航發壓氣機葉片的加工仿真分析

田國富，韓明珠，趙桐

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 前言

壓氣機是航空發動機的核心部件。工作時，流過壓氣機的空氣被壓縮，可獲得較高壓力的空氣，滿足發動機工作時的需求。被壓縮后的空氣也可以為座艙增壓、渦輪散熱和其他發動機的啟動提供來源。航發壓氣機葉片結構比較復雜，其葉身為空間復雜曲面，目前大多采用五軸加工中心、磨削和鍛壓等方式來加工。

國內外許多專家、學者對壓氣機葉片的虛擬加工仿真進行了研究。李洪祥、高俊璽在VERICUT軟件環境下，以透平葉片為對象，對五軸加工仿真進行了研究；余凌國采用分步電解加工方法，研究了航空發動機復雜扭曲葉片的加工；李泉對葉片全型面微觀加強筋進行研究，提出了一套合理有效的縱向砂帶磨削軌跡方法；吳仁杰結合某大型葉片的進水邊，研究了基于機械臂的較難加工部位的銑削加工工藝；胡曉強研究了鈦合金薄壁葉片的加工方法，并以切削力和切削厚度為指標對NC程序進行了優化。以上研究成果取得了一定的成效，但目前對如何進行加工參數優化的研究較少，尚未能對實際加工有所指導。

1 葉片加工工藝分析

1.1 加工分析準備

合理制定加工路線是重要的環節。切削加工過程中刀具刀位點相對于工件的運動軌跡稱為加工路線，不僅包括加工工序的內容，也反映加工順序的安排，是編寫加工程序的重要依據。

葉片的主要組成部分為榫頭、葉根圓角、進氣邊、排氣邊、葉盆和葉背，屬復雜曲面類薄壁零件。在銑削較薄材料時，為減小刀具和工件的震動，可采用細齒銑刀。此外，切削參數的選用對加工質量也具有重要影響，應根據加工條件適當選取?？紤]以上情況，航發壓氣機葉片的加工銑刀均為4齒(即刃數為4)，選擇順銑方式。

1.2 制定葉片的加工工藝

榫頭部分的粗加工采用型腔銑削加工方法，由于圓角的存在，為去除大量毛坯材料，應采用較大半徑的圓鼻銑刀，并且刀具圓角半徑的選擇應盡可能合理。在已經去除大量余料的前提下，半精加工采用固定輪廓銑削和深度加工輪廓方法，分別為加工相互垂直的兩面的方法，由于粗加工時刀具半徑較大，在兩側面弧形凹槽部位無法進刀，因此在半精加工中需要補充一道工序用來去除凹槽余料，選用球頭銑刀。精加工方法與半精加工相同，但應減小切削深度以保證加工質量。

加工葉身時，首先對葉片毛坯進行粗加工，葉片根部同樣存在圓角，在此情況下，刀具選用原則與加工榫頭一致。半精加工時，由于葉片型面為空間復雜曲面，需采用可變軸輪廓銑削方法進行加工，并設定沿著葉片型面的螺旋刀路，能夠保證加工后的葉片表面質量。葉身的精加工可延續半精加工的方式和方法，但要根據刀具半徑及銑削寬度等參數合理增加步距數，以完成葉片表面的精銑。

根據其尺寸及加工基本原則制定加工工藝，如表1、表2所示。

表1 葉片加工主要工藝參數(榫頭、葉片型面)

表2 葉片加工主要工藝參數(葉根圓角)

1.3 刀具路徑生成

根據制定的葉片加工工藝路線，在UG軟件中創建各工序并設定參數，經計算生成刀具路徑。葉片的加工主要用到固定輪廓銑削、深度加工輪廓和可變軸輪廓銑削，均屬于型腔銑類加工方法。

(1)創建加工毛坯。

(2)創建刀具。根據設定的加工工藝，分別添加每把刀具，輸入尺寸和形狀參數，并按順序添加刀具編號、補償寄存器和刀具補償寄存器編號，以幫助機床識別加工刀具信息。

(3)創建工序。在“幾何體”項目中分別設定設計部件和毛坯，并為其指定切削區域；在“工具”項目中指定工序所需的刀具；在“刀軸”項目中指定加工時的刀軸方向；在“刀軌設置”項目中，分別設定切削運動的詳細參數。

設定完成后，得到該段刀具路徑，若刀路不合理需再返回修改，直至刀路正確無誤，繼續創建下一道工序。通過此種方式，可以實現一次裝夾即可完成葉片榫頭所有面的加工；完成榫頭加工后，掉轉裝夾方向即可一次性完成葉片型面、葉根圓角以及底部平面的加工，最后生成葉片的半精加工和精加工刀路。葉片主要加工刀路如圖1所示。

圖1 葉片主要加工刀路

2 后置處理編寫與NC程序生成

2.1 機床運動數學模型

后處理的目的是通過坐標變換將刀位文件轉換成運動指令。加工葉片的機床選用Mikron_UCP800五軸機床，其運動為、、、、五軸聯動。其中，、、三軸為線性運動，、兩軸為搖籃式轉臺，其主要參數如表3所示。

