摘 要

装备制造业是一国工业之基石，随着我国制造业的不断升级与发展，数控技术的不断进步，三轴联动数控加工已经普及，但是传统的三轴数控加工不能够解决一些复杂零件的加工，因此，需要引入四轴和五轴等多轴联动数控机床来加工。

随着航空航天技术的不断发展，为了满足发动机高速、高推重的要求，在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，以减少整体叶轮加工的成本。

叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是制造业中的一个重要难题。从叶轮的几何结构和工艺过程可以看出：加工叶轮时加工轨迹规划的约束条件多，相邻的叶片之间空间比较小，加工时容易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶轮的过程中不但要保证叶片表面的加工轨迹能满足几何准确性的要求，而且由于叶片的厚度有所限制，所以还需要在实际加工中注意轨迹规划以保持加工的质量。目前，我国大多数生产叶轮的厂家大多采用国外大型CAD/CAM软件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等 

关键词：叶轮；叶片；多轴数控加工；PRO/E；

Technological design and numerical control of impeller parts based on Powermill

Abstract

Equipment manufacturing is the cornerstone of a country，the equipment manufacturing industry is the cornerstone of a country along with the development of modern manufacturing and the continuous development of numerical control technology.Three axis CNC machining has been popularized.Therefore, the need to introduce four axis, five axis and other axis CNC machine tool machining.

With the development of aerospace technology, in order to meet the high engine speed, high thrust requirements, the new small engine designed many of the overall structure of the impeller. Select NC simulation technology for processing a variety, less demand, difficult process of integral impeller, reducing the overall cost of the impeller machining.

As a key member of the impeller power machinery, widely used in aerospace and other fields, and its manufacturing process technology has been an important topic. From the geometry of the impeller and the process can be seen: the processing constraints impeller machining path planning more, less space between adjacent blades, easy to produce interference when the collision process, automatically generates no interference is more difficult machining path . Therefore, in the process of working not only to ensure the impeller blade surface toolpath geometry to meet the accuracy requirements and restrictions due to the thickness of the blade, so we must pay attention in order to maintain the quality of the processing path planning in the actual processing. At present, the majority of our production impeller manufacturers to use more foreign large CAD / CAM software, such as UG NX, CATIA, MasterCAM etc.

Keywords: Impeller；Blade；Multi-axis CNC machining；PRO/E；

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1背景介绍 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文所需解决问题以及采用的手段和方法 3

1.4 课题的意义 4

1.5 数控的发展趋势 4

第2章 加工准备及工艺文件的编制 7

2.1定位基准的选择 7

2.1.1 粗基准的选择 7

2.1.2 精基准的选择 7

2.2装夹方案的确定 8

2.3五轴联动机床的选择 9

2.3.1双摆台五轴联动加工机床 9

2.3.2双摆头五轴联动加工机床 10

2.4机床夹具的选择 11

2.5刀具的选择及叶轮材料的选择 12

第3章 叶轮的编程过程 13

3.1数控编程工艺分析 13

3.2 编程过程 13

3.2.1 新建加工项目 14

3.2.2准备加工 14

3.2.3计算叶片正面3 2轴粗加工刀具直径 17

3.2.4叶片正面3 2轴粗加工仿真 21

3.2.5 计算叶片背面3 2轴粗加工刀具路径及仿真 21

3.2.6 计算叶片五轴联动半精加工刀具路径及仿真 22

3.2.7 计算叶片五轴联动精加工刀具路径及仿真 24

3.2.8 计算叶片根部五轴联动精加工刀具路径及仿真 26

结论 28

致谢 29

参考文献 30

附录A 32

1 绪论

1.1背景介绍

叶轮在国民经济尤其是全部重工业编制中占有十分重要的地位。其中燃气轮机已经广泛应用于航空、电站、舰船、导弹、坦克、重载机车等高端领域以及冶金、勘探、化工、土木等一般工业领域，因此有越来越多的人认为，燃气轮机的生产水平已成为权衡一个国家工业整体实力的首要标志之一。涡轮可以实现单电源，速度更高，运行可靠，燃料成本低，技术相对成熟，已在中心站和大型舰船主动力不可低估的作用。高可靠性也使得在冶金、化工行业更常见的汽轮机上的应用。同时随着航天航空领域的不断发展，叶轮作为重要的动力元件，其设计与数控加工技术一直是制造业重要的研究课题。

