ug整體葉輪數(shù)控加工方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ug整體葉輪數(shù)控加工方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1整體葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的應(yīng)用葉片的總體特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多、對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響較大、設(shè)計(jì)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(gòu)成的,葉輪葉片的型面非常復(fù)雜,使得葉片實(shí)體造型較一般的實(shí)體造型更為復(fù)雜多變。從整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也可以看出:加工整體葉輪時(shí)加工軌跡規(guī)劃的約束條件比較多,相鄰葉片空間較小,加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉,自動(dòng)生成無干涉刀位軌跡較困難。目前國外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)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(shù)控機(jī)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(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)可以加工整體葉輪,而且工藝水平距國際先進(jìn)水平尚有差距。總體上,我國葉輪加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用同發(fā)達(dá)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(shù)方面尚未過關(guān)。2葉輪產(chǎn)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(zhuǎn)體的基本形狀,在五軸數(shù)控加工中心上使輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上一次加工完成,它可以滿足壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)品強(qiáng)度要求,曲面誤差小,動(dòng)平衡時(shí)去質(zhì)量較少,因此是較理想的加工方法。五軸數(shù)控加工技術(shù)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(shù)控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。3轉(zhuǎn)子尺寸對加工的影響國內(nèi)大多數(shù)整體葉輪都是根據(jù)國外葉輪縮比仿制的,而本文研究的葉輪是北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院自主開發(fā)的微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)口直徑44.3mm,進(jìn)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(dòng)性設(shè)計(jì)達(dá)到了國際先進(jìn)水平,壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構(gòu),給加工提出了很高的要求。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)一步變窄,加工難度進(jìn)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(guān)鍵;c.此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重,并且有后仰的趨勢,加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉,加工難度高。有時(shí)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(jī)床角度變化較大,并且實(shí)現(xiàn)環(huán)繞葉片加工較難;e.由于葉輪強(qiáng)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(diǎn)。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(nèi)還未見有加工出此種高難度的整體葉輪。4創(chuàng)造荷葉三維模型4.1理論模型建立葉輪葉片數(shù)據(jù)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(jì)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(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、三坐標(biāo)測頭等)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)文件,然后重新建立此零件的CAD模型的技術(shù)。理論計(jì)算是根據(jù)流體力學(xué)原理計(jì)算出的葉型數(shù)據(jù),本文的原始造型數(shù)據(jù)就是通過理論計(jì)算得出的。數(shù)據(jù)文件提供的是:一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo),數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)格式為:“XC空格YC空格ZC空格”,與UG對數(shù)據(jù)源文件的要求一致。這樣才可以根據(jù)曲面的連續(xù)、光滑性要求,在UG的自由曲面模塊中,由葉片的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合生成光滑、準(zhǔn)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(xiàn)在渦輪中),一類是空間曲線(一般出現(xiàn)在壓氣機(jī)葉輪中)。而UG中對這兩類曲線生成葉片實(shí)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(jù)需要選擇其中的一種擬合方式,把已生成的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入,系統(tǒng)將按照數(shù)據(jù)繪制封閉的樣條曲線。按照上述方法,用其它的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shí)體(如圖3)。4.2.2葉片片體的縫合面導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件,繪制樣條曲線;通過曲線串生成葉片實(shí)體:同4.2.1。但是這時(shí)候生成的是葉片片體(如圖4)。要想生成實(shí)體,必須在葉片片體的兩側(cè)建立兩個(gè)縫合面,縫合成實(shí)體。利用【掃描】命令,通過片體兩側(cè)的最外邊曲線,生成縫合面(如圖5),這樣這兩個(gè)平面和所建立的葉片片體共同圍成了一個(gè)封閉的葉片體。利用【縫合】命令,選擇以上建立的兩個(gè)平面和片體,生成葉片實(shí)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(shù)化,推薦用草圖建立。利用【回轉(zhuǎn)】命令,選擇所建的截面曲線作為剖面線串,創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體。4.4修復(fù)葉片和方向盤通過定義基準(zhǔn)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?yàn)槿~片是圓周均布的,所以利用【變換】命令,選擇要復(fù)制的葉片,在【角度】文本框中輸入?yún)?shù)值360/n(n為葉片個(gè)數(shù)),連續(xù)復(fù)制n-1次,這樣就完成了n個(gè)葉片在輪轂上的均勻分布。