整体叶轮的加工工艺

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基于hyperMILL的半开式整体叶轮五轴数控编程与加工技术_赵文明

基于hypermill的半开式整体叶轮五轴数控编程与加工技术表2各加工工序使用的刀具及加工参数序号工序名称刀具主轴转速rmin进给量xymmmin步距mm1毛坯面粗加工10平底立铣刀60003500052毛坯面精加工10球头铣刀40001600023叶轮粗加工10球头铣刀70004000154叶轮粗加工6球头铣刀3000120015叶片半精加工6球头铣刀30001200066叶轮盖半精加工6球头铣刀30001200067叶片精加工6球头铣刀300012000158流道精加工6球头铣刀30001200089叶轮盖精加工6球头铣刀300012000153
2
刀具选择
3． 2
整体叶轮加工工序以及加工参数确定
选择合适的刀具材料和刀具类型不仅可以保证加而且能够满足零件的加工质量。刀具的选择工效率，需要充分考虑整体叶轮的形状、材料等各个方面的因素。整体叶轮铣削加工刀具的选取可遵循以下原则： ①粗加工时，在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径刀具，以提高加工效率； ②在满足叶片高度的情况为保证刀具有足够的刚度，其悬伸长度应尽可能下，
图3 图2 半开式整体叶轮模型
hyperMILL 数控编程及加工过程
整体叶轮结构复杂，其数控编程和加工的难点主要体现在： ①相邻叶片间的距离较小，加工时易产生干涉，生成无干涉的刀具轨迹较困难； ② 叶片厚度小，在精加工过程中会出现加工变形和振动等问题，使叶片表面的加工质量降低； ③叶片的扭曲度较大，使刀具轴［ 89 ］。线矢量的计算复杂
基于 hyperMILL 的半开式整体叶轮五轴 * 数控编程与加工技术
赵文明，庄鹏，鞠岗岗，刘战强
（山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061 ）摘要：整体叶轮是航空发动机和各类透平机械的关键零部件。针对整体叶轮因结构复杂而导致数控编程和加工难度大的特点，首先，以半开式整体叶轮为例，在 hyperMILL 软件中进行五轴数控编程。然后，编程得到的刀具轨迹经过内部机床仿真验证，利用后处理器将刀位（ CL）文件转换成机床可识别的 NC 加工代码。最后，在 DMU － 70V 五轴加工中心上对 Al7050 铝合金整体叶轮进行加工。加工过程中没有出现干涉、过切、欠切等问题。结果表明 hyperMILL 可以简化编程的过程，提高编程和加工的效率，为其它同类复杂零件的编程加工提供了依据。关键词：整体叶轮；数控编程；五轴加工； hyperMILL 中图分类号： TH164 ； TG659 文献标识码： A

面向特征的整体叶轮五轴数控加工技术

软件，ＵＧＮＸ、ＡＡ、ｒ／ｎｉｅｒ。本文如ＣＴＩＰｏＥｇｎｅ等基于整体叶轮的几何特征，用大型通用ＣＤ／利ＡＣＡＭ软件ＵＧ３０对其进行加工轨迹规划。ＮＸ．
ｍ水边清根部分进水边
摘要：于特征制定整体叶轮数控加工工艺，时兼顾叶轮的工作要求和加工刚度，用ＵＧ基同利
ＮＸ．３０提供的Ｉｔｒｏａｅ方式规划流道特征的开粗加工和精加工轨迹，ｗａｆｎｅｐｌｔＳｒ方式规划叶片特征
的侧铣加工轨迹。经过仿真验证加工轨迹的合理性，后使用配有ＨＮＣ一２Ｍ数控系统的五轴最２
图１整体叶轮加工技术路线
化工件的找正和后处理的过程。
收稿日期：ｏ６—０２ｏ８—１０
作者简介：彭芳瑜（９２一）男，１７，江西萍乡人，中科技大学副教授，华博士，主要研究方向为高速高精数控技术、多轴数控编程技术、ＴＰ— ＳＥ
主要对流道开粗、精加工和叶片精加工加工轨迹规
划进行研究。根据整体叶轮的几何模型特征，可以基本确定加工所使用机床型号、刀具参数、具和夹装夹方式等。整体叶轮为叶片分布均匀的回转体类零件，议选择其底面圆心为工件原点，建以此简
根据叶轮的几何结构特征和使用要求，定基确
本的加工工艺流程为［：１在锻铝材料上车削加２（）］

