叶轮的数控加工.docx
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叶轮的数控加工
摘要
此设计为叶轮的制造工艺与加工程序设计，直接的目的是介绍说明叶轮制造的细节，运用UG解决制造业界中对叶轮加工程序编制的难题，同时介绍叶轮制造的思路方法。
间接的目的是使数控加工更为人所知，并让更多人了解数控加工的优点，加工的范围。
关键词：
加工；UG；工艺；叶轮
ABSTRACT
Thisdesignforthemanufacturingprocessoftheimpellerdesignandprocessingprocedures,theimmediatepurposeistointroducethedetailsoftheimpellermanufacturing,theuseofUGsolvetheprobleminthemanufacturingindustryinthepreparationofimpellermachiningprogram.Atthesametimeintroducedtheideaofimpellermanufacturingmethod.IndirectpurposeistomaketheCNCmachiningbetterknown,andletmorepeopleknowtheadvantagesofCNCmachining,processingrange.
Keywords：
machining；UG；processes；impeller
第1章绪论
1.1课题的选择
整体式叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。
从整体式叶轮的几何结构和工艺过程可以看出：
加工整体式叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻的叶片之间空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。
因此在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求，而且由于叶片的厚度有所限制，所以还要在实际加工中注意轨迹规划以保持加工的质量。
随着航空航天技术的发展，为了满足发动机高速、高推重的要求，在新型中小发动机的设计中大量采用整体结构叶轮。
选择数控加工仿真技术，适合加工种类多、需求少、难加工的整体叶轮，减少整体叶轮加工的成本[1]。
1.2加工方法的选择
数控机床与通用机床的区别在于数控机床是采用数控装置或电子计算机，全部或部分地取代一般通用机床在加工零件时对机床的各种动作，如启动、加工顺序、改变切削用量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等人工控制。
通常，数控机床加工零件所需的全部机械动作和控制功能都是预先按规定的字符或文字代码的形式编制成加工程序，然后再用穿孔机或键盘等把程序上的信息以数字代码的形式记载在控制介质上，通过控制介质将数字信息送入数控装置或计算机，数控装置或计算机对输入信息进行运算和处理，发出各种指令去控制机床的伺服系统或其他执行元件的各种动作，从而使数控机床自动加工出所需要的零件。
数控机床与其他自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换相应的控制介质，而不需对机床作任何调整，就可自动加工出新的工件。
由此可见，数控机床与其他机床相比，在进行小批量、复杂零件生产时，具有极其显著的优越性
数控机床与普通机床的比较分析[2]，如表1-1。
表1-1数控机床与其他机床特性对比
衡量指标
通用机床
专用机床（自动、仿形）
数控机床
劳动强度
高
较低
低
工时
多
较多
少
生产周期
长
较长
短
加工精度
低
较高
高
整体叶轮的加工一直是机械加工中长期困扰工程技术人员的难题。
为了加工出合格的叶轮，人们想出了很多的办法。
由最初的铸造成型后修光，到后来的石蜡精密铸造，还有电火花加工等方法。
其中，也有的厂家利用三坐标仿形铣。
但是这些方法不是加工效率低下，就是精度或产品机械性能不佳，一直到数控加工技术应用到叶轮的加工中，这些问题才得到了根本的解决[3]。
叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。
而且能否精确地加工出形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。
曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。
直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可展直纹面，完全可以使用非数控机床进行加工。
而对于非可展直纹面和自由曲面（非直纹曲面）叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其加工出来[4]。
由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶轮加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。
早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。
