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基于UG二次开发的整体叶盘数控加工通道分析 |
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作者：郑立彦 卜昆 任军学 |
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引言
整体叶盘(Blisk-Bladed Disk)是20世纪80年代中期西方发达国家在航空发动机设计中采用的最新结构和气动布局形式，它具有三种典型结构：
(1)闭式整体叶盘(带箍)，
(2)开式整体叶盘(不带箍)，
(3)大小叶片转子(大叶片间含有小叶片的开式整体叶盘)，如图1所示。
与传统的叶片和轮盘装配结构相比，整体叶盘是把叶片和轮盘做成一体，省去了传统的连接榫头、榫槽和锁紧装置，从而使发动机结构大为简化，性能(主要是推重比)和可靠性进一步提高。因此，整体叶盘在某型飞机的发动机上得到了广泛应用。
图1 整体叶盘三种典型结构
整体叶盘结构复杂，精度要求高，加工难度大，而数控加工技术具有快速反应和高可靠性的特点，因此整体叶盘的制造目前大多采用数控加工的方法完成。由于整体叶盘通道具有叶片薄、弯扭度大、叶展长、易受力变形、通道深窄、开敞性差等特点，工艺人员在进行加工工艺设计时，很难确定选择几坐标的数控机床、刀具参数等，而加工方式和刀具参数选择不当，往往会导致刀具无法达到通道的某些区域，或刀轴与进刀方向选择不当，而导致刀具与通道约束面之间发生干涉碰撞的问题。本文正是结合整体叶盘通道数控加工的需要，从通道叶片弯扭度、宽度、深度3个方面考虑，评估叶片弯扭度、计算通道宽度、深度尺寸参数，并将其结果作为整体叶盘通道数控加工工艺设计的参考依据，保证加工工艺的合理性。
1 整体叶盘通道介绍
不同结构的整体叶盘通道各不相同。闭式整体叶盘通道是指由内轮毂、相邻两叶片的叶背面(叶盆面)与叶盆面(叶背面)组成的封闭区域，如图2所示；开式叶盘的通道是指由轮毂面、相邻叶片的叶背面(叶盆面)与叶盆面(叶背面)组成的半封闭区域；大小叶片转子的通道是由轮毂面、相邻大(小)叶片的叶背面(叶盆面)与小(大)叶片的叶盆面(叶背面)组成的半封闭区域。
图2 闭式整体叶盘通道及组成
2 实现方法
2.1 基于UG二次开发
UG(unigraphics)软件是目前国际、国内应用最为广泛的大型CAD/CAE/CAM集成化软件之一，它功能强大，涵盖了从设计、分析、加工、管理等各个领域，现已广泛地应用于汽车、航天航空、机械和模具等行业。同时，UG也提供了强大的二次开发能力，可以进行不同层次用户不同需求的二次开发。UG提供了UG/Open GRIP和UG/Open API两种二次开发工具，可以通过编程调用UG的全部功能。UG/Open GRIP是一种类似于FORTRAN语言开发的工具，UG/Open API是一种C语言或C++开发工具。由于C语言的广泛应用和良好的特性，本文采用UG/Open API方式。
2.2 通道叶片弯扭度评估
叶片的弯扭度可以直观反应叶盘通道的开敞性，从而估计通道加工的难易程度，制定加工工艺。通道开敞性越好，越易加工，反之越难加工。本文提出用叶片的弦矢量与叶盘轴线(YC轴)的夹角最值来进行弯扭度评估。
首先选择待分析通道任一叶片的进气边、出气边，将两者离散为相同数目的点，每两个对应点作一条矢量线段，即为弦矢量，计算该矢量的模，即为弦长大小；计算整体叶盘在YC轴方向的高度，作一条与YC轴平行的、模的大小为该高度的矢量线段；最后计算每条弦矢量与该矢量线段所形成的夹角并比较大小。如图3所示，P1、P2分别为进气边与出气边上的对应点，a为对应的弦矢量，│a│为弦长大小，b为与YC轴平行的矢量线段，│b│为叶盘在YC轴方向上的高度。利用公式(1)、(2)得到每一个角度并比较，即可获得最大、最小角度。最大角度越小，叶片的弯扭度就越小，从而形成的通道开敞性就越好，根据实际数控加工经验，当最大角度超过45°时，通道开敞性较差，数控设备通常无法从通道一端完成整个通道和叶片的加工，需通过区域搭接、对接加工才能加工完整的通道。
图3 叶片弦矢量与YC轴夹角
2.3 通道分析区域划分