整体叶轮五轴数控加工技术的研究

工验证。
关键词：叶轮
三维建模
五轴加工加工仿真后置处理文献标识码：Ｂ
中图分类号：ＴＧ６１＋９
Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｆｉｖｅ－ａｘｉｓＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ
—
ห้องสมุดไป่ตู้
ａｘｉｓＮＣｍａｃｈｉｎｅ．ＷｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＵＧｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｎｄｔｏｏｌｐａｔｈｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄ
工艺与检测Ｔｅｃｈｎ０ＩｏｇｖａｎｄＴｅｓｔ
整体叶轮五轴数控加工技术的研究
丁刚强
（柳州五菱汽车工业有限公司制造工程部，广西柳州５４５００７）
摘要：整体叶轮是典型的航空航天复杂零件。为了进行整体叶轮的数控加工，用Ｐｒｏ／Ｅ对其进行了参数化建模。在深入分析整体叶轮加工工艺的基础上，确定了五轴数控机床加工叶轮的工艺流程。使用ＵＧ软件实现了自动编程，生成了刀路轨迹。通过后置处理生成Ｇ代码，并在实际机床上进行了加
ｃｅｓｓｉｎｇ
整体叶轮是燃气发动机中的一种关键零件，其作用是南外界供给的机械功连续不断地将气体压缩并传输出去。气体经进气管进人工作轮，在工作轮中因受到叶片的作用力而压力升高，速度增加。因此对叶轮

整体叶轮五轴数控加工的研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｐｅｎｄｉｎｇｏｎｔｈｅｉｆｖｅ－ａｘｉｓＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｉｎｔｅｇｒａｌｉｍｐｅｌｌｅｒ，ｉｔｃｒｅａｔｅｓ３ＤｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＰｒｏ／ＥａｎｄｔｏｏｌｐｔａｈｓｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｂｙＰＯＷＥＲＭＩＬＬ，ｐｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅＮＣｐｒｏｒａｇｍｉｌｆｅｂｙｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｎｄｉｎｆａｌｌｙｂｕｉｌ＆ＤＭＵ５０Ｖｉｖｆｅ－ｘｉａｓｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｅｎｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｓｉｍｕｌｔｅａｔｈｅｃｔａｕｌａｐｒｏｃｅｓｓ，ＳＯｓａｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅＮＣｐｒｏｒａｇｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｐｏｓｔ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｂａｓｅｄｏｎ
后基于机床仿真软件ＶＥＲＩＣＵＴ，构建实际机床型号为ＤＭＵ５０Ｖ的五轴数控加工中心仿真环境，并模拟实际机床的加工过程，验证了从数控程序的生成到后置处理的正确性，减少了试切零件的误差率，检测到实际加工过程中潜在的各种风险，如机床碰撞、刀具过切或碰撞等，从而达到了优化数控加工程序、提高生产效率的目的。关键词：五轴Ｊｊ￣－ｒ；整体叶轮；ＶＥＲＩＣＵＴ

基于UG NX4.0整体叶轮的五轴数控加工仿真

关键词：整体叶轮；控加工；Ｇ；真数Ｕ仿
中图分类号：Ｐ９Ｔ３１文献标识码：Ａ
５・ｉＡｘｓＮＣａｈｉｉｉｕａｉｎｏｒＷｈｏｅＩＭｃｎｎｇＳｍｌｔｏｆｌｍｐｅｌｒＢａｅｎｌｓｄｏＵＧｅＮＸ４．０
ｉｏｔｃｍｐｌｘｓｒｃｕｅｏｔｃｉｅｉｅｆｃｉｌｄａｃｒｔｌｓｅｈｌｎｅｉｓｅｔｕｔｒ，ｈｗｏｍａｈｔｆｅｔｙａｃｕａｅｙｈａｂｅｎａｃａｌｇＣＮＣｃｎｉｇｎｎｖｅｎｅｎｍａｈｉｎ．Ｉ
ｔｉｐｐｅ，ａｅｎＣＡＤ／ｈｓａｒｂｄｏｓＣＡＭｏｔｒ，ＵｎｇａｈｃｓｆｗａｅｉｐｉｓＮＸ，ｅｏａｌｒｃｓｉｇｐａｎｎｓｄｄｒａｒａｎｂｅｐｏｅｓｌｉｇＷａｍａｅａｓｎｎｎ
Ｋｅｒｓｙｗｏｄ：ｗｈｌｉｅｅ；ｃｉｉｇＵＧ；ｉｌｉｎｏｅｍｐｌｒＮＣｍａｈｎ；ｌｎｓｍｕａｏｔ
０引言
作为动力机械的关键部件，整体式叶轮广泛应用
前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，如
维普资讯
２０年第４０７期
文章编号：０１２６（０７ｏ０８０１０ — ２５２０）４— ０７— ４
・艺与装备・工
基于ＵＸ４０整体叶轮的五轴数控加工仿真ＧＮ．

