电机组中，叶轮由轮毂和叶片组成。
风经过叶轮，带动叶轮转动，从而带动发电机转动，将风能转化为电能。
此时，要求叶轮转动时有足够大的迎风面，以从风中提取足够多的能量;同时，在风速过大时，要能够自动调整叶片迎风角度，避免因受力过大而损坏机械。
这个过程就是旋转的机械能---->流体的动能的转换过程。
图1涡轮增压系统
图2压气机压气机叶轮（左）涡轮叶轮（右）
图3压气机叶轮模型
2.2压气机叶轮的技术要求
2.2.1对压气机叶轮的设计制作要求
（1）在单位时间内通过的能量要尽量的大；
（2）空气流过叶轮流道的能量损失要小，即空气流经叶轮的效率要高；
（3）空气流出叶轮时，各参数达到设计的要求；
（4）叶轮在工作情况下转速非常高，所以叶轮要尽量的轻，但刚性要足够的强，这对材料的要求就较高。
2.2.2对压气机叶轮的加工要求
随着设计理论的发展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，传统的方法已经满足不了一些复杂叶轮的生产需求。
采用铸造和焊接成型后修光的传统方法生产叶轮，首先其模具制造的难度非常大，对焊接的工艺要求高，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度得不到有效保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集中和气蚀，叶轮的动平衡性能差。
压气机叶轮叶片薄，悬壁长度相对较长，同时由于复杂的曲面，其加工需使用细长刀具和多轴联动机床。
叶轮零件的技术要求内容与常规零件一样，通过机床的加工精度控制叶轮的尺寸、形状、位置、粗糙度等几何方面的技术要求，毛坯材料的结构决定了叶轮的机械、物理、化学性能等方面的技术要求。
叶轮叶片需具有良好的表面光洁度和光顺性，才能提高叶轮的气动性能。
叶片表面和叶根表面对精度的要求较高，一般表面粗糙度要求应高于1.6。
为了防止叶轮工作时产生的振动噪声，所以对叶轮的动平衡性要求很高，因此在工艺设计是需要综合考虑叶片的对称问题，在进行CAM编程时利用UG的绕点旋转功能生成绕圆点呈中心对称的程序，可采用通过加工其中一个元素来完成其它元素的加工。
如叶轮工程图，见附1。
2.2.3叶轮的加工难点
为了提高叶轮的动力学和流体力学的性能，叶轮设计采用了大扭角，主叶片之间加了分流叶片，根部变圆角等结构，使得加工时极易产生干涉，无疑对叶轮的加工提出了更苛刻的要求。
叶轮加工难点：
1、叶轮加工流道较窄，会受到大扭角和分流叶片的影响。
叶片较长，相对刚度低，高度随径向直径的增大而增大，厚度随径向直径的增大而减小，是一种典型的薄壁类零件，在加工过程中非常易发生变形，使得压气机叶轮加工难度增加。
2、本论文加工的压气机叶轮，其主要参数为：
叶片直径为中85mm，叶片距最窄处叶片深度33.75mm，相邻叶片最小间距22.975mm，进口高度10mm，出口高度34mm，根部圆角3.5mm，厚度在0.56~1.12mm之间。
综合参数分析，加工需要用到小直径刀具，小直径刀具刚性差，容易折断，控制切削深度的同时保证加工效率较为困难。
3、叶轮曲面为自由曲面，保证加工表面的一致性也有一定困难。
因此，为了加工合格的叶轮，必须综合考虑此叶轮的叶片薄壁、大扭角、小刀径的特点，规划出一套合理的加工方案。
3.压气机叶轮毛坯的确定
3.1叶轮材料的选择
20世纪40年代末，7系铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）材料就已应用于飞机制造业，以其超高强度变形、轻等特点广泛应用于飞机、汽车、船舶等现代工业。
锌是7系铝合金中的主要合金元素，加上镁元素可使材料能受热处理，达到非常高强度特性。
7075是铝合金中最优良的产品的产品之一，其特点有：
