航空发动机整体叶轮的造型、数控加工仿真及工装设计（包括设计说明书、CAD图纸、外文翻译全套资毕业设计资料）

目    录

1    前言. 1

1.1 本文选题缘由. 1

1.2 国内（外）发展概况及现状的介绍. 1

1.3 本文所需解决问题以及采用的手段和方法. 3

1.4 本文研究成果及意义. 3

2    整体叶轮数据点的处理. 4

2.1 已知整体叶轮叶片上的数据点. 4

2.2 型面型值点数据的预处理. 5

3    整体叶轮的造型. 8

3.1 总体设计思路. 8

3.2 B样条曲线分析. 8

3.3 曲面的拟合. 9

3.3.1 一般直纹面及特殊直纹面. 9

3.3.2 直纹面造型的数学关系式. 11

3.3.3 特殊情况的处理. 12

3.4具体设计思路. 13

3.4.1叶片造型. 13

3.4.2 整体叶轮造型. 18

4   整体叶轮的数控加工仿真. 22

4.1 总体设计思路. 22

4.2 误差分析. 22

4.2.1 数学处理误差. 22

4.2.2 成形运动轨迹误差. 23

4.2.3 对刀误差. 24

4.2.4 加工间隙变动误差. 24

4.3 具体加工步骤. 25

5    整体叶轮的工装设计. 32

5.1 总体设计思路. 32

5.2整体叶轮的装夹、分度. 32

5.3 确定夹紧方式. 33

5.4 确定定位方案. 34

5.5 夹紧力的确定. 34

5.5.1 夹紧力的作用点. 34

5.5.2 切削力的方向. 34

5.6 计算夹紧力. 35

5.6.1 确定夹紧力时应考虑的计算系数. 35

5.7 夹具的主要元件. 35

5.7.1 夹具体. 35

5.7.2 夹具的连接元件. 35

5.8 工件在夹具中加工精度分析. 35

5.8.1 影响加工精度的因素. 35

5.8.2 保证加工精度. 36

6    总结和展望. 38

参考文献. 40

致    谢. 41

附件清单. 42

1         前言

1.1 本文选题缘由

    随着航空航天技术的发展，为了满足发动机高速、高推重的要求，在新型中小发动机的设计中大量采用整体结构叶轮。选择数控加工仿真技术，适合加工种类多、需求少、难加工的整体叶轮，减少整体叶轮加工的成本。本课题航空发动机上整体叶轮的造型、数控加工仿真及工装设计的研究来自某某航天发动机厂的研究任务。

1.2 国内（外）发展概况及现状的介绍

    通常在整体叶轮的设计图上给出的是叶片中性面上顶部和根部的两组数据点，包括顶部和根部的一系列离散数据点和对应点的叶片厚度值。本课题采用B样条方法对叶轮曲面进行造型。整体结构叶轮(图1－1)的应用可使航空发动机推重比、工作效率、寿命及可靠性大大提高，因此在各类新型发动机及大推力火箭发动机中应用愈来愈多，其加工质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影响，而其叶片的形状又是机械中最难加工的曲面构成的。因此，整体叶轮的加工一直是机械加工中长期困扰工程技术人员的难题。为了加工出合格的叶轮，人们想出了很多的办法。由最初的铸造成型后修光，到后来的石蜡精密铸造，还有电火花加工等方法。其中，也有的厂家利用三坐标仿形铣。但是这些方法不是加工效率低下，就是精度或产品机械性能不佳，一直到数控加工技术应用到叶轮的加工中，这些问题才得到了根本的解决。

图1－1 整体叶轮

叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。而且能否精确地加工出形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可展直纹面，完全可以使用非数控机床进行加工。而对于非可展直纹面和自由曲面(非直纹曲面)叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其加工出来。

由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶轮加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。

这些年发展起来的高速切削在叶轮叶片加工中已经广泛使用。Starrag公司提供的五轴、四轴叶轮叶片加工机床的最高转速可达5万转/分。实际生产中转速也常用到1万转/分左右。使用硬质合金刀具加工不锈钢普遍切削速度为150米/分。

