基于UG的整体叶轮加工工艺本科毕业设计.docx

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基于UG的整体叶轮加工工艺本科毕业设计

本科毕业设计

压气机叶轮加工工艺

压气机叶轮加工工艺

机械工程及自动化

2011级x班：

xxx指导教师：

xxx

摘要：

离心压缩机叶轮的加工是一个多轴数控加工中最常见的例子，现如今数控高速铣削加运用于整体叶轮加工的技术已经相对成熟，但多依赖于国外的软件。

本文主要介绍了压缩机叶轮的加工工艺过程、详细分析了叶轮的仿真全过程。

主要工作包括以下三个方面：

（1）本文根据实习公司实际的生产情况和研究需求，使用UG8.0软件进行压气机叶轮的工艺分析。

运用UG8.0加工模块的型腔铣、可变轮廓铣、叶轮加工等方法完成对叶轮加工的编程、仿真加工及后处理。

（2）压气机叶轮的主叶片、分流叶片呈不规则曲面状，在径向上随着半径的减小叶片的厚度越来越薄、相邻叶片流道越来越窄、叶片高度逐渐增加、叶片的曲率越来越大，这些无疑是整体叶轮加工的难点和重点。

因此，加工叶轮叶片时刀具与被加工叶片之间、刀具与相邻叶片之间及易发生干涉，导致在某些区域程序自动生成时没有不碰撞的刀具轴。

本文就是从该难点出发设计压气机叶轮叶片、轮毂、流道的加工工艺。

（3）在编程过程中刀具的选择，主轴转速、进给、吃刀量、加工余量的确定，都直接影响加工效率。

针对刀轴的约束条件多,自动无法生成可靠的刀轨等问题进行加工工艺分析，确定了采用瑞士米克朗公司的海德汉系统五轴加工中心作为叶轮加工设备，刀具轨迹采用"自曲面等值线”方式。

关键词：

压气机叶轮；UG8.0；加工工艺；叶片

CentrifugalFanImpeller

Mechanicalengineeringandautomation

Theclassxofgrade2011:

Jxxxx Theinstructor:

xxxx

Abstract:

Centrifugalcompressorimpellermachiningisthemostcommoninstancesofmulti-axislinkagencmachining,itisalsooneofthedifficultiesinncmachining.Thispaperintroducesindetailthewholeprocessoftheimpellermachiningandprocessingprocessmattersneedingattention,forcomplexproductmodelingandncprogrammingprovidesdesignideasandmethods.Mainworkincludesthefollowingaspects:

（1）Inthispaper,accordingtotheactualproductionsituationandthedemandofresearch,usingUG8.0softwarefortheanalysisoftheimpeller.Throughprocessingmodulecavitymilling,variablecontourmilling,processingmethodofimpellerimpellermodelofprogramming,simulationprocessandpost-processing.

（2）Adjacentintegralimpellerbladelessspace,withthedecreaseoftheradiusontheradialchannelssuchasnarrowprocessingdifficulties,sotheimpellerbladecurvedsurfacemachiningbesidesinterferenceoccursbetweenthecutterandtheprocessingblade,cuttingtoolisinterferencewiththeadjacentblades.

（3）Toolplanningconstraints,automaticgenerationoftoolpathismoredifficultproblems,combinedwithpracticalexperience,hascarriedontheprocessingtechnologyresearch,identifiedbySwissmkronorcompanyHydehansystemfiveaxismachiningcenterasanimpellermachiningequipment,toolpathusing"sincethesurfacecontour"way.

Keywords:

Integralimpeller;UG;Theprocessingtechnology

1.引言

涡轮增压器是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。

汽车离心涡轮增压器是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，涡轮增压器的开发对于发动机的发展有着积极的影响，涡轮增压器工作原理如图2所示。

而压气机是涡轮增压器的主要部件，压气机叶轮即工作叶轮，是压气机的主要组成部分，在航空航天、船舶、汽车等透平机械领域被广泛应用，一直是机械加工行业中的一个重要课题。

压气机叶轮叶片的设计和加工通常会考虑空气动力学、流体力学、叶片强度和叶片振动等对叶轮工作的影响。

近几年来我国汽车工业的快速发展，对涡轮增压器的需求量越来越大，对叶轮设计制造和性能要求也越来越高。

目前，叶轮的最高转速以达10万转/分，这对叶轮的表面质量、致密的组织以及综合力学性能要求也越来越高。

当前，国外多采用五轴高速铣加工整体叶轮，且在技术和工艺上已经非常成熟，主要采用专业软件加工整体叶轮，如美国NREC公司的MAX系列，Hypermill叶轮加工软件。

