基于五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的葉輪零件加工

趙晨

摘 要：航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的動力核心，其是工業(yè)設(shè)計(jì)、制造的集大成之作。航空發(fā)動機(jī)的葉輪是航空發(fā)動機(jī)中的重要組成部分，由于其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而對航空發(fā)動機(jī)葉面的加工提出了極高的要求。在航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工過程中主要采用的是五軸加工中心來完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪型面的空間加工。通過使用UG軟件完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪的建模分析以及對于五軸加工中心程序的編制，本文將在分析航空發(fā)動機(jī)葉輪特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對如何做好航空發(fā)動機(jī)葉輪加工工藝的編制進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；葉輪；加工

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

航空發(fā)動機(jī)葉輪對于加工有著嚴(yán)格的要求。由于航空發(fā)動機(jī)葉輪需要在高溫下長時(shí)間的工作，因此航空發(fā)動機(jī)葉輪所使用的材料無論是在硬度還是耐磨性等方面都有著極高的性能，在使用五軸加工中心來對航空發(fā)動機(jī)葉輪進(jìn)行機(jī)械加工的過程中需要結(jié)合航空發(fā)動機(jī)葉輪的特點(diǎn)完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪的建模，并結(jié)合航空發(fā)動機(jī)葉輪的材料特性來合理地選用刀具和加工進(jìn)給量，確保航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工質(zhì)量與加工效率。

1 航空發(fā)動機(jī)葉輪加工難度分析

航空發(fā)動機(jī)葉輪是典型的自由曲面零件，鑄造成型后修光是傳統(tǒng)的葉輪生產(chǎn)采用的方法。隨著設(shè)計(jì)理論的變化和性能的改變，葉輪工作面要平滑，當(dāng)葉輪的表面粗糙度較高時(shí)，容易造成葉輪的動平衡性能變差，偏心易壞，航空發(fā)動機(jī)葉輪形狀變得更為復(fù)雜，將為航空發(fā)動機(jī)葉輪的制造帶來極大的難度。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工所采用的磨削加工的方式不但使工人的勞動強(qiáng)度增大，生產(chǎn)周期長且航空發(fā)動機(jī)葉輪的生產(chǎn)效率較低。由于葉輪的工作轉(zhuǎn)速越來越高，航空發(fā)動機(jī)葉輪采用新型的高強(qiáng)度材料，這使得航空發(fā)動機(jī)葉輪更難加工。因此人們必須考慮采用其他方法來加工葉輪。五軸加工中心是一種高精度的空間幾何加工設(shè)備，同時(shí)五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分和基礎(chǔ)技術(shù)之一，將五軸加工中心應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工中將極大地提高航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工效率和加工精度，對于航空發(fā)動機(jī)葉輪復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)節(jié)也能夠更好地控制幾何加工精度。將我國的五軸加工中心廣泛應(yīng)用于航空、航天以及軍工等領(lǐng)域中對于提高相關(guān)設(shè)備的加工質(zhì)量有著極為重要的意義。五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展水平不僅僅是一 個(gè)機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，更是一個(gè)國家機(jī)械制造工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志 之一。

2 航空發(fā)動機(jī)葉輪數(shù)控加工工藝分析

航空發(fā)動機(jī)葉輪在工藝編制的過程中首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合葉輪自身特點(diǎn)和實(shí)際零件相關(guān)加工常用處理方法，按粗精加工工序劃分航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工流程，按照下述工序來完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工：工件工藝卡的編制—航空發(fā)動機(jī)葉輪加工刀具的選取—流道初加工—流道半精加工—流道精加工—頁根清根加工過—零件檢測。為確保航空發(fā)動機(jī)葉輪加工工藝，首先需要完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪的幾何建模，常用的幾何建模方法有實(shí)體模型、曲面模型和線框模型。葉輪的幾何建模是加工的基礎(chǔ)。運(yùn)用UGNX軟件來進(jìn)行建模，利用Matlab軟件分析截面以及應(yīng)用3次B樣條的具體算法進(jìn)行數(shù)學(xué)構(gòu)造分析。