目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。
目前都已采用多坐标数控机床加工。
国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床[5]。
1.3数控加工的概述
随着设计理论和技术的提高，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加,此外激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。
因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的复杂曲面加工的数控机床和相应的数控加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。
三坐标联动铣床是指X、Y、Z三个方向联动，因此可以加工出三维曲面形体。
20世纪60年代，国外在航空工业生产中把两个旋转运动引入数控机床，采用五坐标数控铣床加工零件。
五坐标铣床是除了X、Y、Z三个方向的直线运动外，再加上铣刀或工件绕X、Y、Z中的两个轴线摆动或旋转。
五坐标联动数控是数控技术中难度最大，应用范围最广的技术之一，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。
目前，较多采用三坐标联动、五坐标联动的数控加工方法来完成复杂曲面的加工。
飞机和航空发动机的复杂结构件叶轮、船用螺旋桨等都是五坐标加工的典型例子[6]。
一般来说，数控加工技术涉及到的内容较多，以加工的技术要求及现有加工设备和工人技术水平选择合适的工艺方案，机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照数控系统所要求的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得到最优的加工程序。
整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。
叶片曲面为光顺性、连续性要求较高的自由曲面，其截面线是复杂的自由曲线，因此叶片实体造型难度较大。
目前，一般先创建截面线，再采用通过引截面线的方法进行叶片的曲面造型。
轮毂的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过旋转命令对截面线串旋转，再创建轮毂回转体。
可见，整体叶轮造型的关键是叶片实体的造型。
叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复杂[7]。
1.4计算机辅助加工的过程
正确的加工程序不仅应保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床能安全、可靠、高效地工作。
数控加工程序的编制过程是一个比较复杂的工艺决策过程。
一般来说，数控编程过程主要包括：
分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控程序及程序检验，典型的数控编程过程如图所示。
辅助数控加工流程[7],如图1-2。
图1-2数控加工流程图
整个处理过程是在数控系统程序（又称系统软件或编译程序）的控制下进行的。
数控系统程序包括前置处理程序和后置处理程序两大模块。
每个模块又由多个子模块及子处理程序组成。
计算机有了这套处理程序，才能识别、转换和处理全过程，它是系统的核心部分。
编程人员首先将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形式输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息进行翻译，形成机内零件拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀分配、工艺参数选择等）与刀具运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每次走刀运动的坐标数据和工艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；然后按照NC代码规范和指定数控机床驱动控制系统的要求，将主信息处理后得到的刀位文件转换为NC代码，这一过程称之为后置处理。
经过后置处理便能输出适应某一具体数控机床要求的零件数控加工程序（即NC加工程序），该加工程序可以通过控制介质（如磁带、磁盘等）或通讯接口送入机床的控制系统[8]。
第2章整体叶轮的三维实体造型
2.1造型方法的概述
2.1.1一般的造型方法
曲面造型有三种应用类型：
一是原创产品设计，由草图建立曲面模型；二是根据二维图纸进行曲面造型，即所谓图纸造型；三是逆向工程，即点测绘造型。
此次介绍第二种类型的一般实现步骤。
图纸造型过程可分为两个阶段[9]。
第一阶段是造型分析，确定正确的造型思路和方法。
包括：
（1）在正确识图的基础上将产品分解成单个曲面或面组。
（2）确定每个曲面的类型和生成方法，如直纹面、拔模面或扫略面等；
（3）确定各曲面之间的联接关系（如倒角、裁剪等）和联接次序。
第二阶段是造型的实现，包括：
（1）根据图纸在CAD/CAM软件中画出必要的二维视图轮廓线，并将各视图变换到空间的实际位置.
