基于UG的叶轮数控加工仿真研究

李政平 马少荣

(中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江 哈尔滨 150066)

叶轮作为航空领域重要的动力部件，其加工工艺一直是行业内部一个重要的研究方向[1]。相比于传统零件，叶轮的结构更加复杂，工艺流程也更加繁琐，而叶轮的加工工艺将直接影响产品的加工质量，进而影响整机的动力性能和机械效率。随着机械制造行业的不断发展，机械加工行业的技术水平不断提高，并逐渐向数字化、集成化方向发展。仿真技术越来越多地应用在数控加工行业[2]。

为了满足发动机的动力需求，叶轮的叶片通常采用大扭角设计，其厚度普遍较低，刚度较小，因此在加工过程中极易发生叶片的变形[3]。与此同时大的扭转角度容易在加工的过程中产生干涉现象，增加加工的难度。在生产过程中，极易造成生产工具和加工零件的损坏[4]。因此在实际进行数控加工前进行仿真的研究，能够有效减少实际的加工试验，在仿真中避免叶轮在实际的数控加工过程中发生变形，干涉以及碰撞等现象的发生，从而极大地减少了浪费，提高了生产效率和产品质量，能够有效地控制成本，对叶轮的实际加工具有十分重要的意义。

1 整体叶轮的工艺

整体叶轮可以分成叶片和轮毂2部分。流体通过两个相邻叶片的流道实现所需要的动力特性。典型的叶轮结构如图1所示，叶片在叶轮轮毂面上，同时为了保证叶片与轮毂之间连接的强度，在叶片根部都设有过渡曲面。叶片的结果从功能上可以划分为吸力曲面、压力曲面以及包覆曲面。轮毂中心位置设置有与外界进行连接的叶轮盖和旋转轴。

图1 叶轮整体结构

根据叶轮结构的特点，可以确定叶轮的加工需要经过以下几部分的工艺流程：(1)毛坯件的车削加工；(2)旋转轴孔的钻削加工；(3)选择合适的加工刀具；(4)叶轮叶片的铣削加工；(5)叶轮加工完成后的后处理工作。

2 UG环境下叶轮数控加工的仿真

UG/CAM是整个UG系统的一个仿真模块，它以三维柱模型为基础，具有强大可靠的刀具轨迹生成方法以及各类加工手段的编程作业。通过使用该部分的功能，能够有效实现整体叶轮的加工过程[5]。

2.1 毛坯件的选择

由于叶轮工作的特殊性以及功能需求，叶轮加工材料需要具备强度高、塑性好、耐腐蚀等特点，因此可以采用铝合金材料作为叶轮的毛坯材料，通过UG软件的三维建模功能创建如图2所示的叶轮毛坯零件。

图2 叶轮毛坯模型图

2.2 加工刀具的选择

在零件的加工过程中每一道工序都需要进行粗加工和精加工，粗加工一般选用立式刀具或环形刀具，而精加工一般选用球头刀具。根据加工工艺的要求，需要在UG软件中创建6组刀具参数分别对应各工序的粗、精加工过程。

2.3 车削加工仿真过程

车削加工的目的在于将毛坯件加工至预定的尺寸，并根据实际需求加工至要求的表面粗糙度。在Ug软件中，选择毛坯为车削工件，旋转轮廓选择无，指定部件边界选择上面创建的曲线，随后选择前文所述的刀具创建车削工序，并点击生成按钮进行车削仿真，形成如图3所示的仿真过程。

图3 叶轮整体结构

2.4 钻削加工仿真过程

钻削加工的目的是为了加工叶轮的中心孔，使其能够与叶轮轴向配合。在Ug软件中首先进入钻削加工环境。然后选用相应刀具，指定车削后的零件创建工件，选择要加工的孔，指定循环参数并指定加工的深度。选择穿过地面，并点击确定进行仿真模拟。加工完成的零件如图4所示。

图4 钻削完成后的工件

2.5 铣削加工仿真过程

铣削加工是整个叶轮加工过程中最重要的组成部分。叶轮的叶片便是由该道加工工序制作完成，因此该部分也是本文的重点研究对象。叶片的形状不可能由普通的铣床进行加工，必须使用梧州以上的数控铣床进行加工，通过对该部分的仿真就不仅能够研究如何合理避免刀具与零件之间的干涉问题，保证加工的质量，而且能够提升数控编程技术。

相较于前2种工序的仿真，铣削加工的仿真过程较为复杂，首先进入UG的工作环境，进行叶片的三维建模过程。随后插入所要加工的曲面样条曲线，依次连接两侧端点及中间某两点形成的封闭曲线，并进行扫略，完成待加工叶轮的建模。随后进入加工模块，选择多轴叶片加工，选择前文所设刀具，并指定上一步完成的工件作为毛坯，设置刀具的进给路线，开始计算。待计算成功后，说明上述过程能够实现叶轮的铣削加工过程，点击确认按钮，开始仿真，即可得到叶片加工的粗加工、精加工以及叶根圆角的精加工仿真结果如图5所示。

图5 铣削完成后叶轮成品

3 结语

通过对航空领域所需要的叶轮结构的研究，确定了叶轮生产加工工艺流程的步骤以及方案。在UG/CAM模块中，针对叶轮加工的工艺流程创建了相应的毛坯件、刀具以及相关的加工流程，分别对叶轮进行了车削、钻削以及铣削加工的仿真研究。结果验证了叶轮加工工艺和工序的合理性，表明通过仿真进行数控加工方案的设计具备可行性。