基于UG NX6.0的整体叶轮数控加工仿真校验与后置处理

基于UG NX6.0的整体叶轮数控加工仿真校验与后置处理4.4.1 整体叶轮数控加工路径规划叶轮整体数控铣削加工是指轮廓与叶片在同一毛坯上铣削加工成形。

其加工过程大致包括以下几个主要工序：1.粗加工叶轮流道曲面；2.粗加工叶片曲面；3.叶片精加工；加工。

下面对其路径规划方法分别讨论。

1)创建整体叶轮数控加工父级组。

打开已经建构的整体叶轮三维CAD文件，进入UG加工界面，选择“mill_muti-axis(多轴铣削)”CAM加工配置模板，先后创建程序组、几何组、刀具组和方法组，为下面的加工仿真做准备，具体如下：a.创建程序组。

程序组是用于组织各加工操作和排列各操作在程序中的次序。

由于在单个叶片的多轴加工程序编制后，要使用旋转复制功能生成其余叶片的加工程序，因此这里先采用UG 缺省的程序组，待全部叶片加工程序完成后再统一修改、管理。

b.创建几何组。

在“导航器”中选择“几何视图”功能，进入几何视图工作界面，设置叶轮的圆柱圆心点为加工坐标系位置（双击MCS_MILL 在CSYS 状态下单击点对话框将捕捉类型设置为“圆弧中心/椭圆中心/球心”并将加工坐标系移至到圆心点），如图4.11所示；在铣削几何体中选择已经车削完成的回转体作为毛坯几何体，如图4.12所示c.创建刀具组根据前面已经确定的刀具类型和相关刀具参数，利用“创建刀具”功能，分别创建粗、精加工刀具，并且从内定库中检索刀具夹持器，创建刀具夹持器，本文中选取了库代号为“HLD001_00041”的刀具夹持器。

由于上一节中对刀具选择已作了比较详细的论述，这里不再重复，且此步的操作比较简单。

e.创建方法组由于叶片及流道曲面加工采用了表面积驱动方法，不便设置统一的加工余量、几何体的内外公差、切削步距和进行速度等参数，先选用内定的“METHOD ”加工方法，可根据需要再设置上述加工参数。

2)粗加工叶轮流道曲面通过可变轮廓铣程序控制驱动方法和刀具轴，根据叶轮流道曲面的加工要求创建多轴联动粗加工程序。

基于UG的整体叶轮高速加工技术应用

ｔｒｇｈｏｅ陀ａｙ，ｔｍｄｌｇ帅ｃｓｈｏｈｔｕｅｍｔｍＪｍ № ｏｅｉｎｅＳ
ｗｓｄｔｒ￣ｄｖｎｕ￣ｈｇ］ｒｓＩｍｄＳａｅｅｍｅ，ｅｅｔａｙｔｅＪｅｅｏｏｅ￣］；ｄ￣
ａｄｈｈｓｅｄｎ￣ｉｉｇｗｅｅｒａｉｅｎｉｐｅｒａｈｎｎｒｅｌｄ．ｇｚ
ＤＩ１．９９ｊｉｎ１０－９２２１．５０１Ｏ０３６／．ｓ．０１８７．００１．６ｓ
基金项目：本课题源于黑龙江省教育厅振兴老工业基地重点项目：课题编号１ｇｄ０，省教育厅项５Ｚ２１１目：编号１１３，教育部重点项目：编号２０５４１５３９６０３
ｍｉｎ，进给速度最高４ｍ／ｉ０ｒｎ，可进行超ａ高速切削。定位精度为００８．０ｍｍ，复定重位精度００５．０ｍｍ。２２台的选择．平近年来出现了专用于叶轮类零件的
２高速加工技术
高速（高速）切削加工是一种热、超力耦合不均匀强应力场制造工艺。作为一种先进加工技术，速（高速）削给传统高超切
终实现整体叶轮的实体建模和高速加工。
嫠蛰
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整体叶轮；高速加工；ＵＧ
ＡｃＩｃ０哟嚼ｔｈａｉｅｏｒｔｎｃａａｔ啦ｔ０ｏｔｅｅｓｒｄｆｒａｉ｝Ｐ＿ｅ盹ｅｎｏＩｃ

