1 绪论
1.1课题的确定
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。目前，我国大多数生产叶轮的厂家多采用国外大型CAD/CAM软件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等
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。本课题主要研究的是航空发动机上整体叶轮的数控加工工艺、造型、数控加工仿真及数控编程。而且且本文选用目前流行且功能强大的UG NX4.0对复杂曲面整体叶轮进行加工轨迹规划。下图是叶轮零件图1-1，1-2，1-3.
前视图1-1
俯视图1-2
叶片之间的角度以上各图在后面会详细的分析。
1.2国内（外）发展概况及现状的介绍
通常在整体叶轮的设计图上给出的是叶片中性面上顶部和根部的两组数据点，包括顶部和根部的一系列离散数据点和对应点的叶片厚度值。本课题采用B 样条方法对叶轮曲面进行造型。整体结构叶轮(图1－1)的应用可使航空发动机推重比、工作效率、寿命及可靠性大大提高，因此在各类新型发动机及大推力火箭发动机中应用愈来愈多，其加工质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影响，而其叶片的形状又是机械中最难加工的曲面构成的。因此，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。
图1－1 整体叶轮
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。
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。
这些年发展起来的高速切削在叶轮叶片加工中已经广泛使用。Starrag公司提供的五轴、四轴叶轮叶片加工机床的最高转速可达5万转/分。实际生产中转速也常用到1万转/分左右。使用硬质合金刀具加工不锈钢普遍切削速度为150米/分。
在编程方面，叶轮的数控加工代码的生成也是一个很重要的步骤。目前多数厂家采用通用CAD/CAM的商用软件编制叶轮的数控加工程序。目前用得较多的有UGⅡ，CAMAND等。采用这些软件编程有不便之处，由于通用软件并非针对某一种零件设计，所以其功能繁多、界面复杂。输入参数后须经过许多步骤才能编出程序，且需多次反复，而且编程人员必须对叶轮几何造型很熟悉，同时用相当多的时间学习掌握了通用软件的使用方法才能编出叶轮数控加工程序。
也有部分工厂未采用通用软件，而是针对某一叶轮编制了专用程序，但现在情况多是使用面窄，使用性能也较差。例如，航天机电集团某厂所做风扇是使用早年北京邮电大学研制的程序，此程序还是DOS下所编制的，使用很不方便。航天机电集团三院某所的加工转子的软件也是在此基础础上改编的。
国际上有许多工厂与我国的情况类似，也采用通用软件编制叶轮数控加工程序。但一些先进的多坐标数控机床生产厂商(如STARRAG)及专业的叶轮加工工厂(如美国的NREC)都推出了专用于叶轮的数控加工软件包，如MAX-5，MAX-AB，
STARRAG程序等。不采用通用的CAD/CAM软件有一系列的优点。这是因为专用软件的生产厂商通常都有多年的叶轮加工和数控编程的经验，软件中针对不同特征的叶轮设计了刀具路径模板。对于叶轮加工中最易出现的干涉问题，也有了充分的考虑。这些都是通用软件所不具备的。另外，这些软件通常集成性好，可以和设计结果和工艺设计直接相连。作为专用软件，界面更为简洁、重点突出，利于设计人员掌握。这些程序尽管编程性能优良，但所包含的工艺信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、转速表、进给率表等，而缺乏推荐的切削刀具与切削量，更没有如何减少加工变形的指南。
我国尚缺乏在这种专用于叶轮的数控加工的编程软件，国内少数工厂已经认识到专用软件的优越性，意欲引进。但国外索价昂贵。所以开发中国产权的叶轮数控加工软件迫在眉睫。
1.3本文所需解决问题以及采用的手段和方法
整体叶轮采用了整体式结构，并带有复杂型面的扭曲叶片，因此增大了对叶片型面的加工和检测难度，目前一般利用三坐标测量机或专用测量样板来测量来检测整体叶轮的叶片型面误差。由于本文所利用的整体叶轮型面数据点是利用三坐标测量机测量采用精密展成电解法加工后的整体叶轮叶片的表面，故存在着一定的误差。本文所需解决的问题：曲面的确定，航空发动机整体叶轮模型的建立，航空发动机整体叶轮数控加工仿真结果，利用UG软件生成NC加工程序。
本文首先采用适当的数学方法对数据进行处理，研究曲面的加工方法，构造的曲面应保证曲面的连续性、光滑度，精度应符合要求，再用UG软件进行整体叶轮的造型、数控加工仿真，对曲面加工进行仿真，选择的加工方式，刀具以及走刀路径符合实际加工要求。生成的加工程序时，选择某一种数控加工系统进行后处理，生成加工的刀位文件。在造型中由于所给的数据存在着一定的误差，需利用B样条曲线和直纹面来进行拟合，使得整体叶轮大的叶片形状更接近理想的整体叶轮。数控加工一直是整体叶轮加工的难题，本文主要是仿真四轴联动的数控机床，使得通过后置处理的数控程序能够应用到数控机床中去。整体叶轮数控展成电解加工这一课题经过多年的研究探索，已取得了很大的进展，初步形成了进行整体叶轮加工的软、硬件条件，并进行了有关的工艺试验。但在整体叶轮加工的实用化方面做得还不够，要真正加工出符合要求的零件，在工艺方面还有许
