整体叶片盘的四轴联动数控加工

0 引言

　　某型号发动机是我国自行设计和研制的，其中有许多零件为复杂曲面零件，例如整体叶片盘和离心叶轮，而它的第三级叶片盘是其中最复杂的一个。对于它的加工，关键在于‘已的叶片利面及型面之问流道的加工。叶片型面和流道的加.〔需要四轴以上的数控机床，它的加工精度取决于驱动加工的数控程序(NC程序)以及加工用的刀具的性能和质量。该零件一直使用仿形出来的数控加工程序。在四轴联动数控铣床上进行加工结果是，加工出来的零件表面质最差，叶片型而的轮廓度总是达不到设计的要求。我们也曲经试图利用先进的计算机软件(CAD/CAM软件)来完成该项工作，购买厂UG18.0软件，但是经过多次实验，都没有达到预定的目标，在试验加工过程中总是出现干涉间题卜所以UG18.0也不能解决该零件的四轴联动加工程序编制问题。

　　以前，该型号发动机的叶片盘、从第一级叶片盘到第三级叶片盘，其数控加工程序都是由研究所提供原件，然后装夹在车间的双轴靠模铣床(DT2)上，利用机床的仿形功能，通过仿形头沿着母体(研究所提供的原件)的型面，在一定的人为控制下仿制而成。

　　在模板或原件的基础上,应用仿形头(仿形头要求与加工时用的刀其的形状和结构一致)，山仿形头所走的轨迹(坐标点)，即是加工零件时刀具的轨迹(刀位点)。在仿形过程中，为了避免仿形头与相邻叶片的千涉、必须设定合适的控制参数，然后，将仿形头所走的坐标点储存在机床的硬盘里，并以文件的格式存在，这样就获得了加工零件所需的数控程序。但要得到高质量的数控加工程序，需要具备以下条件:

　　1)要求仿形川的原件(模板或母体)的质量很高。如果所提供的毋体本身就有一定的缺陷，这样山它遗传下来的后代不可避免地会产生一些先天性的毛病。比如母体的表面质量粗糙，表面凹凸不平。又如，母体的各界面的形状本来就没有达到设计的要求，经仿形后，加工出来的零件母体的形状遗传到子体身上。

　　2)要求仿形过程中严格控制仿形头的步距。如果仿形头仿形步距较大，加工出来的表面质最也比较粗糙。

　　3)箭要有性能好的刀具，刀具的耐磨性能对叶片叶型的精度影响很大。

　　如果以上几个方面都达不到，再加f机床和环境的影响，在仿形过，没有严格控制仿形的质景，仿形出的程序很粗糙.所以山仿形程序加工的叶片盘的表面很粗糙，而且各截面的轮廓度也达礴福到设计要求。

　　综上所述，仿形永远也达不到原件的水平。仿形程序一旦确定，如果在加工过程中出现质录问题，也无法通过调锥程序来解决。为了满足现代产品日新月异的需要和达到设计要求，可采川世界领先的CAD/CAM软件，如UG18.0。

1 第三级叶片盘数控加工分析

　　在三类叶片盘中，第三级叶片盘是最复杂的一种，其零件模型如图1所示。叶片之间的流道很窄，最窄处仅有6.0mm。这样，要求加工时用的刀具直径比较小，给加工带来很大的困难。同时，叶片盘的材料为难加工的钦合金。叶片盘的叶片型面由一系列确定的截面构成，设计给定各截面上的一系列点的坐标，通过这些坐标点依次做出各截面线，再通过各截面线生成举升曲面。该曲面为不规则曲面，并且曲面从上到下扭曲，且扭曲没有一定的规律。这样的曲面加工只能用铣刀用点接触的方式加工，即在加工过程中，刀具与零件面只有一点接触。刀具到位点之间的距离直接影响叶片表面的粗糙程度。

　　叶片盘叶形的加工步骤分为粗加工和精加工。粗加工选用切削性能好的玉米铣刀，去除大部分的加工余量。由于叶片的扭曲，玉米铣刀能摆动的角度很小，因此粗加工不能保证叶片的余量均匀。为了保证精加工的余量比较均匀，需要进行半精加工。半精加工用小直径锥铣刀。为了避免刀具在加工过程中产生干涉，有效地增大刀具的摆动角度，我们在精加工叶形时，选用鼓形铣刀，最后用锥铣刀加工流道底部和清根。

2 鼓形铣刀加工算法确定　　用球头铣刀。用球头铣刀加工时，编制数控加工程序的算法比较简单，计算量少。一般计算过程如下:首先得到叶片曲面上各点的三维直角坐标(X,Y,Z)和矢量坐标(I,J,K)，然后根据刀具半径，计算得到球头刀刀心的坐标值。

　　最后，利用刀具的摆角刀，将球心坐标进行旋转变换，得到刀位点的坐标值(X,Y,Z,β)。

　　以上方法仅适用于球头铣刀，因为球头铣刀绕球心旋转时，球头上总会有一点与零件面接触。

　　对于鼓形铣刀，当刀具绕刀心摆动角β比较大时，刀具上可能没有点与零件面接触，而且随着摆角的增大，刀具离零件面的距离会增大。

　　为了使刀具摆动过程中不偏离零件面，可用如下方法解决:

　　将零件型面上点的直角坐标(X,Y,Z)和矢量坐标(I,J,K)同时旋转摆角a，得到(X1,Y1;Z1，I1,J1,K1)，然后将I1，J1投影到水平面(XY平面)，得到I2 ,J2，最后计算得到刀位点的坐标。

3 第三级叶片盘加工程序编制

　　1)用UG软件强大的造型功能，造出汗卜片盘的实体模型

　　根据研究所提供的原始数据点即三维坐标点，做出样条曲线，然后进行光顺处理，使截面线的曲率变化有一定的规律。最后，通过样条曲线建立扫描曲面。通过观察和分析叶形曲面，得到叶片之间流道的最小距离以及刀具的最大摆动角度。

　　2)获取刀位原始数据

　　利用UG18. 0中的加工模块，得到加工曲面的刀位原文件(.d。文件)，其中包含有曲面上各点的坐标X,Y,Z以及它的矢量I,J,K。

　　3)数据分析

　　为了确定刀具的摆动角度，首先对曲面上点的矢量情况进行分析。在一定高度的截面上，分别取叶盆和叶背数据一组进行分析。根据曲面上点的分布规律，得到各点的原始刀位角度。

　　4)数据处理过程

　　程序生成过程中主要环节为数据处理。首先，在获取叶形曲面的等距坐标点时，将整个叶形分为4个小部分，包括叶片两边缘的圆弧转接段和圆弧之间的比较直的两段。因为每小块曲面的变化情况不同，在处理过程中也需将它们分别对待。通过分析刀位数据，发现在同一小曲面片里面，它的变化有一定的规律。根据所得到的变化情况，确定叶片型面各点的原始刀位角度(1}然后，根据刀具的参数作一定的调整，得到各点的实际刀位角度。分别处理各曲面片后，再将各部分组合起来，形成可适用的加工程序。

4 结论

　　新编程序经过试加工，并计量叶片型面，结果达到设计要求。通过这次编程实践，解决了三类叶片盘的四轴联动加工程序编制问题，为复杂曲面的四轴联动加工程序编制提供了新的思路。