基于UG的复杂曲面叶轮三维造型及五轴数控加工技术研究北京卫星制造厂李 群 陈五一 单 鹏 宋放之摘要以典型的CAD/CAM软件UG及深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机转子应用实例为背景，设计出基于UG的一套完整、系统的整体叶轮数控加工方案，包括整体叶轮的三维建模、数控加工工艺流程规划，数控加工编程等。
并在MIKRON HSM400U五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控加工方案及程序的可行性。
该加工件已经用于微型发动机中进行试车实验。
关键词 CAD/CAM 微型发动机 整体叶轮 三维造型 五坐标数控加工1 引言整体叶轮特点是：结构复杂、数量种类繁多、对发动机性能影响大、设计研制周期长、制造工作量大。
目前，较重要用途的叶轮都是由非可展直纹面和自由曲面构成的，叶轮叶片的型面非常复杂，使得叶片实体造型较一般的实体造型更为复杂多变。
从整体叶轮的结构特点也可以看出：加工整体叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。
目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件[1]，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 等也可用于整体叶轮加工。
目前，国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有差距。
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、小轮毂比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关。
2 整体叶轮的CAD/CAM系统结构图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[2]如图1。
图1 整体叶轮的CAD/CAM系统结构图收稿日期：2007-05-23作者简介：李群（1981-），硕士，机械制造及自动化专业；研究方向：数控加工技术。
40413 微型压气机转子的结构特点及加工难点国内大多数整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，而本文研究的叶轮是北航能源与动力工程学院自主开发的微型航空发动机上的压气机转子。
压气机转子出口直径为81mm ，有8片一级叶片，8片二级叶片，出口叶片高度3mm ，叶轮进口直径44.3mm ，进口叶片高度17.15mm ，叶片厚度最薄处0.4mm ，相邻叶片间最小间距为3.1mm ，如图2。
图2 压气机转子为了使气动性设计达到了国际先进水平，压气机转子采用了大扭角、根部变圆角等结构，给加工提出了很高的要求。
转子加工难度如下：a. 国际上同等直径81mm 的整体叶轮通常有12片叶片或14片叶片，而此转子有16片叶片，而且它的二级叶片也较长，这些都使加工槽道进一步变窄，加工难度进一步增加；b. 在刀具直径为2.5mm 情况下，刚性差，容易断，控制切削深度也是关键；c. 此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。
有时为了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难；d. 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，并且实现环绕叶片加工较难；e. 由于叶轮强度的需要，轮毂与叶片之间还采用变圆角。
槽道窄、叶片高、变圆角的加工也是难点。
总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。
4 创建叶轮的三维模型4.1 叶轮叶片数据的获取方法叶轮叶片数据的获取主要有两种方法：一种是通过逆向工程；一种是通过理论计算。
逆向工程是把原型的几何尺寸通过各种测量方法（如：三坐标测量机、激光跟踪仪、三坐标测头等）转化成数据文件，然后重新建立此零件的CAD 模型的技术。
理论计算是根据流体力学原理计算出的叶型数据，本文的原始造型数据就是通过理论计算得出的。
数据文件提供的是：一系列数据点坐标，数据点坐标格式为：“XC 空格YC 空格ZC 空格”，与UG 对数据源文件的要求一致。
这样才可以根据曲面的连续、光滑性要求，在UG 的自由曲面模块中，由叶片的离散数据点拟合生成光滑、准确的闭合曲线，从而再通过这些曲线生成叶片曲面。
4.2 创建叶片通常情况下，叶片的基元线主要分为两类：一类是平面曲线(一般出现在涡轮中)，一类是空间曲线(一般出现在压气机叶轮中)。
而UG 中对这两类曲线生成叶片实体的处理方法是不同的。
4.2.1 叶片基元线是平面曲线从菜单栏中选择【样条】命令，根据需要选择其中的一种拟合方式，把已生成的数据文件导入，系统将按照数据绘制封闭的样条曲线。
按照上述方法，用其它的数据文件中的数据绘制其它封闭样条曲线。
从菜单栏中选择【通过曲线】命令，系统将弹出【通过曲线】对话框，分别选取已建的样条曲线串。
这样就生成了叶片实体(如图3)。
4.2.2 叶片基元线是空间曲线导入数据文件，绘制样条曲线；通过曲线串生成叶片实体：同4.2.1。
但是这时候生成的是叶片片体（如图4）。
要想生成实体，必须在叶片片体的两侧建立两个缝合面，缝合成实体。