4.6葉輪的三維實(shí)體造型到此,葉片、輪轂已經(jīng)建立完畢,但它們都是獨(dú)立的實(shí)體,因此,把它們組合成一個(gè)實(shí)體,最終完成葉輪的三維實(shí)體造型(如圖7、8)。5線、曲面的偏差由于葉片數(shù)據(jù)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(diǎn),出現(xiàn)不光滑的凹凸現(xiàn)象,這直接影響著后續(xù)的加工效果。因此在三維建模過程中需要對曲線、曲面進(jìn)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(diǎn)、尖點(diǎn)、交叉、重疊。下面以一條空間基元線為例,分析曲線的質(zhì)量。曲率梳可以反映曲線的曲率變化規(guī)律并由此發(fā)現(xiàn)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(xù)的數(shù)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(dá)到需要的光順曲線。5.2面部分析5.2.1調(diào)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(fā)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(shè)置不合理。這種情況下,需將前、后緣的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修改。用UG中的橋接曲線功能,在保證連接點(diǎn)曲率連續(xù)的前提下,通過修改相切模量來調(diào)整前緣、尾緣形狀。最后重新分析曲面的法矢量。以轉(zhuǎn)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(xù),只是在前緣、尾緣與吸力面、壓力面的相接處存在較大的轉(zhuǎn)折。通過放大法矢量圖,分析在銜接處的法矢量變化,發(fā)現(xiàn)法矢量的變化是連續(xù)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(diǎn),因此在數(shù)控編程中應(yīng)特別注意干涉過切與刀具轉(zhuǎn)角這兩方面的問題。如果干涉太嚴(yán)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(gè)最小距離可以作為選取刀具的參考依據(jù)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(guī)劃6.1葉片安裝時(shí)最小距離lmin的大小為提高加工效率,在進(jìn)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(jù)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(yīng)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(jìn)行清根時(shí),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(gè)毛坯上進(jìn)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(qiáng)度,毛坯一般采用鍛壓件,然后進(jìn)行基準(zhǔn)面的車削加工,加工出葉輪回轉(zhuǎn)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(jù)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(jìn)的方法,將流道部分的總加工余量根據(jù)整體葉輪和刀具材料的力學(xué)性質(zhì)以及進(jìn)給速度等分成若干層進(jìn)行加工。所分層數(shù)和每層的加工余量應(yīng)該根據(jù)總加工余量的最大厚度部分來進(jìn)行合理分配。選擇流道曲面為零件面(PartGeometry)和驅(qū)動(dòng)幾何面(DriveGeometry),葉片面和輪轂面為干涉檢查面(Check)?？刹捎玫尿?qū)動(dòng)方法為:前端流道面加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)(NormaltoDrive)、趨向于點(diǎn)(TowardPoint);左端流道面加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)(NormaltoDrive)、相對于驅(qū)動(dòng)面(RelativetoDrive);右端流道面曲率變化很平緩,曲面上各點(diǎn)法向與葉片曲面夾角都接近0o,因此加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)(NormaltoDrive)。因?yàn)殚_槽時(shí)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(gè)不同的方向進(jìn)行開槽。相對于分層漸進(jìn)法,此方法開槽效率高,加工質(zhì)量穩(wěn)定,但開槽后剩余加工量大,且不規(guī)則,還需要用分層漸進(jìn)法補(bǔ)加工。6.2.3擴(kuò)槽加工工藝設(shè)計(jì)開槽加工后已經(jīng)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(zhì)量,還需要擴(kuò)槽和葉片粗加工。擴(kuò)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(kuò)槽,擴(kuò)槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下,擴(kuò)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(yán)重,且UG數(shù)控加工編程需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)面來決定切削區(qū)域,因此擴(kuò)槽加工需要分兩部分來加工。a.選擇驅(qū)動(dòng)面為輪轂面,進(jìn)行擴(kuò)槽。此時(shí)不能完全加工輪轂表面,還需進(jìn)一步擴(kuò)槽加工,來輔助加工輪轂表面;b.進(jìn)一步擴(kuò)槽及葉片粗加工。選擇驅(qū)動(dòng)面為葉片表面的偏置面,在葉片粗加工的同時(shí),進(jìn)一步擴(kuò)槽。加工驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)方式為:趨向于點(diǎn)(TowardPoint)、趨向于線(TowardLine),生成的刀軌如圖13所示。6.2.4轉(zhuǎn)子銑削刀具在均勻余量下進(jìn)行的精加工,保證了良好的表面加工質(zhì)量,采用球頭銑刀精加工,因?yàn)橄噜徣~片間最小間距為3.1mm,且葉片最深處為17.15mm,考慮到干涉,轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)幾何選擇要加工的曲面;可采用的驅(qū)動(dòng)方法為相對于驅(qū)動(dòng)(RelativetoDrive),必要時(shí)需要合理設(shè)置前傾角和側(cè)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(cè)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(fā)生在靠近尾緣22%處。葉片右側(cè)為常數(shù)圓角1.25mm。變圓角可以通過一次走刀加工完成,這時(shí)刀具球頭部分的半徑最大為變圓角的最小半徑。因?yàn)樽儓A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(shí)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(jīng)過分度、旋轉(zhuǎn),加工完全部的輪轂或葉片再執(zhí)行下一個(gè)程序,保證應(yīng)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(qū)動(dòng)面,而且還要根據(jù)葉輪的幾何特征合理地設(shè)置進(jìn)退刀方式,從而避免過切和干涉。7實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本文利用UGNX軟件對復(fù)雜曲面葉輪進(jìn)行了三維造型、加