石小紅，宋 軍，李成友，姜年朝，，周光明，范利娟

(1總參六十所，江蘇 南京 210016;2南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

壓氣機(jī)是航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，它的主要功用是提高流過它的空氣總壓［1，2］。壓氣機(jī)一般由導(dǎo)風(fēng)輪和擴(kuò)壓輪組合而成［3，4］。壓氣機(jī)在高溫條件下工作，承受很大的靜載荷和動(dòng)載荷，導(dǎo)風(fēng)輪和擴(kuò)壓輪葉片必須保證很高的強(qiáng)度;為保證壓氣機(jī)在各葉輪通道內(nèi)獲得相同的空氣流速、壓力和溫度，葉片的長(zhǎng)度和角度必須達(dá)到很高的精確度;壓氣機(jī)各葉輪通道的氣流流動(dòng)狀態(tài)的差異，不僅會(huì)降低壓氣機(jī)的效率，而且還會(huì)使葉片產(chǎn)生振動(dòng)與折斷;為減小氣流摩擦損失，提高壓氣機(jī)的疲勞強(qiáng)度，壓氣機(jī)葉片表面必須光滑;壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅沿展向具有扭轉(zhuǎn)角，而且沿展長(zhǎng)葉片半徑也是變化的，壓氣機(jī)葉片的造型是根據(jù)空氣動(dòng)力規(guī)律設(shè)計(jì)的，并與葉片的強(qiáng)度和振動(dòng)計(jì)算密切協(xié)調(diào)，而且葉片工作部分的形狀要便于加工。這些特點(diǎn)決定了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)制造是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)之一。

由于壓氣機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能要求很高，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就要考慮空氣動(dòng)力特性。某渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)流程:1)先根據(jù)空氣動(dòng)力性要求設(shè)計(jì)出壓氣機(jī)初步結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型，在風(fēng)洞中進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修改，得到符合設(shè)計(jì)要求的壓氣機(jī)模型。2)運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)工程技術(shù)將油泥模型的外形精確地轉(zhuǎn)換為可分析和制造的電子模型。先利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)出模型表面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件(UG NX7.5)建立壓氣機(jī)的三維CAD幾何模型。用仿真軟件進(jìn)行強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)分析，利用UG NX7.5軟件的數(shù)控CAM加工模塊進(jìn)行數(shù)控加工仿真和設(shè)計(jì)。

1 壓氣機(jī)的逆向設(shè)計(jì)

逆向工程處理壓氣機(jī)數(shù)據(jù)的流程遵循“點(diǎn)—曲線—曲面—實(shí)體”的原則。

1.1 壓氣機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量

本文采用接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)繪出壓氣機(jī)油泥模型表面的數(shù)據(jù)。由于壓氣機(jī)零件形狀復(fù)雜，葉片扭曲度大，三坐標(biāo)測(cè)頭在垂直方向掃描無(wú)法一次獲得全部數(shù)據(jù)，如按傳統(tǒng)的測(cè)繪方法則要破壞油泥模型，但破壞模型后就無(wú)法保留原始數(shù)據(jù)，所以采用測(cè)頭多次多角度擺角的方法(相當(dāng)于五軸加工中心原理)測(cè)繪葉輪表面數(shù)據(jù)。

采用多角度多擺角的測(cè)繪方式，在測(cè)繪過程中發(fā)現(xiàn)如果用三坐標(biāo)測(cè)頭與葉片的接觸點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集則存在測(cè)頭的半徑補(bǔ)償誤差，葉片扭曲度越大的地方，補(bǔ)償誤差就越大。為解決多角度測(cè)量的球半徑補(bǔ)償誤差，采用了直接用測(cè)頭球心點(diǎn)測(cè)繪葉片作為采集數(shù)據(jù)，在測(cè)繪時(shí)取消了測(cè)頭的球半徑補(bǔ)償，在CAD建模時(shí)考慮測(cè)頭半徑補(bǔ)償方法。

1.2 模型的建立

選擇的曲線類型為精確通過點(diǎn)陣，在生成曲線以前對(duì)點(diǎn)陣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先處理，去除無(wú)序數(shù)據(jù)點(diǎn)，刪除無(wú)連接點(diǎn)和體外點(diǎn)。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來(lái)調(diào)整曲線［5］?？刂泣c(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線光順。通過點(diǎn)陣數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)體抽取面的流道曲線并進(jìn)行修改和光順處理，葉片曲線為精確通過點(diǎn)陣的3階樣條線。延伸曲線生成葉片與流道和包覆面的相交線。