1、可热处理的高强度铝合金材料；2、具有良好的机械性能，易于加工；3、质量轻，价格适中；4、耐磨性好，抗腐蚀能力强；6、非常适用于高压结构零件的高强度材料。
代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。
综合分析叶轮的使用性能及材料特性，本文选用7075铝合金作为叶轮材料。
7075铝合金机械性能分析
机械性能分析（TypicalMechanicalProperties）
铝合金牌号
及状态
拉伸强度
屈服强度
硬度
延伸率
（250℃MPa）
（250℃MPa）
500kg力10mm球
1.6mm（1/16in）厚度
ALLOYANDTEMPER
UltimateTensile
Strength
YieldTensile
Strength
Hardness
Elongation
7075-T651
572
503
160
11
物理性能分析（TypicalPhysicalProperties）
铝合金牌号
及状态
热膨胀系数
（20-100℃）um/m.k
熔点范围（℃）
电导率20℃（68°F）（%ACS）
电阻率20℃（68°F）m㎡/m
ALLOYAND
TEMPER
AverageCoefficientOf
ThermalExpansion
MeltingRange
ElectricalConductivity
Electrical
Resistivity
7075-T651
23.6
475-635
33
0.0515
3.2叶轮毛坯的选择
毛坯的选择要从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑，以求得最佳效果。
确定毛坯包括选择毛坯种类、尺寸及制造方法等内容。
常用毛坯的种类有铸件、锻件、压制件、冲压件、焊接件、型材和板材等。
选择毛坯种类的方法有：
（1）根据图纸要求的材料及机械性能选择毛坯；
（2）根据零件的功能选择毛坯；（3）根据生产类型选择毛坯；（4）根据具体生产条件选择毛坯。
选择毛坯形状和尺寸总的要求是毛坯形状要力求接近成品形状，以减少机械加工的劳动量，如前所述，毛坯的形状、尺寸越接近叶轮的设计造型，所消耗的材料和加工工时越少，但过度追求形状逼近会增加了制造毛坯的费用。
因此将叶轮的材料定位7075铝合金铸件棒料。
根据叶轮的几何模型和加工过程中装夹的需要，在普通车床上对棒料进行预加工，预加工后部分尺寸到位，毛培如图4所示。
图4
4.压气机叶轮加工工艺路线设计
4.1加工方法的选择
加工压气机叶轮的关键和难点是叶片、流道及根部圆角的精加工。
精加工工序是压气机叶轮加工过程中最重要的环节，此工艺的合理与否，直接影响到整个零件的加工效率和成本，以及涡轮增压器最终的产品性能。
压气机叶轮加工，最常采用的就是高速铣削，高速铣削机床的特点，采用主轴运动结构实现载荷的平稳，减小工作台由于运动的惯性，提高加工精度和效率。
采用UG8.0中的可变轮廓铣可以完成叶轮的曲面加工，但可变轮廓铣对于压气机叶轮的加工存在着许多的不足，如参数的设置过于复杂、驱动方式的多样化不利于选择、对刀轴的控制不是很稳定等。
UG8.0中针对叶轮的加工，专门开发了叶轮加工模块（MILL_MULTI_BLADE），使用起来非常方便。
4.2加工阶段的划分
叶轮需要加工的部分主要为顶部开阔区域、流道、叶片、根部圆角四个部分。
顶部开阔区域和叶片之间有大量的材料需要去除，但由于各个面的质量要求有所不同，因此在安排工序时，为了保证加工质量、生产效率、经济性和和加工可行性，要按照工序集成、基准先行、先粗后精、先主后次和分面加工的工艺标准来执行。
根据工艺原则的要求，将叶轮的加工划分为三个阶段：
粗加工、半精加工和精加工。
粗加工的目的是快速的切除叶轮各个表面大量的多余材料，分为顶部区域粗加工、流道开槽粗加工、叶片粗加工、根部圆角粗加工，加工出叶轮基本形状。