表3 Mikron_UCP800五軸機床參數

數控機床的空間運動坐標變換可以借助于機器人的空間位姿變換D-H計算方法。在空間中，坐標系變換的具體內容如圖2所示。

圖2 空間坐標變換形式

五軸數控機床一般為、、三軸的線性運動和繞其進行的旋轉運動，分別對應為、、軸。將初始位置表示為(,,)，機床平動軸、、的初始位置表示為(,,)，用表示軸初始角度，表示軸的初始角度，工件坐標系中的刀軸方向表示為(,,),刀位點位置表示為(,,)，根據坐標變換推導出：

(1)

(2)

式中:

將其代入式(1)(2)中可得五軸后處理算法表達式，化簡后可得機床坐標位移計算公式

=(-)cos-(-)sin+

(3)

=(-)cossin+(-)coscos-(-)sin+

(4)

=(-)sinsin+(-)sincos+(-)cos+

(5)

=-arccos()

(6)

(7)

2.2 Mikron_UCP800五軸機床后處理定制

在后處理構造器中新建一個輸出單位為Metric(mm)的后處理文件，查閱機床手冊了解參數后，在后處理構造器中進行參數配置。

完成參數設定后，在程序中添加定制命令，分別對程序的開始序列、操作開始序列、換刀語句、刀軌設置、操作結束序列和程序結束序列進行定制，部分定制的程序序列如圖3所示。根據推導的坐標變換公式更改程序內容并對各變量進行賦值，為后處理添加了RTCP功能，并在程序結束序列加入加工總用時語句，即添加輸出加工時間功能，用于比較不同工序或加工方法的加工效率。

圖3 部分定制的程序序列

2.3 數控程序生成

定制后處理器編寫完成后，將第1.3小節中生成的刀具路徑分別進行后處理，可得到用于仿真實驗的數控程序，程序末端會生成加工時間“Total Machine Time:88.2 min”。部分NC代碼如圖4所示。

圖4 部分NC代碼

3 虛擬機床搭建與仿真實驗

3.1 虛擬機床搭建

應用Vericut軟件創建項目，并設定其單位為mm。在項目樹中設置hei530為控制系統，完成后打開設計的機床三維模型配置機床組件。

根據機床結構和各軸運動關系，依次添加各運動軸，并將“附屬”移動到軸下，構成依附關系，最后添加各組件對應的模型文件。

配置完成后，為方便區分，更改機床各部件為不同顏色，更改后機床結構如圖5所示。

圖5 Vericut中搭建虛擬機床

3.2 仿真參數設置

完成機床搭建后，需對仿真系統進行仿真參數設置才能進行仿真加工實驗。

(1)設置、旋轉軸屬性，并導入夾具及毛坯。添加之前設計并導出的夾具模型.stl格式文件。夾具設計與建模完成后，將模型文件導出。由于模型輸出時的參考坐標系原點將作為導入Vericut中的坐標系原點，因此其位置必須明確。采用相同方法添加毛坯模型。

(2)數控程序導入。在配置數控程序項中，將“數控程序類型”選擇為“G-code數據”，并輸入經后處理輸出的.ptp格式數控程序文件。

(3)設定程序零點。在坐標系統中添加csys，并將位置設定在葉片毛坯頂部中心，需保證與加工編程時設定相同。在G代碼偏置項中，設置工作偏置為從刀具到csys。

3.3 加工仿真實驗

各項參數設置完成后，開始仿真加工實驗，仿真過程如圖6所示。

圖6 葉片加工過程

葉片仿真加工時，每一把刀具的顏色都不同，加工面的顏色也與之對應。葉片的榫頭和葉身加工完成后，得到的仿真加工結果如圖7所示。

圖7 葉片仿真加工結果

仿真過程中虛擬機床和刀具嚴格按照既定數控程序執行運動，無撞刀、干涉情況出現，成功對葉片零件毛坯進行了虛擬加工，驗證了制定的加工工藝的合理性和后處理編制的正確性。加工的葉片實物如圖8所示。

圖8 葉片實物圖

4 結論

分析了航發壓氣機葉片的加工工藝，制定了工藝路線，并在UG中創建刀具，規劃了葉片的加工刀具路徑，完成了葉片的加工編程，解決了復雜曲面類零件無法手工編程的難題。計算了機床運動的數學模型，利用后處理構造器模塊定制了Mikron_UCP800五軸機床的后處理文件，對規劃的葉片加工刀路進行了后處理，生成了可用于五軸機床的數控程序。利用繪制好的機床組件三維模型，在Vericut軟件中搭建虛擬機床，并對葉片進行了五軸機床的仿真加工。

(1)在仿真加工環境下，可實時查看仿真加工過程中虛擬機床與零件的狀態，觀察刀具在切削過程與零件是否存在干涉、機床運動軸與零件是否發生碰撞等。

(2)虛擬加工能夠有效保護機床和刀具，可減少零件試切的成本和時間，提高了機床效能，節省了開發周期，為此類零件的實際加工提供了參考。

(3)在后處理文件中添加RTCP功能，通過后處理輸出的數控程序可查看零件的加工時間，方便與后期優化后的切削參數和加工工藝進行對比和分析。