石小紅，宋 軍，李成友，姜年朝，，周光明，范利娟

(1總參六十所，江蘇 南京 210016;2南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

壓氣機是航空渦噴發(fā)動機的重要組成部件，它的主要功用是提高流過它的空氣總壓［1，2］。壓氣機一般由導(dǎo)風(fēng)輪和擴壓輪組合而成［3，4］。壓氣機在高溫條件下工作，承受很大的靜載荷和動載荷，導(dǎo)風(fēng)輪和擴壓輪葉片必須保證很高的強度;為保證壓氣機在各葉輪通道內(nèi)獲得相同的空氣流速、壓力和溫度，葉片的長度和角度必須達到很高的精確度;壓氣機各葉輪通道的氣流流動狀態(tài)的差異，不僅會降低壓氣機的效率，而且還會使葉片產(chǎn)生振動與折斷;為減小氣流摩擦損失，提高壓氣機的疲勞強度，壓氣機葉片表面必須光滑;壓氣機葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅沿展向具有扭轉(zhuǎn)角，而且沿展長葉片半徑也是變化的，壓氣機葉片的造型是根據(jù)空氣動力規(guī)律設(shè)計的，并與葉片的強度和振動計算密切協(xié)調(diào)，而且葉片工作部分的形狀要便于加工。這些特點決定了壓氣機設(shè)計制造是渦噴發(fā)動機設(shè)計和制造的難點之一。

由于壓氣機葉片的空氣動力學(xué)性能要求很高，在產(chǎn)品設(shè)計之初就要考慮空氣動力特性。某渦噴發(fā)動機壓氣機設(shè)計流程:1)先根據(jù)空氣動力性要求設(shè)計出壓氣機初步結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型，在風(fēng)洞中進行吹風(fēng)實驗，然后根據(jù)實驗結(jié)果對模型進行反復(fù)修改，得到符合設(shè)計要求的壓氣機模型。2)運用逆向設(shè)計工程技術(shù)將油泥模型的外形精確地轉(zhuǎn)換為可分析和制造的電子模型。先利用三坐標測量儀測出模型表面點陣數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程軟件(UG NX7.5)建立壓氣機的三維CAD幾何模型。用仿真軟件進行強度和動力學(xué)分析，利用UG NX7.5軟件的數(shù)控CAM加工模塊進行數(shù)控加工仿真和設(shè)計。

1 壓氣機的逆向設(shè)計

逆向工程處理壓氣機數(shù)據(jù)的流程遵循“點—曲線—曲面—實體”的原則。

1.1 壓氣機點數(shù)據(jù)測量

本文采用接觸式三坐標測量儀測繪出壓氣機油泥模型表面的數(shù)據(jù)。由于壓氣機零件形狀復(fù)雜，葉片扭曲度大，三坐標測頭在垂直方向掃描無法一次獲得全部數(shù)據(jù)，如按傳統(tǒng)的測繪方法則要破壞油泥模型，但破壞模型后就無法保留原始數(shù)據(jù)，所以采用測頭多次多角度擺角的方法(相當(dāng)于五軸加工中心原理)測繪葉輪表面數(shù)據(jù)。

采用多角度多擺角的測繪方式，在測繪過程中發(fā)現(xiàn)如果用三坐標測頭與葉片的接觸點作為數(shù)據(jù)采集則存在測頭的半徑補償誤差，葉片扭曲度越大的地方，補償誤差就越大。為解決多角度測量的球半徑補償誤差，采用了直接用測頭球心點測繪葉片作為采集數(shù)據(jù)，在測繪時取消了測頭的球半徑補償，在CAD建模時考慮測頭半徑補償方法。

1.2 模型的建立

選擇的曲線類型為精確通過點陣，在生成曲線以前對點陣點進行預(yù)先處理，去除無序數(shù)據(jù)點，刪除無連接點和體外點。根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數(shù)目來調(diào)整曲線［5］?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線光順。通過點陣數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)體抽取面的流道曲線并進行修改和光順處理，葉片曲線為精確通過點陣的3階樣條線。延伸曲線生成葉片與流道和包覆面的相交線。