1.2国内外研究现状

早在20世纪70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。目前我国已有越来越多的厂家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、风扇飞机发动机涡轮等,目前都采用多坐标数控机床加工。叶轮加工的复杂性主要在于叶片的曲面造型复杂,其曲面根据成型原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面,而直纹曲面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。目前,航天、航空等部门较重要用途的叶轮都是由非可展直纹曲面和自由曲面(非直纹曲面)构成,必须采用四轴以上联动的数控机床来加工。根据叶轮的形状不同，通常采用两种方法加工数控机床。首先是点铣法，根据叶片流线逐步走的方向即用球头刀（加工刀片刀一般50到200次走刀），逐步处理叶片表面。这种方法通常用于自由曲面叶片，和通常在直线的一小部分的叶片，叶片。我国空间转子转子和风扇采用这一点加工的方法。以航天部某机器厂加工某型号叶轮为例,叶轮材料为钛合金。加工方法是将四轴机床铣床铣刀用于铣削的铣削机圆柱球头铣刀进行点铣加工。即从叶片顶部开始,沿叶片的流线方向,用球头刀的刀头部分对其进行切削,当其走刀行程加工完一侧的1条流线后,经过退刀及进刀后,切割工具将移动一定距离从车轮的方向，直到叶片加工，然后另一侧的切入。利用这种方法加工出的叶片能够较精确的符合叶片设计型面的要求,精度较高,而且加工走刀方向和设计流线方向相同,对叶轮运行时的动力性能有利。但其最显著的缺点为加工效率低下。而且,这种点铣的切削方式,只有刀具头部一点或一圈切削刃参加切削,刀具磨损严重,需要经常换刀及重磨刀具,生产成本进一步增加。第二类是侧铣法。即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面,它主要用于直母线型叶轮的加工上。我国增压器模型叶轮已采用此种方法制造。这种铣削方法比采用点铣法能显著改善叶片的表面粗糙度以及显著提高叶轮的加工效率。然而在国防工业中,由于侧铣加工有些问题，很少采用侧铣加工的方法。虽然非可展直纹面是非可展的,但它终究是由直母线沿导线扫描构成的。以直纹抛物面为例,就是直母线的一端以直线为导线,而另一端以抛物线为导线,扫描而成的。也就是说，在表面的分散，得到的曲面曲面的不同方向。它是利用大部分的叶轮表面为非直纹面发展的这一特点，国外许多公司已经开始使用四轴侧铣加工的整体叶轮叶片的叶片。其中世界上最出名的美国NREC公司提供的材料上就介绍了该公司生产的软件MAX5就能够实现为叶轮的四轴侧铣数控加工生成数控代码的工作。在该软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。用数控编程时进行的处理工作来避免理论切削误差。同时,软件中针对各类不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板,能够直接生成刀具轨迹,然后根据具体情况再进行调整,这样可以大量节省时间并且提高了生产效率。并且采用侧铣的方法加工,可以使刀具和工件的接触区域不集中于一点,从而减少了刀具的磨损,这两种方法都降低了生产成本、减少了工件表面粗糙度。在编程方面，一个极其重要的步骤便是叶轮的数控加工代码生成。目前大多数厂家都采用通用CAD/CAM 的商用软件来编写叶轮的数控加工程序。目前用得较多的程序有UGⅡ，CAMAND 等。采用这些软件编程有一些不足之处，由于这些通用软件并不是针对某一种特定的零件进行设计的，所以其功能繁多、界面复杂。输入参数后须经过多种步骤才能编写出程序，且需要多次反复编程，而且编程人员必须熟悉也轮的几何造型设计结构，同时还得用较多的时间学习去掌握通用软件的使用方法才能够编出理想的叶轮数控加工程序。

传统生产叶轮的修光一般在铸造成型后进行。这种方法难以确保叶片的精度和强度达到要求，叶轮的动平衡性能差。电火花加工叶轮的特点是能够制造出流道很窄的叶轮。但其加工生产效率极低，并且加工后的叶轮表面会产生再铸层，使其疲劳强度降低。上世纪70年代，人们改变了生产叶轮的制造工艺，开始采用石蜡精密铸造的方法，这种方法逐渐流传开来。这种方法可以达到很高的精度要求并且不需要任何专用加工设备。因此，在叶轮的批量生产中，这种生产发放仍被一些厂家使用。在这期间，一些厂家使用数控铣床铣的叶轮，由于数控技术当时的局限性，技术大多数都停留在三轴联动的水平上．生产出来的叶轮一般都不能够达到指定的精度要求。到了上世纪80年代，随着CAD／CAM及数控技术的不断进步发展，数控机床的价格直线下降，其应用也越来越普及，叶轮的数控加工逐渐得到了大家的关注。日本在叶轮的数控加工方面领先于大多数国家。在上世纪70年代，日本便使用四坐标的方法开始加工叶轮。在上个世纪中期日立造船有限公司，上田勋提出了微机系统的四坐标联动控制过程的离心压缩机叶轮的制备。该系统没有使用APT系统，价格相对较低，维修容易。^[11]