半精加工主要为了平滑粗加工留下的粗糙表面，去除拐角处多余的材料，生成加工余量比较均匀的表面，为精加工作好准备，主要有叶片半精加工、流道半精加工。
精加工阶段包括叶片、流道、根部圆角的精加工，它主要保证叶轮尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度，是决定叶轮加工质量的关键阶段。
考虑到工序集成、基准先行等原则，本文采用立式五轴数控高速铣削加工，因此可以将零件的粗、精加工放在同一台机床上完成，提高加工效率，缩短加工时间，减少装夹次数，有利于减少装夹误差，提高表面精度，保证叶轮的加工质量。
5.压气机叶轮的工艺设计
5.1机床选择
现如今，能够完成整体叶轮加工的机床很多，如九轴车铣加工中心、五轴加工中心。
本文采用米克朗公司的HSM400U立式五轴联动高速铣削加工中心，数控机床主要参数X轴行程300mm，Y轴行程180mm，Z轴行程300mm，C轴旋转范围0°—360°，B轴摆动范围-110°—110°，C轴回转直径180mm，主轴功率15kw，主轴最高转速42000rpm，定位精度0.006mm/全程，重复定位精度0.003mm，刀库容量30刀位，最大承重100kg，数控系统为海德汉，如图5所示。
图5HSM400U
5.2定位基准、夹紧方案
高速铣削对工装要求，使用安全可靠、体积小、质量轻、装卸工件要简洁方便，以减小加工时的惯性力矩对工件加工精度的影响。
本文采用通用夹具：
三爪卡盘。
对毛培预处理后，叶轮平面基准已经到位，在叶轮下表面垫一块表面光洁的垫块，用探头找平，并将此平面设置为Z0。
将叶轮平放在垫块上，然后用三爪卡盘将叶轮紧夹牢，保证曲面部分全部露于三爪以上，使其在正确位置上保持不变，为了保证加工精度，叶轮的轴线必须与工作台的回转中心保持一致，即C轴找正考毛培外圆圈正，并设为Z0。
最后Φ4.3的中心孔为基准，设置加工坐标系的X0、Y0，最后完成加工加工坐标系的创建。
用M5的螺钉从叶轮中心孔穿过，旋入垫块中，然后将螺钉拉紧，入装配示意图所示。
装配示意图
5.3刀具选择
刀具材料对刀具的使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有很大影响，特别是对于曲面加工显得尤为重要。
为提高流道开粗和流道半精加工的效率，可以选用大直径球头铣刀，但也要注意两叶片间的最小距离，防止刀具干涉其他叶片；在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时，选择的刀具半径小于流道和叶片相接部分的最小倒圆半径。
米克朗HSM400U采用的是HSK高速刀柄，由于加工时叶片的纹理要求所使用的刀具切削刃长度应大于70mm，刀具总长度应大于120mm。
在数控机床中，从经济性、适应性、多样性、工艺性及现有的生产条件等各方面考虑，本文采用整体硬质合金涂层刀具进行加工。
硬质合金刀具综合效果都优于陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石等。
由于钨系硬质合金刀具的强度、韧性和导热性较好，所以适于加工产生断续切削的脆性材料脆性材料，如铸铁、有色金属及合金、胶木及其他非金属材料。
所以叶轮粗加工时可选用碳化钛含量低的钨系硬质合金；精加工时选用碳化钛含量高的钨系硬质合金。
粗、半精、精加工时为复杂的不规则曲面，选用球头铣刀事半功倍，其刀具头部加圆弧有利于加工成型叶根过渡面及流道面。
球头铣刀选用锥形球头铣刀，它有利于提高刀具的刚性，弯曲厉害的叶片可以采用鼓形刀加工。
5.4进给路线和工步顺序的确定
5.4.1加工前的准备
一、初始化环境创建
打开叶轮模型，单击“开始”按钮，在下拉菜单中选着【加工】命令，弹出“加工环境”对话框，然后在“CAM会话配置”中选择“cam_general”，在“要创建的CAM设置”中选择“mill_multi_blade”，单击“确定”，完成初始化环境创建。