闭式整体叶盘通道两侧边界为弯扭度很大的薄壁叶型曲面，通道两端还受到内、外表面的约束，数控设备通常无法从通道一端完成整个通道和叶片的加工，须将闭式整体叶盘的整个通道合理地划分为多个区域，通过区域搭接、对接加工才能加工完整的通道，如图4所示；开式整体叶盘叶片的进、出气边形状弯扭，圆弧又太小，加工过程中刀具倾斜得很厉害，刀轴变化非常剧烈，极易发生刀具与叶盘的干涉现象；大小叶片转子通道呈“倒梯形”，且在内部被小叶片分割成多个分叉的狭窄子通道，加工时刀杆与大小叶片间的干涉因素明显增多。因此，在数控加工中，须对整体叶盘通道加工区域划分以避免上述情况的发生，在通道分析中，就需要根据划分的加工区域对通道的特定区域进行分析。利用UG/Open API函数将通道表面参数化，用户通过对话框输入U、V参数划分通道不同的分析区域，与图4对应的分析区域划分如图5所示。整体叶盘通道的尺寸参数计算是在此基础上进行的。
2.4 通道宽度尺寸参数计算
在现代数控加工中，数控机床的刀具已不是普通机床所采用的“一机一刀” 的模式，而是多种不同类型的刀具同时在数控机床的刀盘上(或)主轴上轮换使用 ；同时由于整体叶盘结构复杂，加工精度要求高，尤其是叶片工作表面为空间自由曲面，形状极其复杂，极易发生干涉。因此，需对对整体叶盘通道的几个重要宽度尺寸参数做出估算，为整体叶盘通道特定区域的加工提供刀具选择依据。
根据数控加工需要，本文提出以下宽度尺寸参数分析项：通道最大宽度、最小宽度、出口宽度、入口宽度。
通道最大、小宽度是指在特定区域中，叶背(盆)面与相邻叶盆(背)面间的最大、最小距离。其算法是选择待分析通道的叶背面(或叶盆面)，利用2.3节所述方法划分分析区域；通过对话框输入U、V向离散点个数，离散点的个数直接影响到计算精度，离散点个数越多，精度越高，但点数过多时会影响计算速度，一般设置为20*20；计算每个离散点到相邻叶盆面(或叶背面)的距离并比较，最大者即为通道某一分析区域内的最大宽度，最小者为最小宽度。
入口、出口是指在通道内分别靠近进气边、出气边的区域。在数控加工过程中，刀具进退刀时总要经过此区域，若刀具选择不当，极易在此发生干涉。因此，对通道的最大入口宽度、最大出口宽度的估算是非常重要的。
最大出口宽度的算法实质是计算待分析通道某一叶片的进气边到相邻叶片的最大距离。选择任意叶片叶背(盆)面的进气边，将其离散成点，计算每个点至相邻叶片叶盆(背)面的距离并比较，最大者为出口宽度。
与最大出口宽度相似，最大人口宽度算法是计算任一叶片的出气边到相邻叶片的最大距离。选择任意叶片叶背(盆)面的出气边，用上述方法将其离散成点，计算每个点至相邻叶片叶盆(背)面的距离并比较，最大者为出口宽度。
2.5 通道深度尺寸参数计算
由于整体叶盘两端受叶片、轮毂面等的约束，在加工时，刀具长度选择得不当极易引起干涉，或刀具到达不了通道的某些区域，因此，需对叶盘通道深度尺寸参数作出估算，为加工通道选择刀具长度提供依据。对此本文提出的算法是选择待分析通道的任一叶尖线，将其离散成点，计算每一个离散点与对应叶根线之间的距离并比较，最大距离即为此通道的最大深度。根据数控加工经验，实际选择的刀具长度值应在最大深度值的基础上加10mm。
3 应用实例
以闭式整体叶盘通道为例。叶片分析区域U、V向均为0～100％，离散点个数设置为20*20，共400个点，计算结果如图6所示。
图6 整体通道计算结果
从以上通道分析计算结果来看，此通道的最小宽度为13.7mm，加工此通道时工艺人员选择的刀具直径理论值应不超过13mm，基于安全因素考虑，刀具直径应不超过11mm；叶片弯扭角度范围在55.8°～37.8°，最大角度超过45°，通道开敞性较差，应通过区域搭接、对接加工加工完整的通道，因此需进行通道加工区域划分，再根据加工区域进行通道分析区域划分，最后在此区域内计算尺寸参数，如将分析区域设在通道叶片上，设U向为0～30％，V向为0～100％，离散点个数设置为20*20，共计400个点，计算结果如图7所示，加工此区域时，工艺人员选择的刀具直径理论值不应超过14mm，实际值不应超过12mm。通道入口宽度在90.8 ～24.95mm，以上值均范围满足通道入口、出口宽度范围，在进退刀时不易发生干涉；为加工完整通道，刀具长度理论值不应小于103.19mm，根据数控加工经验，实际值不应小于113.19mm。以上计算结果经过实际数控加工过程检验，有效地避免了干涉现象，提高了数控加工效率。
图7 通道特定区域计算结果
4 结束语
本文根据整体叶盘通道实际数控加工经验及实际需求，分析整体叶盘通道特点，从通道叶片弯扭度、宽度、深度三个方面考虑，在划分加工区域的基础上，评估叶片弯扭度，计算通道宽度、深度尺寸参数，其计算结果为整体叶盘通道数控加工的刀具选择、工艺制定提供了参考依据。经过数控加工实际检验，本文所述方法实用可行，对整体叶盘通道的数控加工有一定的参考价值。
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(2/21/2012) |
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