摘 要

航空压气机整体叶轮是一种典型的难加工复杂曲面零件，具有叶片薄、曲率大，流道狭窄的特点，难加工主要体现在切削效率低，容易发生加工干涉等方面。本文以选定的带分流叶片的航空压气机整体叶轮为研究对象，在考虑其几何特征和材料性能基础上，确定了整体叶轮五轴加工工艺路线。在此基础上对其数控加工刀路轨迹进行了规划，最后进行了数控加工仿真。主要内容有以下几点：

根据整体叶轮的几何特征和材料性能确定五轴数控加工工艺路线，包括机床选型、毛坯和工装设计、刀具选择、加工余量和切削参数的确定等。

使用MATLAB软件编写了刀路轨迹长度计算程序，可以将UG中刀位CLS文件中的刀位点信息提取出来并进行刀轨长度计算，本程序作为规划刀路轨迹的一个工具，用来分析不同切削策略的刀轨长度并选择出最优方案。

基于UG/CAM平台对整体叶轮的刀路轨迹进行规划。在粗加工方面，采用3 2定轴粗加工和五轴粗加工两种策略生成刀路轨迹，分析了定轴粗加工两种切削模式的优劣以及五轴粗加工中不同分层方式产生冗余刀路的原因。在流道精加工方面，讨论了安全平滑刀轴矢量的建立和不同切削方向对刀轨长度的影响。完成整体叶轮全部刀路轨迹规划后将刀位文件进行后处理操作得到NC代码。

基于VERICUT构建MIKRON UCP-800五轴数控加工机床模型，并对整体叶轮的五轴数控加工进行了仿真，验证了刀路轨迹规划方案的可行性，生成数控加工仿真报告，并对加工误差进行了分析。

关键词：整体叶轮；五轴数控加工；刀路轨迹规划；加工仿真；加工误差分析

Abstract

The integral impeller of aviation compressor is a kind of typical difficult surface parts. It has the characteristics of thin blade, large curvature and narrow flow path. The difficult processing is mainly reflected in the low cutting efficiency and the easy processing interference. In this paper, the integral impeller five-axis machining process is determined based on the selected impeller of the air compressor with shunt blades as the research object, considering its geometric characteristics and material properties, and the path of the tool path is planned. Finally, the NC machining simulation is carried out. The main content of this paper are as follows:

According to the geometric characteristics of the integral impeller and the performance of the material to determine the five-axis CNC machining process routes, including machine selection, roughcast and fixture design, tool selection, machining margins and cutting parameters to determine and so on.

The tool path length calculation program is written by MATLAB software, which can extract the tool point information in the CLS file of the tool path and perform the tool nose length calculation. This procedure is used as a tool to plan the path of the tool path to analyze the different cutting strategy for the length of the toolpath and select the optimal solution.

Based on the UG / CAM platform, the tool path of the integral impeller is planned. The 3 2 fixed axis roughing and the five-axis roughing are used to generate the tool path. The advantages and disadvantages of the two cutting modes and the causes of redundant diversion in different layered methods in processing are analyzed. The establishment of the safe and smooth tool axis vector and the influence of different cutting directions on the length of the toolpath are discussed in the flow path finishing tool path. After the completion of the integral impeller all the knife path planning after the knife file after the post-processing operation NC code.

In this paper a MIKRON UCP-800 five-axis CNC machining machine model has been built based on VERICUT. And the five-axis NC machining of the whole impeller is simulated, the feasibility of the program planning scheme is verified.Then output the NC machining simulation report and analyze the machining error.

Keywords: Integral impeller; Five-axis NC machining; Tool-path planning; Machining simulation; Machining error analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究方法和工作内容 3

第二章 整体叶轮五轴加工工艺路线规划 4

2.1 整体叶轮结构分析 4

2.2 整体叶轮材料分析 4

2.3 整体叶轮数控加工工艺规划 5

2.3.1 机床选择 5

2.3.2 毛坯设计 6

2.3.3 夹具设计 6

2.3.4 加工阶段划分 7

2.3.5 加工余量的确定 8

2.3.6 刀具的选择 8

2.3.7 切削参数的确定 10

2.3.8 确定整体叶轮加工工艺路线 11

第三章 基于MATLAB的刀路轨迹长度计算 13

3.1 研究意义与方法 13

3.1.1 研究意义 13

3.1.2 研究方法 13

3.2 程序流程框图与代码 15

3.2.1 程序流程框图 15

3.2.2 关键程序代码 16

3.2.3 运行结果与验证 18

3.3 程序算法优化 18

3.3.1 优化方法 18

3.3.2 程序流程框图 19

3.2.3 程序关键代码 20

3.2.4 优化结果 21

3.4 MATLAB GUI 可视化程序编制和exe封装 21

第四章 基于UG的刀路轨迹规划及后置处理 23

4.1 流道粗加工 23

4.1.1 3 2定轴粗加工 23

4.1.2 五轴粗加工 26

4.1.3 流道粗加工方式的选择 31

4.2 叶片的半精加工和精加工 32

4.3 流道的半精加工和精加工 33

4.3.1 加工区域的划分 33

4.3.2 设置工序参数 34

4.3.3 平滑刀轴矢量的建立 35

4.3.4 铣削方向的选择 37

4.4 圆角精加工 39

4.5后处理生成NC代码 41

第五章 基于VERICUT的数控加工仿真 43

5.1 数控加工仿真流程 43

5.2 五轴机床的建立 43

5.2.1 机床模型的CAD建模 44

5.2.2 建立机床运动模型 45

5.2.3 添加控制系统 48

5.2.4 设置机床初始位置和换刀位置 49

5.2.5 设置行程极限 50

5.2.6 设置碰撞检查 51

5.3 添加刀具库 52

5.4 导入夹具毛坯和零件 52

5.5 导入NC代码 53

5.6 数控加工仿真 53

5.7 加工误差分析 55

5.7.1 实体比较 56

5.7.2 曲面比较 58

第六章 总结与展望 60

6.1 总结 60

6.2 展望 60

参考文献 62

致谢 64

附录A MATLAB 刀路轨迹长度计算GUI可视化程序源代码 65

附录B MIKRON UCP800 五轴加工中心机床参数 67

附录C VERICUT数控加工仿真报告 68

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

航空压气机整体叶轮是航空发动机的核心关键零部件，是一种典型的难加工复杂曲面零件。整体叶轮加工前的工艺规划、加工中的切削方式、加工后的表面质量和加工精度都对航空发动机的性能参数有着十分重要的影响^[1]。随着国防工业和航空工业的发展，整体叶轮的需求量日益增大，因此研究加工效率高，表面质量好的加工方法有着十分重要的现实意义。

整体叶轮的加工方法主要有数控铣削加工、电解加工、电火花加工、直接铸造等方法^[2]。电解加工应用范围很广，可以加工任何导电的材料，但加工的精度主要取决于阴极的精度和阴极与工件的间隙，而且阴极和夹具的设计周期往往很长。电火花加工能够加工流道很窄的叶轮，加工的精度比较高，但是在加工时电极消耗快，加工的成本很高且加工时产生的废气较多，污染严重。直接铸造的方法成本很低，加工的效率很快，但是加工完成后往往存在砂眼、缩孔等缺陷，加工的精度很低。数控铣削加工柔性较好，且加工的精度高，适用范围广，生产的周期较短，现在已经成为整体叶轮的主流加工方法。