根據(jù)壓氣機(jī)的產(chǎn)品特點(diǎn)，壓氣機(jī)的大小葉片，包覆面和流道曲面必須準(zhǔn)確，但是在壓氣機(jī)的CAD數(shù)模建立后進(jìn)入CAM數(shù)控加工設(shè)計(jì)時(shí)，曲面必須為光順曲面，否則在CAM計(jì)算和實(shí)際加工時(shí)，不利于刀軌的導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)和刀軸擺動(dòng)。因此本文用點(diǎn)陣直接生成曲面，通過蒙皮、掃掠、四個(gè)邊界等方法生成曲面。由于壓氣機(jī)的葉片是一個(gè)帶傾角后彎式大扭角的復(fù)雜扭曲面，在建構(gòu)曲面時(shí)曲面對(duì)象不是簡(jiǎn)單地建造一張曲面，而是由多張曲面經(jīng)過延伸，過渡，裁減等混合而成，因而要分塊構(gòu)造。

把創(chuàng)建的曲面經(jīng)過曲面縫合，陣列，布爾運(yùn)算，倒角等實(shí)體造型功能后，最終生成壓氣機(jī)的實(shí)體CAD幾何模型，如圖1所示。

圖1 壓氣機(jī)三維實(shí)體幾何模型

1.3 強(qiáng)度校核和固有頻率計(jì)算

把建立實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，生成有限元模型，在壓氣機(jī)與主軸連接的孔面上施加固定約束，整體施加轉(zhuǎn)速載荷和溫度載荷。計(jì)算結(jié)果如圖2所示，壓氣機(jī)最大應(yīng)力約為284 MPa。

圖2 壓氣機(jī)應(yīng)力分布

振動(dòng)問題是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)需要考慮的動(dòng)力學(xué)之一，壓氣機(jī)故障絕大多數(shù)是由于振動(dòng)所引起［6，7］。本文利用靜強(qiáng)度計(jì)算的有限元模型，計(jì)算出從0到1.2倍轉(zhuǎn)速下的整體壓氣機(jī)的固有頻率。模態(tài)計(jì)算時(shí)模型約束為將軸孔處的軸向及徑向位移限制為零，只有旋轉(zhuǎn)自由度，模型載荷為繞軸的旋轉(zhuǎn)速度。前20階固有頻率如表1所示。

2 壓氣機(jī)的數(shù)控加工

由于整體壓氣機(jī)的幾何形狀比較復(fù)雜，流道狹窄，葉片為復(fù)雜型面的扭曲面和直紋曲面且扭曲程度大，因此加工時(shí)軌跡設(shè)計(jì)的約束比較多，極易發(fā)生干涉碰撞，生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的數(shù)控加工軌跡時(shí)主要難點(diǎn)在于流道和葉片的加工，刀具空間、刀尖點(diǎn)位和刀軸方位的精確控制。

表1 壓氣機(jī)在0轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速(ω)下前20階固有頻率(Hz)

2.1 壓氣機(jī)數(shù)控加工的工藝規(guī)劃及準(zhǔn)備

毛坯(鋁合金鍛壓件)—數(shù)控車床車削壓氣機(jī)包覆面基本形狀回轉(zhuǎn)體—流道粗加工—流道二次開粗—大小葉片精加工—流道精加工—虛擬機(jī)床切削仿真—后處理輸出NC程序—機(jī)床實(shí)際加工。

毛坯體:數(shù)控車床車削壓氣機(jī)基本形狀回轉(zhuǎn)體為五軸加工中心毛坯，如圖3所示。

圖3 加工毛坯體

定位裝夾方式為:毛坯由中間孔定位軸定位，上面用螺母壓緊，定位軸安裝于機(jī)床工作臺(tái)上。

刀具選擇:選擇的依據(jù)主要是根據(jù)壓氣機(jī)的幾何形狀和加工材料。在流道尺寸允許的情況下盡可能選擇大直徑的刀具。粗加工刀具一般采用圓鼻銑刀。精加工采用錐度球頭銑刀，由于壓氣機(jī)流道狹窄，錐度有利于提高小直徑刀具的剛性，但錐度的大小需根據(jù)相鄰葉片的流道空間和葉片的扭曲程度決定，一般在1.5°～5°之間。本次加工采用了SANDVIK coromant專銑鍛鋁的專用刀具，夾持刀柄采用HSK熱縮刀柄。刀具裝刀長(zhǎng)度大于壓氣機(jī)進(jìn)口葉片高度。

2.2 加工軌跡設(shè)計(jì)