（2）针对各曲面的类型，利用各视图中的轮廓线完成各曲面的造型；
（3）根据曲面之间的联接关系完成倒角、裁剪等工作；
（4）完成产品中结构部分（实体）的造型。
显然，第一阶段是整个造型工作的核心，它决定了第二个阶段的操作方法。
可以说，在CAD/CAM软件上画第一条线之前，已经在其头脑中完成了整个产品的造型，做到“胸有成竹”。
第二阶段的工作只不过是第一阶段工作的在某一类CAD/CAM软件上的反映而已。
在一般情况下，曲面造型只要遵守以上步骤，再结合一些具体的实现技术和方法，不需要特别的技巧即可解决大多数产品的造型问题。
2.1.2叶轮的造型方法
整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。
叶片曲面为光顺性、连续性要求较高的自由曲面，其截面线是复杂的自由曲线，因此叶片实体造型难度较大。
目前，一般先创建截面线，再采用通过引截面线的方法进行叶片的曲面造型。
轮毂的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过拉伸命令对截面线串拉伸，创建轮毂。
也可用回转命令对轮毂进行建模。
可见，整体叶轮造型的关键是叶片实体的造型。
叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复杂。
2.2轮毂的创建
轮毂的创建较为简单，有两种方式可以选择，一种是直接进行三维建模，另一种是先创建草图再进行拉伸。
此次采用第二种方法，在草图方式下先创建截面线串，再利用拉伸命令对截面线串旋转，创建轮毂回转体[10]，如图2-1、2-2。
图2-1轮毂草图图2-2轮毂
2.3叶片的创建
做出叶片草图曲线，并生成单个叶片，如图2-3、2-4。
图2-3叶片平面投影图2-4叶片实体
通过变换命令，生成其他叶片，如图2-5、2-6。
图2-5旋转叶片图2-6旋转叶片俯视图
2.4叶轮的生成
将叶片与轮毂通过求和命令连接在一起[12]，如图2-7、2-8。
图2-7叶轮实体图2-8叶轮实体俯视图
制作中心孔和键槽，并在叶片与轮毂相接处加入倒角，如图2-9、2-10。
图2-9叶轮图2-10叶轮
第3章叶轮的加工工艺分析
3.1材料的选择
叶轮材料应具有良好的综合机械性能，常温及高温强度、塑性、韧性都要求较高。
为此，叶轮必须要满足足够的要求：
（1）足够的室温、高温力学性能；
（2）有高的抗振动衰减能力；
（3）高的组织稳定性；
（4）良好的耐腐蚀和抗冲蚀能力；
（5）良好的工艺性能。
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，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，因此较理想的毛坯是锻压件它可以满足叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少。
由于叶轮是航空发动机的关键部件之一，它对材料的要求是在保证零件有足够的强度时尽量减轻零件的重量。
在综合考虑零件的使用性和工艺性之后选择采用牌号为的LD5铝合金[13]。
整体叶轮为中心对称零件，叶轮加工时要准确定位。
选择定位基准为：
孔+面，用出气端的短平面作为轴向定位基准，用叶轮的中心孔作为轴向定位基准。
整体叶轮加工时，把叶轮毛坯安装在夹具的心轴上，然后在上下两端压紧。
3.2工艺路线的制定
考虑到整体叶轮实际的工作情况，一般整体叶轮的曲面部分精度高，工作中高速旋转，对动平衡的要求高等诸多要求，结合叶轮的形状、结构特点、材料叶轮加工特点分析：
（1）叶轮上有很多叶片，叶片数按轮毂直径大小不同而不同，叶片有长有短，叶片为空间曲面、扭曲程度高，并且有仰角，加工时刀具的相对摆动极易对相邻叶片产生切削干涉，因此刀具切削方向的选择尤其重要。
另外，曲面需要分段加工，应注意保证加工表面的一致性；
（2）叶片之间的流道相对较窄，加工空间较小，难以采用强度和刚性较好的大直径刀具；
（3）叶片进气与出气边缘圆角曲率半径变化大，使刀具和夹具角度变化大；
（4）为满足强度的需要，叶轮轮毂与叶片之间的过渡采用了倒圆角方式，应十分注意刀具的选择；
（5）叶片属于结构复杂的薄壁件、工艺刚性差，在工艺安排上需要考虑多工步反复加工叶片型面的措施，以防加工残余应力所带来的形变；