基于NURBS插补的整体叶轮数控加工

ＣＸ—Ｐｏｒｍｍｅｒｇａｒ设计．
好地解决靶丸的空间精确定位问题，统硬件简单。系可靠性高，价比较高。控制系统的实验结果满足了靶性本
丸的定位精度，得了很好的效果。取
样条（ｎＵｎｆｒＲｔｎｌＢ— ｐｉｅＮＵＲＢ）线插Ｎｏ — ｉｍａｉａＳｌ．ｏｏｎＳ曲
ＰＣ程序主要包Ｌ括系统初始化程序、下层Ｘ和上层移动台
脉冲频率和频率变化率达到速度和加速度控制。改变脉冲方向信号来控制相应电机的转向；改变电机的使能信号来控制相应电机的运行和关闭。
控制程序、性固定器磁
控制程序、移工作台平（轴、轴、轴）ＹＺ控
５结束语
采用上述方法，过软件编程实现多轴控制．较通能
制程序和头部旋转
（、、）制程序，控程序采用欧姆龙软件
数控加工工艺进行了规划．现了ＮＵＲＢ实Ｓ插补方式的整体叶轮数控加工。
关键词：ＲＢＮＵＳ插补
整体叶轮
数控加工文献标识码：Ａ文章编号：００４９（０１０ — ０５０１０ — ９８２１１６０３～４
基于ＮＵＲＳ插补的整体叶 ห้องสมุดไป่ตู้数控加工Ｂ

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整体叶轮的加工工艺
摘要：根据叶轮加工专业软件中NC 程序模块分类思路以及通用叶轮数控工艺的需求分析，在对某型叶轮进行五轴加工工艺编排过程中对此方法进行了工程试用，最后通过VIRICUT 加工仿真平台验证了叶轮工艺及特征分类方法的可行性和正确性。

关键词：叶轮；加工特征；加工模块
1 引言
随着航空发动机推重比的日益提高，在风扇与压气机中整体叶轮的结构得到越来越多的应用，其省去了连接用的榫头、榫槽，使零件数大为减少。

然而却带来单件结构复杂、刚性差、材料加工难度大、加工质量要求高，加工量大等一系列加工难点。

而且整体叶轮上的叶片往往由复杂的自由曲面经过三维扭曲组成，几何精度要求很高，因此对加工程序的编制提出了更高的要求。

如何快速地缩短我国叶轮加工工艺技术与发达国家的距离，研发我国自主版权的叶轮加工专业模块及软件，成为我国叶轮加工工艺技术研究中亟待解决的问题。

2 整体叶轮分类与CAD/CAM 系统结构
目前航空发动机技术中所采用的整体叶轮按结构形式分为开式与闭式两种构型，开式叶轮按照气流的运行方式又可分为轴流式叶轮与离心式叶轮。

对于压气机转子和风扇等具有复杂曲面叶片叶轮的制造通常采用五轴数控铣削加工的方式实现其精度要求，较为成熟的工艺主要有：精锻毛坯+精密数控铣削加工；焊接毛坯+精密数控铣削加工。

采用通用加工软件对整体叶轮进行精密数控铣削加工的CAD/CAM 系统，如图2 所示。

图2整体叶轮的通用CAD/CAM 系统
在通用加工软件中，首先根据叶轮图纸及型值点数据建立整体叶轮模型，之后对已有模型中的轮毂、流道、叶片等区域分别进行工艺编制和程序编写，并通过加工仿真验证程序的可行性，最后通过机床相应后置处理得到可以用于加工的NC 代码。

3 加工特征分类的整体叶轮加工工艺
3.1 加工刀具的选择
为了提高加工效率及保证刀具刚性，在叶轮的加工过程中应尽可能使用直径大的刀具。

通过UG 软件的距离分析功能可得被加工叶轮的叶片间距Lmin为8.2mm，为了保证半精加工余量δmax并为刀轴摆动角度预留空间，可以通过（1）式预估刀具直径，各参数定义，如图3所示。

式中：ɧ—叶片展长。

通过叶轮尺寸的已知参数可以确定并选取准5 的刀具对叶轮叶片主体进行粗加工和半精、精加工。

对R1的叶根圆角与流道精加工程序则分别选用准2与准3的圆锥铣刀。

图3叶轮叶片区域参数示意图
3.2 整体叶轮的特征加工编程
3.2.1 叶轮零件区域清除开粗插铣加工程序
开式叶轮机械加工过程中的叶轮加工程序是最大的去除工艺，所要求的机械性能要求由小直径铣刀片间距大小限制下的苛刻。