第一步粗加工流道。粗加工采用3+2加工方法，即在機(jī)床A軸、C軸旋轉(zhuǎn)一定角度后，再用固定軸的加工方法加工。采用的是型腔銑削Cavity Mill，根據(jù)流道和葉片扭度劃分加工區(qū)域并確定每個(gè)區(qū)域的刀軸方向即A、C軸方向。刀軸方向見圖4，圖中坐標(biāo)系Z軸方向?yàn)榈遁S方向。粗加工切削工藝參數(shù)見表2。

圖4 粗加工刀軸方向

表2 流道粗加工參數(shù)

第二步二次開粗(半精加工)流道。由于流道底部比較狹窄，前一把刀具無(wú)法完全進(jìn)入底部，為保證精加工時(shí)葉片和流道余量均勻，采用參考刀具方式進(jìn)行流道的二次開粗。工藝參數(shù)類似粗加工參數(shù)。

第三步葉片精加工。由于壓氣機(jī)為逆向設(shè)計(jì)，零件曲面為自由曲面，采用點(diǎn)銑法加工。使用可變輪廓銑Variable Contour加工方法，選擇整體壓氣機(jī)為加工幾何體，刀具導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)方式選用“曲面區(qū)域”Surface Area［8］，選擇一葉片作為驅(qū)動(dòng)幾何體，如果葉片的曲面質(zhì)量不高，則可以作一輔助導(dǎo)向面作為驅(qū)動(dòng)面。刀軸控制方式選用側(cè)刃驅(qū)動(dòng)Swarf Drive，其中側(cè)傾斜角Swarf Tilt Angle設(shè)置為5°。側(cè)傾斜角的設(shè)置與刀具的錐度、葉片扭度和流道的寬度有關(guān)。如果驅(qū)動(dòng)面和側(cè)傾斜角設(shè)置不合理，極易發(fā)生干涉或刀路無(wú)法生成。然后設(shè)置完整的切削參數(shù)、進(jìn)退刀方式和主軸轉(zhuǎn)速及切削進(jìn)給速率。切削工藝參數(shù)見表3。

表3 葉片精加工參數(shù)

第四步流道精加工。流道精加工采用可變輪廓銑Variable Contour加工方法根據(jù)壓氣機(jī)流道的特性，驅(qū)動(dòng)方式選用流線驅(qū)動(dòng)Streamline，選擇葉片流道根部流線為流曲線Flow Curve，輪轂上的參數(shù)線為交叉曲線Cross Curve。刀軸矢量采用插補(bǔ)Interpolate方式，這種方式可以通過在指定的點(diǎn)定義矢量方向來(lái)控制刀具的擺動(dòng)角度，避免葉片加工過切。根據(jù)葉片扭度作出矢量控制線，添加或修改插補(bǔ)刀具數(shù)據(jù)點(diǎn)。在葉片扭曲度大時(shí)，定義的刀具矢量要足夠多使刀具在流道內(nèi)能合理擺動(dòng)，防止干涉，并使擺動(dòng)變得光順。流道刀軸矢量控制方向見圖5(箭頭方向)，切削參數(shù)見表4。

表4 流道精加工參數(shù)

圖5 流道刀軸矢量控制方向

2.3 刀路仿真及加工

對(duì)生成的刀路，應(yīng)用UG NX的仿真模塊對(duì)刀軌進(jìn)行仿真驗(yàn)證［9］，檢查干涉，過切等情況，并防止機(jī)床主軸在加工擺動(dòng)時(shí)銑刀主軸與工作臺(tái)的碰撞，防止機(jī)床意外損壞。圖6為正在對(duì)程序進(jìn)行切削仿真。

圖6 加工切削仿真

利用后處理器輸出五軸加工中心機(jī)床加工代碼傳輸?shù)綑C(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工。

3 結(jié)論

采用逆向工程方法，根據(jù)UG-NX軟件的CAD模塊強(qiáng)大的點(diǎn)、線、面、實(shí)體造型功能設(shè)計(jì)出某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī);基于NX軟件的CAM模塊的固定軸(mill_contour)、多軸加工(mill_multi_axis)編程模塊，設(shè)計(jì)了該壓氣機(jī)加工軌跡和生成NC代碼文件，加工制造出該壓氣機(jī)。設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性滿足設(shè)計(jì)要求，加工出的壓氣機(jī)葉片表面光滑，幾何尺寸精度保持較好，該壓氣機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。本文方法可以為其它復(fù)雜三維型面的零件的設(shè)計(jì)和制造提供借鑒。

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