基于UG的葉輪數(shù)控加工仿真研究

李政平 馬少榮

(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

葉輪作為航空領(lǐng)域重要的動力部件，其加工工藝一直是行業(yè)內(nèi)部一個重要的研究方向[1]。相比于傳統(tǒng)零件，葉輪的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，工藝流程也更加繁瑣，而葉輪的加工工藝將直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，進(jìn)而影響整機(jī)的動力性能和機(jī)械效率。隨著機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械加工行業(yè)的技術(shù)水平不斷提高，并逐漸向數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。仿真技術(shù)越來越多地應(yīng)用在數(shù)控加工行業(yè)[2]。

為了滿足發(fā)動機(jī)的動力需求，葉輪的葉片通常采用大扭角設(shè)計，其厚度普遍較低，剛度較小，因此在加工過程中極易發(fā)生葉片的變形[3]。與此同時大的扭轉(zhuǎn)角度容易在加工的過程中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，增加加工的難度。在生產(chǎn)過程中，極易造成生產(chǎn)工具和加工零件的損壞[4]。因此在實際進(jìn)行數(shù)控加工前進(jìn)行仿真的研究，能夠有效減少實際的加工試驗，在仿真中避免葉輪在實際的數(shù)控加工過程中發(fā)生變形，干涉以及碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生，從而極大地減少了浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，能夠有效地控制成本，對葉輪的實際加工具有十分重要的意義。

1 整體葉輪的工藝

整體葉輪可以分成葉片和輪轂2部分。流體通過兩個相鄰葉片的流道實現(xiàn)所需要的動力特性。典型的葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示，葉片在葉輪輪轂面上，同時為了保證葉片與輪轂之間連接的強(qiáng)度，在葉片根部都設(shè)有過渡曲面。葉片的結(jié)果從功能上可以劃分為吸力曲面、壓力曲面以及包覆曲面。輪轂中心位置設(shè)置有與外界進(jìn)行連接的葉輪蓋和旋轉(zhuǎn)軸。

圖1 葉輪整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)的特點，可以確定葉輪的加工需要經(jīng)過以下幾部分的工藝流程：(1)毛坯件的車削加工；(2)旋轉(zhuǎn)軸孔的鉆削加工；(3)選擇合適的加工刀具；(4)葉輪葉片的銑削加工；(5)葉輪加工完成后的后處理工作。

2 UG環(huán)境下葉輪數(shù)控加工的仿真

UG/CAM是整個UG系統(tǒng)的一個仿真模塊，它以三維柱模型為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)大可靠的刀具軌跡生成方法以及各類加工手段的編程作業(yè)。通過使用該部分的功能，能夠有效實現(xiàn)整體葉輪的加工過程[5]。

2.1 毛坯件的選擇

由于葉輪工作的特殊性以及功能需求，葉輪加工材料需要具備強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕等特點，因此可以采用鋁合金材料作為葉輪的毛坯材料，通過UG軟件的三維建模功能創(chuàng)建如圖2所示的葉輪毛坯零件。

圖2 葉輪毛坯模型圖

2.2 加工刀具的選擇

在零件的加工過程中每一道工序都需要進(jìn)行粗加工和精加工，粗加工一般選用立式刀具或環(huán)形刀具，而精加工一般選用球頭刀具。根據(jù)加工工藝的要求，需要在UG軟件中創(chuàng)建6組刀具參數(shù)分別對應(yīng)各工序的粗、精加工過程。

2.3 車削加工仿真過程

車削加工的目的在于將毛坯件加工至預(yù)定的尺寸，并根據(jù)實際需求加工至要求的表面粗糙度。在Ug軟件中，選擇毛坯為車削工件，旋轉(zhuǎn)輪廓選擇無，指定部件邊界選擇上面創(chuàng)建的曲線，隨后選擇前文所述的刀具創(chuàng)建車削工序，并點擊生成按鈕進(jìn)行車削仿真，形成如圖3所示的仿真過程。

圖3 葉輪整體結(jié)構(gòu)

2.4 鉆削加工仿真過程

鉆削加工的目的是為了加工葉輪的中心孔，使其能夠與葉輪軸向配合。在Ug軟件中首先進(jìn)入鉆削加工環(huán)境。然后選用相應(yīng)刀具，指定車削后的零件創(chuàng)建工件，選擇要加工的孔，指定循環(huán)參數(shù)并指定加工的深度。選擇穿過地面，并點擊確定進(jìn)行仿真模擬。加工完成的零件如圖4所示。

圖4 鉆削完成后的工件

2.5 銑削加工仿真過程

銑削加工是整個葉輪加工過程中最重要的組成部分。葉輪的葉片便是由該道加工工序制作完成，因此該部分也是本文的重點研究對象。葉片的形狀不可能由普通的銑床進(jìn)行加工，必須使用梧州以上的數(shù)控銑床進(jìn)行加工，通過對該部分的仿真就不僅能夠研究如何合理避免刀具與零件之間的干涉問題，保證加工的質(zhì)量，而且能夠提升數(shù)控編程技術(shù)。

相較于前2種工序的仿真，銑削加工的仿真過程較為復(fù)雜，首先進(jìn)入UG的工作環(huán)境，進(jìn)行葉片的三維建模過程。隨后插入所要加工的曲面樣條曲線，依次連接兩側(cè)端點及中間某兩點形成的封閉曲線，并進(jìn)行掃略，完成待加工葉輪的建模。隨后進(jìn)入加工模塊，選擇多軸葉片加工，選擇前文所設(shè)刀具，并指定上一步完成的工件作為毛坯，設(shè)置刀具的進(jìn)給路線，開始計算。待計算成功后，說明上述過程能夠?qū)崿F(xiàn)葉輪的銑削加工過程，點擊確認(rèn)按鈕，開始仿真，即可得到葉片加工的粗加工、精加工以及葉根圓角的精加工仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 銑削完成后葉輪成品

3 結(jié)語

通過對航空領(lǐng)域所需要的葉輪結(jié)構(gòu)的研究，確定了葉輪生產(chǎn)加工工藝流程的步驟以及方案。在UG/CAM模塊中，針對葉輪加工的工藝流程創(chuàng)建了相應(yīng)的毛坯件、刀具以及相關(guān)的加工流程，分別對葉輪進(jìn)行了車削、鉆削以及銑削加工的仿真研究。結(jié)果驗證了葉輪加工工藝和工序的合理性，表明通過仿真進(jìn)行數(shù)控加工方案的設(shè)計具備可行性。