（6）整体叶轮的材料一般有铝合金、不锈钢、钛合金等，因此在工艺安排上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。
安排刀具路线[14]如下：
1、车外圆；
2、铣端面；
3、钻中心孔；
4、镗孔；
5、插键槽；
6、粗加工叶轮轮廓；
7、粗加工叶片；
8、粗加工流道面；
9、精加工叶片；
10、精加工流道面；
11、磨棱角去毛刺。
对于整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件，应选择它的底面圆心作为工件的原点，进而简化工件的找正和后处理过程。
根据整体叶轮的几何模型特征，可以基本上确定例如加工所使用机床型号、刀具参数、夹具和装夹方式等。
刀具的使用方面，五轴联动加工中优先使用平底刀加工，这样可以最大程度上减少由刀具引起的过切和干涉。
对于流道较窄的叶轮，在加工窄流道处时，可以适当选择锥度较小的平底铣刀，可以有效的提高刀具的刚性。
流道开粗加工过程去除主要加工余量，直接影响着精加工的效率和质量，提高开粗加工的效率和质量对整个叶轮的加工具有重要意义。
叶轮流道部分的加工余量并不随着叶轮型线均匀分布，切削过程中切削深度不断变化，刀具受力变化较为剧烈，大大缩短了刀具寿命，降低了加工质量，这需要合理规划加工轨迹。
流道开粗加工通常需分成若干层渐进开粗。
顺着流道面的方向分割流道区域，可使粗加工的各层厚度比较均匀，加工过程稳定。
3.3编制简要的工艺文件
编制工艺过程卡
现代制造技术系
机械加工
工艺卡
产品
名称
叶轮
图号
零件名称
整体式叶轮
共1页
第1页
毛坯种类
铝锻件
材料牌号
LD5
毛坯尺寸
Ø200x100
序号
工种
工步
工艺内容
备注
工具
夹具
刀具
量具
1
下料
锻件
卡盘
三坐标测量机
2
加
工
中
心
粗加工
粗铣叶片
专用卡具
平底刀
3
粗铣流道面
4
精加工
精铣叶片
平底刀
5
精铣流道面
6
清根
倒角加工根部清理
平底刀
7
工序卡
零件名称
整体式叶轮
零件图号
夹具名称
卡盘
设备名称及型号
加工中心
材料名称及牌号
铝锻件
硬度
75HBS
工序名称
叶轮加工
工序号
1
工步号
工步内容
切削用量
刀具
量具
n
r/mm
Vf
mm/min
ap
mm
编号
名称
名称
1
流道粗加工
4000
3000
1
1
T01
三坐标测量机
2
叶片粗加工
4000
3000
1
1
T01
三坐标测量机
1
流道精加工
4000
3000
0.2
2
T02
三坐标测量机
2
叶片精加工
4000
3000
0.2
2
T02
三坐标测量机
1
清根
10000
2000
0.1
3
三坐标测量机
刀具卡
产品名称或代号
零件名称
典型轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
Ø8R3
1
叶轮粗加工
2
T02
Ø5R2
1
精加工
3
T03
Ø5R2
1
清根
编制
审核
批准
第1页
第4章叶轮数控加工编程
4.1CAD/CAM加工编程过程
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。
CAD/CAM编程过程[15]，如图4-1
图4-1CAD/CAM编程过程
4.2加工环境的创建
UG可以选择的加工方式有很多种，有用于普通加工的有用于多轴加工的，叶轮加工为三坐标以上的多轴加工，所以普通的加工方式不能满足叶轮的加工，因此确定加工环境为可变轮廓铣，如图4-2、4-3。
图4-2CAM配置图4-3加工环境
4.3加工坐标系的确定
加工坐标系，如图4-4、4-5、4-6。
图4-4加工坐标系图4-5指定加工坐标系
图4-6加工坐标系设定位置
4.4加工参数设定及走刀路线的生成
4.4.1刀具轨迹规划方法
刀具轨迹规划的目的就是针对待加工零件产生一组刀位点，使得在保证加工精度的前提下，加工效率最高。
对于二轴、三轴数控加工刀具轨迹规划来说，可以把规划过程看成是确定刀位点X、Y轴坐标的过程，同时可以确定Z轴坐标的初始值，然后由后续的干涉处理过程完成Z轴坐标的无干涉计算。
而对于五轴曲面加工刀具轨迹规划来说，刀轴矢量的初始位置是与刀位点处的法矢量平行的，则规划过程还包括确定在刀位点处刀轴矢量绕最大主曲率方向的旋转角，即后跟角，以及绕法矢量方向的旋转角，即侧偏角，这两个角度共同确定了刀具的空间姿态。