多要完善的地方，如夹具的设计。
1.4本文研究成果及意义
根据已有的数据，利用UG软件得到整体叶轮的模型，并利用UG CAM生成数控加工程序，以及整体叶轮的夹具设计。整体叶轮的叶片曲面一直以来都是加工中的难点，通过此次的设计，经后置处理应用于数控机床上的程序代码，加工后的叶片的叶盆型面精度可达0.1mm，叶背面由0.5mm的加工余量由后续抛光工序完成。并且此方法技术柔性好，生产率高，质量好，能够满足整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐热合金等难切削材料进行加工。
2 叶轮的加工工艺分析
2.1整体叶轮结构工艺过程分析
在本实例中，需要对整体叶轮的流道、叶片和圆角主要曲面进行加工，如下图所示。
另外，在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。根据本例具体情况下面介绍其加工难点。
(1)加工槽道变窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形
(2)槽道最窄处叶片深度超过刀具直径的8倍以上，相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，切削深度的控制也是加工的关键技术。
(3)本设计中的整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并且有明显的后仰趋势，加工时极易产生干涉，加工难度较大。有些叶轮由于有副叶片，为了避免干涉，要分段加工曲面，因此，保证加工表面的一致性也有困难。
整体叶轮加工技术要求包括尺寸、形状、位置和表面粗糙度等几何方面的要求，也包括机械、物理和化学性能的要求。在对叶轮进行加工前，必须对叶轮毛坯进行探伤检查。叶轮叶片必须具有良好的表面质量。精度一般集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面。表面粗糙度值应小于Ra0.8μm。截面间的型面平滑过渡。另外叶身的表面纹理力求一致，一致的流水线是最好的纹理表面，但这样又限制了走刀方向，从而在一定程度上限制了加工的刀具轨迹。
整体叶轮在工作中为了防止振动并降低噪声，对整体叶轮对动平衡性的要求很高，因此在加工过程中要综合考虑叶轮的对称问题。在进行UG编程时可利用叶片、流道等关于叶轮旋转轴的对称性的加工表面，可采用对某一元素的加工来完成对相同加工内容不同位置的操作，如本设计就应用了旋转阵列加工的操作。另外，应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。
2.2整体叶轮加工工艺准备
2.2.1机床准备
叶轮轮毂面及叶片分别由叶片中性面根部曲线和叶片中性面顶部曲线绕Z 轴旋转而成;经过旋转轴Z的设计基准面为子午面;中性面是处于叶片压力面和吸力面中间位置的曲面。对于轮毂曲面和包覆曲面，可分别由叶片根部曲线和叶片顶部曲线绕Z轴回转而成。因此三轴机床根本无法加工出整体式叶轮，四轴机床业很难达到要求，所以加工整体式叶轮必须要用五轴联动的机床才能满足加工要求。
五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度要求高，专门用于加工复杂曲面零件的机床，五轴加工的主要优点是仅需一次装夹定位即能完成复杂形体零件的全部加工，可以节省大量的加工时间。本文采用采用立式五轴联动高速加工中心，数控机床主要参数X轴行程900mm，Y轴行程600mm，Z轴行程550mm，A轴旋转范围0°～360°，B轴摆动范围-90°～90°，刀库容量40把刀位，数控系统为SIEMENS 840D。如图3-1
图3-1立式加工中心
2.2.2定位基准
零件是由若干表面组成，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面称为基准。基准按其作用不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。
设计基准设计图样上所采用的基准称为设计基准。
工艺基准在工艺中采用的基准称为工艺基准。工艺基准按用途不同，又分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。
定位基准的选择
选择工件的定位基准，实际上确定工件的定位基面。根据选定的基面加工与否，又将定位基准分为粗基准和精基准。在起始工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作定位基准，这种基准称为粗基准。用加工过的表面作定位基准，则称为精基准。