二、创建加工父及组
（1）创建加工几何组
创建加工坐标系，加工坐标系按照定位基准、夹紧方案的叙述执行。
加工坐标系、设计坐标系、检验坐标系一致，如图6所示。
创建安全平面，以叶轮顶面为基准偏置50mm设为安全平面。
创建部件几何体（WORKPIECE），选着叶轮为部件几何体；创建毛培几何体，毛培几何体选择车床预处理过的毛培，如图6所示。
在WORKPIECE组下创建叶轮几何体（MULTI_BLADE_GEOM），选择叶毂、包裹、叶片、叶根圆角和分流叶片，如图7所示。
（2）按工序表的要求创建刀具组，特别注意区分粗加工刀具和精加工刀具的管理。
（3）设置加工方法组设置粗加工（MILL_ROUGH）、半精加工（MILL_SEMI_FINISH）、精加工（MILL_FINISH）中的余量参数、公差参数等。
图6
图7
5.4.2UG加工及仿真步骤
1、工序1
叶轮顶部开阔区域加工粗加工，粗加的目的是快速切除毛坯余量，重点考虑是加工效率，要求大的进给量和切削深度都要尽可能的大，以最短的时间内切除尽可能多的余量。
叶轮顶部开阔区域余量较多，所以先采用“型腔铣”的方式去除多余的材料，节省时间成本。
参数计算：
该工序选用硬质合金刀具，其线速度
，
，算得转速n=7598r/min，
，带入n=7598r/min、Z=4、
=0.1得到
=3183.2mm/min。
在UG加工状态下，在“创建操作”对话框中，选择类型“MIL_CONTOUR”建立机床控制操作，再选择子类型“CAVITY_MILL”型腔铣。
选用Φ12R1的硬质合金圆角铣刀粗加工，切削方式采用“跟随部件”，背吃刀量的0.1mm，刀具与刀具之间的步距为刀具直径的75%，部件侧面余量1mm，切削层设置为顶面向下12.3873mm。
复制粗加工程序，将刀具改为Φ12的立铣刀精加工顶部开阔区域。
[]
工序1的具体内容如表1、2所示。
生成的刀具路径和加工仿真如图7所示。
加工方式
CAVITYMILL
刀具规格
Φ12R1
刀具材料
硬质合金
主轴转速r/min
7598
加工余量mm
0.5
进给速度mm/min
3183.2
表面速度mm/min
300
表1
加工方式
CAVITYMILL
刀具规格
Φ12
刀具材料
硬质合金
主轴转速r/min
9549
加工余量mm
0
进给速度mm/min
1909.8
表面速度mm/min
300
切削宽度mm
0.5
切削深度mm
0.5
注意：
下刀前一定要确保创建的加工坐标系无误。
表2
图7
程序：
============================================================
信息列表创建者：
wujinwen
日期：
28/4/2015AM11:
29:
06
当前工作部件：
C:
\Users\wujinwen\Desktop\wujinwen2015-4-10\PART.prt
节点名：
wujinwen-pc
============================================================
;Machine:
（MIKRON-HSM400U）
;PartNo:
C:
\Users\wujinwen\Desktop\wujinwen2015-4-10\PART.prt
;Programmer:
wujinwen
;PartFileName:
C:
\Users\wujinwen\Desktop\wujinwen2015-4-10\PART.prt
;AUTHOR:
WUJINWENDATE:
2015-04-28
;PathName:
CAVITY_MILL
;ToolNumber:
0
;ToolName:
D12D=
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