通用的整体叶轮开粗程序是粗略选取叶片间气流通道的中间位置，采用者为增大切削刚性，选择机床直线副运动形式，对流道空间的型腔特征从不同方向分别进行三轴加工。

然而以上两种方法，均不以叶片几何特征为算法参考，加工效果不稳定，无法保证叶片半精加工的余量均匀。

在本文中，通过UG/Open API编程接口，采用插铣加工的整个算法整体叶轮的加工过程，如图4所示。

最小二乘解确定轴空间矢量算法的切入铣刀位置由刀面刀的特征偏移离散值，从而使加工和后续加工余量分布，提高整体质量的暂时空白。

并介绍了一种铣削加工方法，可以有效地减小加工变形，减小工件的加工变形，提高挂工具的直径比，为整体叶轮的加工提供了一种解决方案。

图4叶轮零件区域清除开粗插铣加工刀轨
3.2.2 叶轮流道半精/精加工程序
叶轮加工高质量要求，不干扰可行的有限域，流道表面光洁度加工，需要选择合理的刀具尺寸和刀具的角度精度控制。

由于理论模型叶间距Lmin为8.2mm，叶根圆角为R1，为了完成切割面积最大齿根圆角和考虑刀具刚度、准流表面半精加工球头铣刀5选择，选3的准锥刀通道表面精加工。

刀轴摆角控制，当信道特征作为驱动表面，通过UG矢量插值插值驱动方式手动设置和调整的关键工具轨迹的刀轴矢量和线性插值方法的刀轴矢量的刀具位置，相邻刀位刀轴矢量平滑过渡。

最后，刀具路径的全局干涉检查和设置安全检查距离为
0.05mm，干涉的边界是避免加工刀具路径。

优化后的叶轮表面精加工工具导轨，如图5所示。

图5叶轮流道精加工刀轨
3.2.3 叶片精加工程序
整体叶轮上的叶片往往由复杂的自由曲面经过三维扭曲组成，几何精度要求很高，而且由于整体叶轮的高温高压的恶劣工作环境，往往叶轮毛坯材料属于难加工材料。

所以对整体叶轮叶片的特征处理，不仅要规划和准确的和光顺优化叶片加工程序的编写，还需要加工的切削参数进行了优化，以提高加工表面质量和加工效率。

为了提高刚性零件的加工特性。

在铣削加工叶轮区域清晰的模块完成，随后叶片精加工程序预留1.5mm制服津贴，准5球头铣刀刀片的加工精度，调整刀轴矢量与角θ叶片几何特性控制和实时性，避免在插值和整体叶轮的加工刀具位置全局刀具干涉。

在光顺刀轨端程序，提高加工表面质量。

如图6所示，为该型叶轮的特殊要求，空白，需要叶片精加工程序段，0%至48%叶的特点，45%到90%，88%和100%进行精加工，采用准2球头铣刀精加工面积的88%和100%，转轮叶片的铁路连接过渡到叶根圆角R1之间叶片特征。

图6叶轮叶片精加工分段刀轨
4 加工过程仿真与验证
为提高整体叶轮的加工程序组，与给定的机器和模具的组，在VERICUT平台和加工程序加工过程的可行性进行了验证。

如图7所示，完成6套整体叶轮的加工特征的加工组时的仿真结果，为一个单一的加工特征设置仿真加工时间约0.8H。

加工后的模型与叶轮理论模型对比，叶片型面各处误差均小于0.05mm，符合叶轮零件精度要求。

图7叶轮加工程序组仿真结果
5 结论
本文从对外加工叶轮的叶轮数控加工程序模块分类思想和一般叶轮数控加工中引入思想编程块的过程一定型叶轮的五轴数控加工工艺安排需求分析软件的总结，形成一套完整的叶轮加工方法。

最后，通过viricut平台下的仿真结果的处理、验证过程和模块划分的叶轮的方法的可行性和正确性。

参考文献
[1]陈光. 新型发动机的一些新颖结构［J］. 航空发动机，2011（1）：3～10
[2]任军学. 整体叶盘数控加工技术研究［J］. 航空学报.，2013，25（2）：205～208
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[4]李群，陈五一，单鹏，宋放之. 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［J］. 航天制造技术，2009（4）：40～44。