精基准的选择原则：
(1）基准重合原则直接选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合原则。采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的定
Δ）。
位误差（基准不重合误差B
(2）基准统一原则同一零件的多道工序尽可能选择同一个定位基准，称为基准统一原则。这样既可保证各加工表面问的相互位置精度，避免或减少困基准转换而引起的误差，而且简化了夹具的设计与制造工作，降低了成本，缩短了生产准备周期。
(3）自为基准原则精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。
(4）互为基准原则为使各加工表面之间具有较高的位置精度，或为使加工表面具有均匀的加工余量，可采取两个加工表面互为基准反复加工的方法，称为互为基准原则。
(5）便于装夹原则所选精基准应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠，夹具结构简单适用，操作方便灵活。同时，定位基准应有足够大的接触面积，以承受较大的切削力。
粗基准的选择原则:
粗基准选择的要求应能保证加工面与不加工面之间的位置要求和合理分配各加工面的余量，同时要为后续工序提供精基准。具体可按下列原则选择：（1）非加工表面原则为了保证加工面与不加工面之间的位置要求，应选不加工面为粗基准。
（2）余量最小原则以余量最小的表面作为粗基准，以保证各加工表面有足够的加工余量。
（3）重要表面原则为保证重要表面的加工余量均匀，应选择重要加工面为粗基准。
（4）不重复使用原则粗基准未经加工，表面比较粗糙且精度低，二次安装时，其在机床上（或夹具中）的实际位置可能与第一次安装时不一样，从而产生定位误差，导致相应加工表面出现较大的位置误差。
（5）便于工件装夹原则作为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有飞边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。
辅助基准的选择：
辅助基准是为了便于装夹或易于实现基准统一而人为制成的一种定位基准，
如轴类零件加工所用的两个中心孔，它不是零件的工作表面，只是出于工艺上的需要才做出的。为安装方便，毛坯上专门铸出工艺搭子，也是典型的辅助基准，加工完毕后应将其从零件上切除。
整体叶轮的加工过程中，不同的加工阶段中选择的基准也有区别。遵照以上原则本设计中，就该整体叶轮而言，其基准可以通过数控车床的加工获得良好的表面后变成随后叶轮的加工基准。
2.2.3刀具准备
整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐热合金等难切削材料进行加工。所以本设计采用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，并采用整体硬质合金涂层刀具。
2.2.4装夹方案
工件装夹原则：
（1）在熟悉产品图样、工艺文件和工艺装备的基础上进行工件的装夹；
（2）在机床工作台面上安装夹具时，要擦净其定位基准面，并找正加工要求的相对位置；
（3）工件装夹前应将其定位面、夹紧面，夹具的定位面擦拭干净，不得有毛刺，保证定位精度；
（4）按工艺规定的定位基准装夹，定位基准符合以下原则：
a)尽可能使设计基准、加工基准、检验基准重合，便于加工尺寸链的换算和测量；
b)尽可能使各加工面采用同一定位基准，容易保证形位公差，如平行度、同心度、垂直度等；
c)粗加工基准选取应结合后续工序的定位要求，有利于提高加工精度；
精加工工序定位基准应是巳加工表面，使定位准确、加工精度高；
d)选择的定位基准必须使工件定位、夹紧方便，加工时稳定可靠。
（5）夹紧工件夹紧力的大小适当，夹紧力的作用点应通过支承面，尽可能靠近加工面；对刚性较差或是悬空的工件，应增加辅助支承以增强刚性；
（6）夹紧精加工面应以铜皮作软垫保护，不损坏巳加工表面；
(7)工面应尽可能靠近床头箱，选取适当刀具增强系统刚性，提高加工表面粗糙度。
(8)用四爪夹叶轮外径或后口环，以流道中心或前后盖板流道面作轴向找正基准及叶轮进口直径作径向找正后夹紧，粗车叶轮进口端口环留精车余量1-2mm，及前板面，本工序保证叶轮流道的相对位置。
遵循以上装夹标准本设计采用芯轴装夹定位，也可以考虑在毛坯上制出键槽进行辅助定位，并制作适应芯轴定位装夹的专用工装。由于这不是本文研究重点所以就不多做研究。
2.2.5划分工序
工序：一个或一组工人，在一个工作地对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。划分工序的主要依据是工作地是否变动和工作是否连续。
加工工序安排原则：
（1）先粗后精的原则。
（2）基准面先加工原则。
（3）先面后孔原则(4)先内后外原则。
（4）减少换刀次数的原则。
（5）连续加工的原则。
工序划分原则：
（1）按所用刀具划分。
