叶轮多轴ＵＧ编程研究 中航工业航宇救生装备有限公司 （湖北襄樊４４１ ００２） 宁 勇 复杂型面 在工程实践中 普遍存在，最 具典型的代表 就是叶轮，整 体叶轮的加工 技术一直是制 造行业中的 一个重要课 题。目前，叶轮的加工专用软件主要有 美国ＮＲＥＣ公司的ＭＡＸ一５、ＭＡＸ—ＡＢ、 瑞ｉＳｔａｒｒａｇ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等也可以用于整体叶轮加 工。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，在窄槽 道、大扭角、小轮毂比等高性能叶轮制造 技术方面尚未过关，因此对其加工技术进 行研究势在必行。 整体叶轮结构特点及加工难点 整体式压气机叶轮结构件如图１所 示，出口直径９０ｍｍ，有１ ５片叶片， 出口叶片高度３．２ｍｍ，叶轮进口直径 片非工作面 片工作面 图１ 参磊 冷加工 ４６．６ｍｍ，进口叶片高度１１．３ｍｍ，叶片厚度最薄处 ０．４ｍｍ，相邻叶片间最小间距为２．７ｍｍ。 该压气机叶轮加工难度如下：①叶片较长，使 加工槽道变窄，加工难度增加。②精加工刀具直径 为２ｍｍ，刚性差、易断，控制切削深度是关键。 ③此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片大扭角， 并且有后仰趋势，加工时极易产生干涉。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，并实现环绕叶片加工较难。 压气机叶轮的加工工艺方案 整体式叶轮Ｊｊｎｍ￣，须采用轮毂与叶片在一个毛 坯进行整体成形加工，其加工工艺方案如下： （１）备料为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。 （２）叶轮气流通道的开粗开粗位置宜选择 在气流通道的中间位置，采用球头锥柄铣刀平行于 气流通道走刀，并保证槽底于轮毂表面留有一定的 加工余量。 （３）叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加 工 由于此叶轮槽道窄、叶片扭曲严重，且ＵＧ数 控加工编程需要根据驱动面来决定切削区域，因此 叶片的粗加工需选择驱动面为叶片表面的偏置面， 通过在驱动方法——流线的编辑中多次调整修剪和 延伸的参数，并保证不切入轮毂表面。 （４）叶片、轮毂的精加工在均匀余量下进行 精加工，保证了良好的加工表面质量，考虑到相邻 叶片间最小间距为２．７ｍｍ，为防止干涉，因此采用 ￣２ｍｍ￣头锥柄铣刀，半锥角２。，刀柄直径８ｍｍ。 （５）根部圆角处理之前铣削的叶片表面并 不包括根部圆角部分，所以我们最后需要通过一次 走刀加工完成。 以上程序都要经过分度、旋转、加工完全部的 ．Ｓ 集 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。 干涉可以建立避让几何体，也可通过人工控制刀轴 方向及走刀宽度、长度、深度等来避免干涉达到流 道开粗加工的目的，为提高加工效率，对该工件采 压气机叶轮的数控程序编制 １．加工过程流程 用ＵＧ进行编程时，通常以图２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。 用三层切削（ｕＧ生成刀轨见图４）。 程序的参数设置如下：①驱动方法采用流线。 ②驱动曲线分别选择通过流道曲面偏置出来做好的 三个曲面，在修剪和延伸调整参数刀轨位置和长 度。③粗加工切削模式选单向，步距选数字，步距 数分别选３、２、５。④刀轴控制方式为插补，在插 ２．数控程序 编制 （１）建立父 节点组①在刀具 补刀轴中添加数据点和改变矢量方向，避免干涉左 右叶片。 （３）叶轮气流通道的扩槽加工 扩槽加工类 似开槽加工，只是将底部流道面（留有余量）尽量 切除（见图５）。 节点下，加入加工 用到的所有刀具， （４）进一步扩槽和叶片的粗加工扩槽加工 并设置刀具参数。 ②在几何节点下， 设置加工坐标系。 后已经加工掉流道的大部分余量，为保证精加工之 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。加工驱动曲线选择 ③在方法节点下， 设置粗、半精、精 加工时的主轴转 图２ 叶片的偏置面（见图６）。 （５）叶片的精加工 叶片精加工通用参数设 置（生成的刀轨见图７）：①驱动曲线选择叶片曲 面。②在修剪和延伸调整参数刀轨位置防止刀具切 抽取流道曲 入流道底部。③刀轴控制方式为相对与驱动体，关 速、进给率及刀具轨迹的显示颜色。 （２）叶轮气流通道的开槽加工面，ｕ、Ｖ参数线如图３（左）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参数线或Ｖ参数线沿气流方向。重 新排列后的Ｖ参数如图３（右）所示，是沿气流方 向的。 键是选择前倾角和侧倾角参数。④设置非切削移动 参数，选用沿切削方向进刀、刀轴方向退刀。⑤切 削参数中部件余量设为０。 （６）流道精加工 为满足最终的表面加工质 量，必须对流道进行精加工，驱动曲线选择重新排列 流道的Ｕ、Ｖ参数线的流道曲面，刀轴控制方式为插 制造特别策划 流道开槽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，为避免 补，在插补刀轴中添加数据点和改变矢量方向角度来 避免碰撞左右叶片生成的加 工刀轨及仿真（见图８）。 （７）叶片根部圆角加 工经过前几步加工后，叶 片根部留有少量余量，可通 图３ 图４ 图５ 过类似精加工叶片的操作但 在修剪和延伸调整参数合理 孽零■ 图６ 图７ 图８ 图９ 设置一刀切出，同时避免产 生底切。生成的加工刀轨及 仿真如图９所示。ＭＷ （收稿日期：２０１１１２２０） 参禹 籼 １９