可以将刀具轨迹规划的任务归纳如下：
（1）确定刀具轨迹线的几何形状；
（2）确定刀具轨迹线的连接顺序及连接方式；
（3）确定刀具轨迹线的疏密与刀具轨迹线上的刀位点的疏密；
（4）五轴数控加工刀具轨迹规划中还需要确定每一刀位点处的刀具空间姿态。
多坐标数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础和关键，针对不同的加工对象有许多不同的计算方法。
有的工件曲面可以在一次走刀中完成，这时只要确定最优的走刀方向即可；有的需要多次走刀才能完成，这会产生多条刀轨。
4.4.2各种加工参数的设定
毛坯的选择，如图4-7。
图4-7指定毛坯
刀具的选取，叶轮加工方法为多轴加工，这里选择平底铣刀进行加工，在刀具加工过程中用到刀具的侧刃，如图4-8、4-9、4-10。
图4-8刀具图
图4-9刀具参数图4-10刀具参数
加工方式的选择，如图4-11、4-12。
图4-11粗加工轮廓方式
图4-12叶轮加工方式
加工参数的设定，如图4-13、4-14。
图4-13加工参数设计
图4-13加工参数设计
叶轮开粗的走刀路线生成，如图4-14、4-15。
图4-14叶轮轮廓走刀路线图4-15叶轮轮廓走刀路线
叶片的走刀路线生成，如图4-16、4-17。
图4-6叶片走刀路线图4-17叶片走刀路线
流道面的走刀路线，如图4-18、4-19。
图4-18流道面走刀路线图4-19流道面走刀路线
4.4.3加工仿真
所有的走刀路线设置好以后，进行3D仿真，并进行后处理，后处理选择四轴加工。
仿真结果，如图4-20、4-21、4-22。
图4-20轮廓仿真结果
图4-21叶轮粗加工
图4-22叶轮精加工
4.5后置处理
数控编程后置处理包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。
通过后置处理器读取由系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。
选择五轴加工，并导出数控程序，如图4-23。
图4-23后置处理
4.6机床仿真
机床使用五轴立式铣床，控制系统为Sinumerk。
如果在UG后处理模块中没有所选择的机床型号和控制系统，则必须通过UG开始菜单选择加工工具里面的后处理构造器。
后处理构造器就是通过设定所选的机床的加工参数和控制系统的详细参数，生成后处理文件，然后通过UG加工模块，选择相应的程序，选择后处理，会出现一个后处理对话框，在对话框里有默认的后处理文件，同还可以选择自己创建的后处理文件，之后选择要保存的位置和单位[17]。
机床的选择，如图4-24、4-25。
图4-24机床的选择
图4-25机床的选择
工件的安装，如图4-26
图4-26安装工件
UG能直接从仿真模块里调用生成的程序段进行加工，在仿真界面，可以看到机床的转速，进给率和冷却液状态，也可以实时监控刀具的坐标，在NC程序区，可以看到当前加工阶段的程序代码。
如图4-27。
图4-27代码仿真
虚拟机床仿真结果，如图4-28。
图4-28单叶片仿真结果
第5章总结
本次设计的的主要工作是叶轮的数控加工及机床仿真，从零件的选择到最终的虚拟机床的仿真完成，经历了很多失败，经过改进最终完成了设计。
五坐标数控加工是获得复杂曲面和不规则零件的较好解决方法之一，特别是那些由一定的数字理论方程式所描述的并要求有足够精度的曲线和曲面，如整体叶轮叶片，同时，五坐标加工技术的发展和应用与CAD/CAM技术是密切相关的。
本设计主要以航空发动机整体叶轮为例，对其几何造型、刀位计算、刀具路径规划、数控加工工艺等内容进行了分析与研究。
从选择零件角度分析，叶轮是一个典型的多轴加工的零件，普通的机床无法完成，这样更能体现出数控加工的优势。
对整体叶轮在五坐标数控加工过程中的工艺规划进行了研究。
粗加工过程中，根据整体叶轮的形状特点，针对锻件毛坯，提出了类似型腔加工的粗加工方法。
并根据这种方法编制了粗加工程序。
在刀轨生成过程中走刀路线有很多种方法，每种都有自己的优缺点，这个时候要综合各种因素分别对叶片的背、腹面和流道面生成无干涉刀具路径，并确定刀轴倾角、切
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