【内容摘要】整体叶轮作为发动机上的重要部分，极大地影响着发动机的性能，所以其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。它的加工质量是提高发动机性能的重中之重。本文通过对整体叶片的轮廓要素进行数控加工工艺分析，采用NX10．0软件编制加工程序，并在五轴数控加工中心进行实验操作，进而证明整体叶轮加工数控加工方案的可行性。
【关键词】整理叶轮;加工工艺;实验验证
一、压气机转子的几何特征分析
目前在国内的很大一部分整体叶轮都通过对国外叶轮采用反求设计来完成，本文中的叶轮是我国自主研发的微型航空发动的整体叶片。整体叶片的出口直径约为81mm，其叶片包括8个一级叶片和8个二级叶片，出口叶片高度约为3mm，进口叶片直径约为44mm，进口叶片高度为17．2mm，叶片厚度的最薄处只有0．4～0．5mm。在加工中为了使叶轮的加工水平更加接近世界先进水平，因此整体叶片采用了大扭角和根部变圆角的设计思路，但这些轮廓要素也是整体叶片最难加工的部分。在整体叶片加工过程中，以下几个问题需要我们去解决:一是目前同等直径整体叶轮通常都是12片叶片，但此转子却有16片，且叶片尺寸偏长，这些都大大增加了叶片的加工难度;二是通常加工叶片的刀具直径约为2．5mm的叶片，韧性差且容易断裂，所以控制切削参数是至关重要;三是对于严重扭曲的叶片，具有流道窄和叶片扭曲严重等特点，在加工时极易受到干扰，甚至有的曲面要分段加工操作，所以确保曲面的一致性也是难点;四是轮毂与叶片之间都采用变圆角设计。变圆角加工的刀轴控制和刀轨生成也成为了整体叶轮加工的难点之一。
二、微型整体叶轮的加工工艺分析
通常整体叶轮是对一个锻压毛坯件采用数控多轴加工技术加工整体成型加工而获得，而不是将叶片加工成型后将其焊接在轮毂上而获得的加工工艺，其加工工艺方案如下:(一)选件。由于整体叶片具有扭曲严重，叶片高且薄等特点，为了提高叶片的强度，整体叶片的毛坯选用锻压件，且通过数控车床来完成叶片回转特征的加工。(二)叶轮流道的去材料加工分析。叶轮流道的去材料加工刀具轨迹通常沿着气流通道的方向最合理，在叶轮去材料加工时，流道槽底和叶片侧面要留有一定的精加工余量来保证精加工的精度，从而保证叶轮的平衡性和气流的畅通。为了保证叶轮加工的刀具强度，选择锥形刀具较好，刀具采用硬质合金，刀具底部的直径应该比槽底尺寸略小，刀具锥度在保证加工时刀具不与零件发生干涉的情况下尽量取大。(三)叶轮流道精加工分析。叶轮流道精加工采用球形锥柄棒铣刀沿着流道方向从流道中心位置向叶片处加工，为了保证叶片的加工精度满足叶片最终的性能要求在叶片表面留有0．2mm的精加工余量最为合适。由于整体叶轮几何特征本身存在一定的复杂性，UGCAM可变轴曲面加工常常是通过驱动面来控制刀轴和定义切削范围。所以整体叶片加工可以通过定义轮毂面作为驱动面来完成流道加工和定义叶片表面的偏置面来完成叶片的加工两部分组成。(四)变圆角精加工分析。从整体叶片气流道气流的通畅性和叶片的强度等综合考虑，叶轮叶片的左侧都采用了变圆角设计，圆角半径是中间大两端小且呈线性变化。叶片右侧采用恒定圆角设计约为1．25mm。变圆角加工可以通过抽取变圆角面作为驱动面采用变轴加工来完成，球头刀球面半径一定比变圆角的最小半径小。
三、叶轮压气机转子的数控程序编制
(一)用NX进行转子数控编程时。以通过创建加工坐标、几何体定义、刀具参数的设置、创建操作参数的设置四个部分来完成叶片加工刀具轨迹的生成。(二)刀具轨迹生成。在机床视图刀具节点下创建加工要使用的刀具并对刀具命名和参数设置;在几何视图下定义加工坐标系、加工毛坯、加工部件及检查几何体;创建操作并设定切削速度、进给率、刀轴控制等相关加工参数。叶轮流道的加工流程:为了让生成的刀具轨迹沿着叶轮气流道的流道方向，需要抽取轮毂面作为驱动面并重新设置抽取曲面的U、V参数线布置，由于流道的特殊性，流道面分成了三片曲面加工。1．流道前端的加工需采用可变轴曲面轮廓铣。由于叶片扭曲角较大，叶片加工前期和后期刀轴变化角度较大，因此需要采用标准驱动和指向点两种刀轴控制方法分别完成叶片的上半层和下半层加工最为合理。叶轮加工的驱动方法采用曲面区域驱动。为了保证在加工过程中刀具不对零件产生过切选用整体叶轮本身作为检查几何体，以流道前端的抽取曲面作为驱动几何，在加工过程中如果出现过切或刀具干涉现象刀具会自动退刀。选择多层加工的设计方案进行，每层深大约为0．5mm，其它的参数设置和加工上半层的参数类似。因为选择刀具控制方式是变轴曲面轮廓铣的关键，因此后续的重点是刀轴的控制方式。2．流道左端曲面的加工采用可变轴曲面轮廓铣来完成，刀轴控制选择垂直于驱动和相对于驱动来完成。其中垂直于驱用于上半部分加工，相对于驱动用于下半部分加工。在整体叶片气流道右端的曲面曲率变化较小，曲面上各点方向与叶片曲面夹角都几乎为0°，在加工的过程中不易出现刀具干涉，因此刀轴控制选择垂直于驱动最为合理。3．叶轮气流道的半精加工分析。为了保证精加工叶片表面的剩余材料均匀，从而提高最终的叶片加工质量，需要对叶轮气流道进行半精加工。4．转子一级、二级叶片的精加工分析。从整体叶轮的几何特征可以发现入口处叶片到出口出叶片曲率变化很大，一次性加工刀轴很难控制。因此对叶片采用压力面、前圆角、吸力面三部分分开加工的方式来完成较合理。5．变圆角加工分析。由于变圆角的圆角在不断变化，曲率变化也较大，因此采用垂直于驱动的控轴的方式刀具比较容易与其它叶片干涉，因此加工刀轴控制方式选为指向线较为合理。
四、结语
本文分析了微型压气机转子的结构特点及加工难点，通过叶片的基本参数确定了压气机转子的加工工艺方案以及NX10．0数控程序编制的整个流程，选择了最优的驱动方式和刀轴控制方式，对叶片实施数控加工。
【参考文献】
［1］吴宝海，罗明，张莹，李山，张定华．自由曲面五轴加工刀具轨迹规划技术的研究进展［J］．机械工程学报，2008，10
［2］李建广，赵航，袁哲俊．一种新的多坐标数控加工过程仿真算法的研究［J］．哈尔滨工业大学学报，1999，5
［3］顾玉娜．整体叶轮的曲面造型及五轴数控加工［D］．华中科技大学，2007
［4］蒋大为，王自然．复杂曲面的B样条拟合方法［J］．航空计算技术，1999，2
［5］陈道炯，覃开宇，刘昌艳．复杂曲面三维数模重建技术的应用与研究［J］．合肥工业大学学报(自然科学版)，1998，6
［6］侯中祥．多轴数控加工过程中工艺参数优化和加工仿真［D］．华中科技大学，2007
作者：余松林