以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序，这种方法适用于工件的待加工。
表面较多。机床连续工作时间过长。加工程序的编制和检查难度较大等情况。加工中心。
常用这种方法划分。
（2）按安装次数划分
以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序，这种方法适用于工件的加工表面不多。
的工件，加工完成后就能达到待检。
（3）按粗精加工划分
以粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序过程为一道工序。精加工中完成的那一。
那一部分过程为一道工序，这种划分方法适用于加工后变形较大，需粗精加工分开的零件。
（4）按加工部位划分
以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序，对于加工表面多尔复杂的零件，可按其结构特点《如内型，外形，曲面和平面等》划分成多道工序。
按以上原则划分叶轮加工工序如下：
1.工序1
用φ16R2圆鼻刀粗加工。工序1的具体内容如表1所示。
表1 工序1
2.工序2
用φ16R2圆鼻刀开粗加工。工序2的具体内容如表2所示。生成的刀具路径和加工仿真如图7、图8所示。
表2 工序2
3.工序3
用φ12R6球头刀半精加工。工序3的具体内容如表3所示。生成的刀具路径和加工仿真如图9、图10所示。
表3 工序3
4.工序4
用φ12R6球头刀精加工。工序4的具体内容如
表4 工序4
5.工序5
用φ10R5球头刀除流道残料加工。工序5
的具体内容如表5所示。
表5 工序5
6.工序6
用φ10R5球头刀清根加工。工序6的具体内容如表6所示。
表6 工序6
7.工序7
多刀具清角加工。工序7的具体内容如
表7 工序7
2.2.6测量准备
对于叶轮这样的复杂型面，手工方法无法确定精度，主要采用三坐标测量机进行型面数据检测。把采集到的数据与几何建模实体进行比较来检测加工精度。
2.3工艺文件
编制工艺过程卡
工序卡
工步号工步内容
切削用量刀具量具
n f a p编号名称名称
1 流道粗加工6000 3500
2 1 T0101 三坐标测量机
2 叶片粗加工6000 3500 1 1 T0101 三坐标测量机
1 流道半精加工6000 2500
2 2 T0202 三坐标测量机
2 叶片半精加工6000 2500 1 2 T0202 三坐标测量机
1 流道精加工6000 2500 0.5 3 T0303 三坐标测量机
刀具卡
2.4编程软件的准备
目前，国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用加工软件，主要有美国NREC 公司的MAX-5、MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床带有的整体叶轮加工模块，还有HyperMill等专用的加工软件。此外，一些通用的CAD/CAM 软件，如UG、CATIA、Delcam等也可用于整体叶轮的加工，本设计应用的是UG NX 通用编程软件。
3 叶轮的实体造型
叶轮类零件是一类具有代表性的复杂零件，被广泛应用于航空航夭领域。叶轮结构复杂：种类繁多。工作型面的设计涉及到了空气动力学等多个学科，因此曲面造型质量、加工手段等对叶轮性能参数都有很大的影响。
精确的几何实体造型是叶轮数控加工的必要前提。研究整体叶轮的实体造型因而具有重要意义。许多不断成熟起来的CAO/CAM软件为高精度的叶轮造型提供了有力的支持，比如Siemens PLM Software公司的UG NX。U6 NX是一款集CAD/CAM/CAE于一体的工程软件，它具有较强的曲面造型和数控加工编程功能，并且提供了应用开发模块，为用户提供二次开发接口，给复杂曲面的数控加工带来了很大的方便。本文基于UG NX曲面造型系统，研究了整体叶轮实体造型的具体过程和一般原则。
3.1叶轮造型方法概述
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，再采用通过截面线(through curve 引的方法进行叶片的曲面造型。轮毅的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过旋转(RevolVe)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。叶轮的设计图样提供了叶片五个截面的数据点坐标(如图3-1)及前(后)缘处圆弧所在圆的圆心和直径(如图3-2)。笔者通过对满足设计要求的叶片实体造型方法的研究，提出其造型过程中需要遵循的般原则。
图3-1叶片五截面数据
图3-2前（后）球截面线处的图和控制
（1）在保证精度的条件下，应尽可能降低样条曲线的次数，推荐使用不超过四次的曲线，且五个截面要生成相同次数的曲线。
（2）在每个截面样条曲线的前、后缘曲率比较大的部位，控制顶点的分布要密一些，而在曲率比较小、叶身曲线比较平直的部位，给定稀疏的均匀分布点即可。