根據(jù)壓氣機的產(chǎn)品特點，壓氣機的大小葉片，包覆面和流道曲面必須準確，但是在壓氣機的CAD數(shù)模建立后進入CAM數(shù)控加工設(shè)計時，曲面必須為光順曲面，否則在CAM計算和實際加工時，不利于刀軌的導(dǎo)向驅(qū)動和刀軸擺動。因此本文用點陣直接生成曲面，通過蒙皮、掃掠、四個邊界等方法生成曲面。由于壓氣機的葉片是一個帶傾角后彎式大扭角的復(fù)雜扭曲面，在建構(gòu)曲面時曲面對象不是簡單地建造一張曲面，而是由多張曲面經(jīng)過延伸，過渡，裁減等混合而成，因而要分塊構(gòu)造。

把創(chuàng)建的曲面經(jīng)過曲面縫合，陣列，布爾運算，倒角等實體造型功能后，最終生成壓氣機的實體CAD幾何模型，如圖1所示。

圖1 壓氣機三維實體幾何模型

1.3 強度校核和固有頻率計算

把建立實體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，生成有限元模型，在壓氣機與主軸連接的孔面上施加固定約束，整體施加轉(zhuǎn)速載荷和溫度載荷。計算結(jié)果如圖2所示，壓氣機最大應(yīng)力約為284 MPa。

圖2 壓氣機應(yīng)力分布

振動問題是旋轉(zhuǎn)機械設(shè)計需要考慮的動力學(xué)之一，壓氣機故障絕大多數(shù)是由于振動所引起［6，7］。本文利用靜強度計算的有限元模型，計算出從0到1.2倍轉(zhuǎn)速下的整體壓氣機的固有頻率。模態(tài)計算時模型約束為將軸孔處的軸向及徑向位移限制為零，只有旋轉(zhuǎn)自由度，模型載荷為繞軸的旋轉(zhuǎn)速度。前20階固有頻率如表1所示。

2 壓氣機的數(shù)控加工

由于整體壓氣機的幾何形狀比較復(fù)雜，流道狹窄，葉片為復(fù)雜型面的扭曲面和直紋曲面且扭曲程度大，因此加工時軌跡設(shè)計的約束比較多，極易發(fā)生干涉碰撞，生成無干涉刀位軌跡較困難。在設(shè)計壓氣機的數(shù)控加工軌跡時主要難點在于流道和葉片的加工，刀具空間、刀尖點位和刀軸方位的精確控制。

表1 壓氣機在0轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速(ω)下前20階固有頻率(Hz)

2.1 壓氣機數(shù)控加工的工藝規(guī)劃及準備

毛坯(鋁合金鍛壓件)—數(shù)控車床車削壓氣機包覆面基本形狀回轉(zhuǎn)體—流道粗加工—流道二次開粗—大小葉片精加工—流道精加工—虛擬機床切削仿真—后處理輸出NC程序—機床實際加工。

毛坯體:數(shù)控車床車削壓氣機基本形狀回轉(zhuǎn)體為五軸加工中心毛坯，如圖3所示。

圖3 加工毛坯體

定位裝夾方式為:毛坯由中間孔定位軸定位，上面用螺母壓緊，定位軸安裝于機床工作臺上。

刀具選擇:選擇的依據(jù)主要是根據(jù)壓氣機的幾何形狀和加工材料。在流道尺寸允許的情況下盡可能選擇大直徑的刀具。粗加工刀具一般采用圓鼻銑刀。精加工采用錐度球頭銑刀，由于壓氣機流道狹窄，錐度有利于提高小直徑刀具的剛性，但錐度的大小需根據(jù)相鄰葉片的流道空間和葉片的扭曲程度決定，一般在1.5°～5°之間。本次加工采用了SANDVIK coromant專銑鍛鋁的專用刀具，夾持刀柄采用HSK熱縮刀柄。刀具裝刀長度大于壓氣機進口葉片高度。

2.2 加工軌跡設(shè)計

第一步粗加工流道。粗加工采用3+2加工方法，即在機床A軸、C軸旋轉(zhuǎn)一定角度后，再用固定軸的加工方法加工。采用的是型腔銑削Cavity Mill，根據(jù)流道和葉片扭度劃分加工區(qū)域并確定每個區(qū)域的刀軸方向即A、C軸方向。刀軸方向見圖4，圖中坐標系Z軸方向為刀軸方向。粗加工切削工藝參數(shù)見表2。

圖4 粗加工刀軸方向

表2 流道粗加工參數(shù)