在编程方面，叶轮的数控加工代码的生成也是一个很重要的步骤。目前多数厂家采用通用CAD/CAM的商用软件编制叶轮的数控加工程序。目前用得较多的有UGⅡ，CAMAND等。采用这些软件编程有不便之处，由于通用软件并非针对某一种零件设计，所以其功能繁多、界面复杂。输入参数后须经过许多步骤才能编出程序，且需多次反复，而且编程人员必须对叶轮几何造型很熟悉，同时用相当多的时间学习掌握了通用软件的使用方法才能编出叶轮数控加工程序。

也有部分工厂未采用通用软件，而是针对某一叶轮编制了专用程序，但现在情况多是使用面窄，使用性能也较差。例如，航天机电集团某厂所做风扇是使用早年北京邮电大学研制的程序，此程序还是DOS下所编制的，使用很不方便。航天机电集团三院某所的加工转子的软件也是在此基础础上改编的。

国际上有许多工厂与我国的情况类似，也采用通用软件编制叶轮数控加工程序。但一些先进的多坐标数控机床生产厂商(如STARRAG)及专业的叶轮加工工厂(如美国的NREC)都推出了专用于叶轮的数控加工软件包，如MAX-5，MAX-AB，STARRAG程序等。不采用通用的CAD/CAM软件有一系列的优点。这是因为专用软件的生产厂商通常都有多年的叶轮加工和数控编程的经验，软件中针对不同特征的叶轮设计了刀具路径模板。对于叶轮加工中最易出现的干涉问题，也有了充分的考虑。这些都是通用软件所不具备的。另外，这些软件通常集成性好，可以和设计结果和工艺设计直接相连。作为专用软件，界面更为简洁、重点突出，利于设计人员掌握。这些程序尽管编程性能优良，但所包含的工艺信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、转速表、进给率表等，而缺乏推荐的切削刀具与切削量，更没有如何减少加工变形的指南。

我国尚缺乏在这种专用于叶轮的数控加工的编程软件，国内少数工厂已经认识到专用软件的优越性，意欲引进。但国外索价昂贵。所以开发中国产权的叶轮数控加工软件迫在眉睫。

1.3 本文所需解决问题以及采用的手段和方法

整体叶轮采用了整体式结构，并带有复杂型面的扭曲叶片，因此增大了对叶片型面的加工和检测难度，目前一般利用三坐标测量机或专用测量样板来测量来检测整体叶轮的叶片型面误差。由于本文所利用的整体叶轮型面数据点是利用三坐标测量机测量采用精密展成电解法加工后的整体叶轮叶片的表面，故存在着一定的误差。本文所需解决的问题：曲面的确定，航空发动机整体叶轮模型的建立，航空发动机整体叶轮数控加工仿真结果，利用UG软件生成NC加工程序。

本文首先采用适当的数学方法对数据进行处理，研究曲面的加工方法，构造的曲面应保证曲面的连续性、光滑度，精度应符合要求，再用UG软件进行整体叶轮的造型、数控加工仿真，对曲面加工进行仿真，选择的加工方式，刀具以及走刀路径符合实际加工要求。生成的加工程序时，选择某一种数控加工系统进行后处理，生成加工的刀位文件。在造型中由于所给的数据存在着一定的误差，需利用B样条曲线和直纹面来进行拟合，使得整体叶轮大的叶片形状更接近理想的整体叶轮。数控加工一直是整体叶轮加工的难题，本文主要是仿真四轴联动的数控机床，使得通过后置处理的数控程序能够应用到数控机床中去。整体叶轮数控展成电解加工这一课题经过多年的研究探索，已取得了很大的进展，初步形成了进行整体叶轮加工的软、硬件条件，并进行了有关的工艺试验。但在整体叶轮加工的实用化方面做得还不够，要真正加工出符合要求的零件，在工艺方面还有许多要完善的地方，如夹具的设计。

1.4 本文研究成果及意义

根据已有的数据，利用UG软件得到整体叶轮的模型，并利用UG CAM生成数控加工程序，以及整体叶轮的夹具设计。整体叶轮的叶片曲面一直以来都是加工中的难点，通过此次的设计，经后置处理应用于数控机床上的程序代码，加工后的叶片的叶盆型面精度可达 0.1mm，叶背面由0.5mm的加工余量由后续抛光工序完成。并且此方法技术柔性好，生产率高，质量好，能够满足整体叶轮工作在高温、高压、高转速条件下，选用材料多为不锈钢、合金钢、耐热合金等难切削材料进行加工。

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