完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪模型的建立后需要對航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工過程進(jìn)行模擬，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)葉輪的材質(zhì)對于航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械加工中可能引起的機(jī)械變形等進(jìn)行分析，同時(shí)還需要考慮其他影響因素對航空發(fā)動機(jī)葉輪加工精度所造成的影響，如加工刀具、加工進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和冷卻液型號的選取等等。針對航空發(fā)動機(jī)葉輪在機(jī)械加工中所引起的變形可以通過在航空發(fā)動機(jī)葉輪加工程序編制中對其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞絹硗瓿?，確保航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工質(zhì)量。完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪加工程序的編制后將生成前置刀位文件如圖1所示，轉(zhuǎn)換成具體機(jī)床所用加工程序的過程我們通常稱之為后置處理。后置處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸入、字符處理、運(yùn)動變換、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出5部分。對于一般相對較為簡單的機(jī)床可以通過UG自帶的POSTBUILDER接口進(jìn)行相關(guān)的文件處理，二復(fù)雜的五坐標(biāo)則需要通過自主編寫后置處理器，如圖2所示。程序的開發(fā)通過UG/OPEN接口采用C語言編寫。

結(jié)合現(xiàn)今五軸加工中心中所主流采用的西門子、海德漢數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的格式。完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪加工程序的編制后需要對其進(jìn)行模擬，用以確保航空發(fā)動機(jī)葉輪加工程序的合理性和準(zhǔn)確性。

3 航空發(fā)動機(jī)葉輪的檢測

航空發(fā)動機(jī)葉輪的檢測也較為復(fù)雜，在航空發(fā)動機(jī)葉輪的檢測過程中主要采用的是三坐標(biāo)測量機(jī)來完成對于航空發(fā)動機(jī)葉輪葉片型面的檢測， 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量原理如下：把被測物體放入工作空間，通過紅寶石探針，以密集檢測的方式測得被測型面上各點(diǎn)的幾何坐標(biāo)尺寸，三坐標(biāo)測量機(jī)自帶的軟件根據(jù)探針?biāo)杉降目臻g坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算來完成航空發(fā)動機(jī)葉輪型面尺寸的計(jì)算，求出航空發(fā)動機(jī)葉輪待測的幾何尺寸，形狀和相互位置。

在某型號的航空發(fā)動機(jī)葉輪檢測中主要是通過三坐標(biāo)三維點(diǎn)云的獲取，對測點(diǎn)及其測量位置進(jìn)行優(yōu)化處理。同時(shí)，在 Matlab 軟件中生成葉輪廓面法向誤差分布圖對零件測量出的誤差進(jìn)行了比較與分析，并以此外依據(jù)來對航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工程序進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工較為復(fù)雜，為確保航空發(fā)動機(jī)葉輪的幾何加工精度，需要通過不斷的工藝分析及改進(jìn)優(yōu)化，從而制定出完善、具體的航空發(fā)動機(jī)葉輪加工工藝流程并利用UG軟件建模與后置處理模塊的應(yīng)用，從而做好對于航空發(fā)動機(jī)葉輪具體加工程序的優(yōu)化，從而最大限度地確保航空發(fā)動機(jī)葉輪的加工質(zhì)量，在航空發(fā)動機(jī)葉輪幾何精度的檢測中可以采用多種檢測手段。其中采用三坐標(biāo)檢測方式，通過對航空發(fā)動機(jī)葉輪的幾何精度檢測為航空發(fā)動機(jī)葉輪程序的改進(jìn)優(yōu)化提供良好的檢測依據(jù)。

結(jié)語

通過在航空發(fā)動機(jī)葉輪加工中采用五軸加工中心將能夠有效地提高航空發(fā)動機(jī)葉輪的幾何加工精度和加工效率，通過建模、程序生產(chǎn)以及檢測優(yōu)化從而實(shí)現(xiàn)對于航空發(fā)動機(jī)葉輪加工質(zhì)量的有效提升。本文對五軸加工中心在航空發(fā)動機(jī)葉輪加工中的應(yīng)用進(jìn)行了分析介紹。

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