第二步二次開粗(半精加工)流道。由于流道底部比較狹窄，前一把刀具無法完全進入底部，為保證精加工時葉片和流道余量均勻，采用參考刀具方式進行流道的二次開粗。工藝參數(shù)類似粗加工參數(shù)。

第三步葉片精加工。由于壓氣機為逆向設(shè)計，零件曲面為自由曲面，采用點銑法加工。使用可變輪廓銑Variable Contour加工方法，選擇整體壓氣機為加工幾何體，刀具導(dǎo)向驅(qū)動方式選用“曲面區(qū)域”Surface Area［8］，選擇一葉片作為驅(qū)動幾何體，如果葉片的曲面質(zhì)量不高，則可以作一輔助導(dǎo)向面作為驅(qū)動面。刀軸控制方式選用側(cè)刃驅(qū)動Swarf Drive，其中側(cè)傾斜角Swarf Tilt Angle設(shè)置為5°。側(cè)傾斜角的設(shè)置與刀具的錐度、葉片扭度和流道的寬度有關(guān)。如果驅(qū)動面和側(cè)傾斜角設(shè)置不合理，極易發(fā)生干涉或刀路無法生成。然后設(shè)置完整的切削參數(shù)、進退刀方式和主軸轉(zhuǎn)速及切削進給速率。切削工藝參數(shù)見表3。

表3 葉片精加工參數(shù)

第四步流道精加工。流道精加工采用可變輪廓銑Variable Contour加工方法根據(jù)壓氣機流道的特性，驅(qū)動方式選用流線驅(qū)動Streamline，選擇葉片流道根部流線為流曲線Flow Curve，輪轂上的參數(shù)線為交叉曲線Cross Curve。刀軸矢量采用插補Interpolate方式，這種方式可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具的擺動角度，避免葉片加工過切。根據(jù)葉片扭度作出矢量控制線，添加或修改插補刀具數(shù)據(jù)點。在葉片扭曲度大時，定義的刀具矢量要足夠多使刀具在流道內(nèi)能合理擺動，防止干涉，并使擺動變得光順。流道刀軸矢量控制方向見圖5(箭頭方向)，切削參數(shù)見表4。

表4 流道精加工參數(shù)

圖5 流道刀軸矢量控制方向

2.3 刀路仿真及加工

對生成的刀路，應(yīng)用UG NX的仿真模塊對刀軌進行仿真驗證［9］，檢查干涉，過切等情況，并防止機床主軸在加工擺動時銑刀主軸與工作臺的碰撞，防止機床意外損壞。圖6為正在對程序進行切削仿真。

圖6 加工切削仿真

利用后處理器輸出五軸加工中心機床加工代碼傳輸?shù)綑C床進行實際加工。

3 結(jié)論

采用逆向工程方法，根據(jù)UG-NX軟件的CAD模塊強大的點、線、面、實體造型功能設(shè)計出某小型渦噴發(fā)動機壓氣機;基于NX軟件的CAM模塊的固定軸(mill_contour)、多軸加工(mill_multi_axis)編程模塊，設(shè)計了該壓氣機加工軌跡和生成NC代碼文件，加工制造出該壓氣機。設(shè)計的壓氣機強度和動力學(xué)特性滿足設(shè)計要求，加工出的壓氣機葉片表面光滑，幾何尺寸精度保持較好，該壓氣機已經(jīng)成功應(yīng)用于某小型渦噴發(fā)動機。本文方法可以為其它復(fù)雜三維型面的零件的設(shè)計和制造提供借鑒。

［1］ 彭澤琰.航空燃氣輪機原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000

［2］ 侯曉春.高性能航空燃氣輪機燃燒技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002

［3］ (蘇)г.C.斯庫巴切夫斯.航空燃氣渦輪發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1992

［4］ 黃治國，單鵬，王延榮.微型渦噴發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［J］.北京:航空航天大學(xué)學(xué)報，2004，30(3):206-209

［5］ UG自由形狀特征建模培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003

［6］ 宋兆泓主編.航空燃氣渦輪發(fā)動機強度計算［M］.北京:北京航空學(xué)院出版社，1988

［7］ 楊建.基于ANSYS的離心壓氣機葉輪振動特性分析［D］.大連理工大學(xué)，2011

［8］ UG NX數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006

［9］ UG多軸銑制造過程培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002