图3 叶片实体 图4 叶片片体 利用【扫描】命令，通过片体两侧的最外边曲线，42生成缝合面(如图5)，这样这两个平面和所建立的叶片片体共同围成了一个封闭的叶片体。
利用【缝合】命令，选择以上建立的两个平面和片体，生成叶片实体，如图6。
图5 缝合面 图6 叶片实体4.3 创建轮毂UG 提供了两种建立曲线的方式：一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。
草图中建立便于参数化，推荐用草图建立。
利用【回转】命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毂回转体。
4.4 修整叶片与轮毂通过定义基准面和裁剪体，利用【裁剪】命令，裁掉多余的部分。
4.5 建立其他的叶片因为叶片是圆周均布的，所以利用【变换】命令，选择要复制的叶片，在【角度】文本框中输入参数值360/n (n 为叶片个数)，连续复制n -1次，这样就完成了n 个叶片在轮毂上的均匀分布。
4.6 建立整体叶轮到此，叶片、轮毂已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型（如图7、8）。
图7 平面曲线叶轮 图8 空间曲线叶轮5 叶片曲线、曲面分析由于叶片数据的获取来源，决定了生成的叶片曲线、曲面可能存在不需要的拐点，出现不光滑的凹凸现象，这直接影响着后续的加工效果。
因此在三维建模过程中需要对曲线、曲面进行光顺检查。
5.1 曲线分析 5.1.1 分析曲线质量用UG 中的曲线分析工具，分析叶片的每一条基元线的曲率分布情况，有无断点、尖点、交叉、重叠。
下面以一条空间基元线为例，分析曲线的质量。
曲率梳可以反映曲线的曲率变化规律并由此发现曲线的形状问题。
原始曲线的曲率梳分布如图9，光顺后的曲率梳分布如图10。
图9 原始曲线曲率梳 图10 光顺后曲线曲率梳通过曲率图可以看出：光顺后的曲线比原始曲线要光顺的多。
因此，光顺后的曲线更有利于后续的数控加工编程。
5.1.2 光顺曲线通过编辑曲线中的光顺曲线命令，修改光顺因子，来达到需要的光顺曲线[4]。
5.2 曲面分析5.2.1 法矢量各分量的分布（评价光滑性）叶片曲面的理想情况是在各处法向矢量呈发散的趋势。
如果两法向矢量有相交的趋势，原因可能是由于前缘、尾缘的半径设置不合理。
这种情况下，需将前、后缘的数据点进行修改。
用UG 中的桥接曲线功能，在保证连接点曲率连续的前提下，通过修改相切模量来调整前缘、尾缘形状。
最后重新分析曲面的法矢量。
以转子叶片为例，叶片曲面法矢量三维分布，可以看出法矢量的变化比较连续，只是在前缘、尾缘与吸力面、压力面的相接处存在较大的转折。
通过放大法矢量图，分析在衔接处的法矢量变化，发现法矢量的变化是连续的，即法向矢量之间没有相交的趋势。
如图11，这是合理的。
但是法矢量变化较大的地方，可能成为曲面加工中的难点，因此在数控编程中应特别注意干涉过切与刀具转角这两方面的问题。
如果干涉太严重，可以将压力面、吸力面、前缘角分开加工。
5.2.2 相邻面的最小空间距离43使用UG 中的距离分析命令可以求出相邻叶片曲面的最小距离，这个最小距离可以作为选取刀具的参考依据之一。
所选刀具的直径最大不能超过该值。
图11 前缘法矢量三维分布6 叶轮数控加工工艺流程规划6.1 刀具的选择为提高加工效率，在进行流道粗加工、半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀，但是必须保证刀具直径R 1小于叶片间最小距离L min ，L min 的大小可以根据UG 软件的分析面面距离的功能测得。
在叶片精加工过程中，应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀，即保证刀具半径R 2大于流道和叶片相接部分的最大圆角半径。
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R 3小于流道和叶片相接部分的最小圆角半径。
6.2 加工工艺流程叶轮整体加工采用轮毂与叶片在一个毛坯上进行成形加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法。
其加工工艺方案如下[5,6]。
6.2.1 锻压毛坯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。
6.2.2 叶轮气流通道的开槽加工开槽加工槽的位置宜选在气流通道的中间位置，采用平底锥柄棒铣刀平行于气流通道走刀，并保证槽底与轮毂表面留有一定的加工余量。
根据整体叶轮流道部分的几何特征，流道开槽需分成3部分加工：小叶片前端、左端、右端，如图12所示。
每部分开槽需采用分层渐进的方法，将流道部分的总加工余量根据整体叶轮和刀具材料的力学性质以及进给速度等分成若干层进行加工。
所分层数和每层的加工余量应该根据总加工余量的最大厚度部分来进行合理分配。
选择流道曲面为零件面（Part Geometry ）和驱动几何面（Drive Geometry ），叶片面和轮毂面为干涉检查面（Check ）。
可采用的驱动方法为：前端流道面加工采用的驱动方法为：垂直于驱动（Normal to Drive ）、趋向于点（Toward Point ）； 左端流道面加工采用的驱动方法为：垂直于驱动（Normal to Drive ）、相对于驱动面（Relative to Drive ）； 右端流道面曲率变化很平缓，曲面上各点法向与叶片曲面夹角都接近0º，因此加工采用的驱动方法为：垂直于驱动（Normal to Drive ）。