而中国多用UGNX、CATIA、MasterCAM、PRO/E等三维软件来加工压气机叶轮，在加工工艺、加工质量、加工效率方面都还有待提高。

本文选用功能强大的UGNX8.0对压气机叶轮进行工艺分析和加工仿真方面的研究。

窗体底端

2.压气机叶轮结构加工工艺分析

2.1压气机叶轮结构分析

压气机是通过压缩空气来增加进气量从而提高压气机叶轮转速的机械装置。

列如，汽车离心涡轮增压器就是是利用发动机排出的废气的惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，如图2所示。

当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。

涡轮增压系统如图1所示，工作叶轮、涡轮叶轮如图2所示。

涡轮增压机主要包括离心压气机叶轮、离心式空压机、涡轮增压系统等。

离心式压气机叶轮又称工作轮，是离心式压缩机中惟一对气流作功的元件。

转子上的最主要部件。

一般由轮盘、轮盖和叶片等零件组成，压气机叶轮模型如图3所示。

气体在叶轮叶片的作用下，随叶轮作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在叶轮里的扩压流动，使它通过叶轮后的压力得到提高。

在风力发电机组中，叶轮由轮毂和叶片组成。

风经过叶轮，带动叶轮转动，从而带动发电机转动，将风能转化为电能。

此时，要求叶轮转动时有足够大的迎风面，以从风中提取足够多的能量;同时，在风速过大时，要能够自动调整叶片迎风角度，避免因受力过大而损坏机械。

这个过程就是旋转的机械能---->流体的动能的转换过程。

图1涡轮增压系统

图2压气机压气机叶轮（左）涡轮叶轮（右）

图3压气机叶轮模型

2.2压气机叶轮的技术要求

2.2.1对压气机叶轮的设计制作要求

（1）在单位时间内通过的能量要尽量的大；

（2）空气流过叶轮流道的能量损失要小，即空气流经叶轮的效率要高；

（3）空气流出叶轮时，各参数达到设计的要求；

（4）叶轮在工作情况下转速非常高，所以叶轮要尽量的轻，但刚性要足够的强，这对材料的要求就较高。

2.2.2对压气机叶轮的加工要求

随着设计理论的发展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，传统的方法已经满足不了一些复杂叶轮的生产需求。

采用铸造和焊接成型后修光的传统方法生产叶轮，首先其模具制造的难度非常大，对焊接的工艺要求高，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度得不到有效保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集中和气蚀，叶轮的动平衡性能差。

压气机叶轮叶片薄，悬壁长度相对较长，同时由于复杂的曲面，其加工需使用细长刀具和多轴联动机床。

叶轮零件的技术要求内容与常规零件一样，通过机床的加工精度控制叶轮的尺寸、形状、位置、粗糙度等几何方面的技术要求，毛坯材料的结构决定了叶轮的机械、物理、化学性能等方面的技术要求。

叶轮叶片需具有良好的表面光洁度和光顺性，才能提高叶轮的气动性能。

叶片表面和叶根表面对精度的要求较高，一般表面粗糙度要求应高于1.6。

为了防止叶轮工作时产生的振动噪声，所以对叶轮的动平衡性要求很高，因此在工艺设计是需要综合考虑叶片的对称问题，在进行CAM编程时利用UG的绕点旋转功能生成绕圆点呈中心对称的程序，可采用通过加工其中一个元素来完成其它元素的加工。

如叶轮工程图，见附1。

2.2.3叶轮的加工难点

为了提高叶轮的动力学和流体力学的性能，叶轮设计采用了大扭角，主叶片之间加了分流叶片，根部变圆角等结构，使得加工时极易产生干涉，无疑对叶轮的加工提出了更苛刻的要求。

叶轮加工难点：

1、叶轮加工流道较窄，会受到大扭角和分流叶片的影响。

叶片较长，相对刚度低，高度随径向直径的增大而增大，厚度随径向直径的增大而减小，是一种典型的薄壁类零件，在加工过程中非常易发生变形，使得压气机叶轮加工难度增加。

2、本论文加工的压气机叶轮，其主要参数为：

叶片直径为中85mm，叶片距最窄处叶片深度33.75mm，相邻叶片最小间距22.975mm，进口高度10mm，出口高度34mm，根部圆角3.5mm，厚度在0.56~1.12mm之间。

综合参数分析，加工需要用到小直径刀具，小直径刀具刚性差，容易折断，控制切削深度的同时保证加工效率较为困难。

3、叶轮曲面为自由曲面，保证加工表面的一致性也有一定困难。

因此，为了加工合格的叶轮，必须综合考虑此叶轮的叶片薄壁、大扭角、小刀径的特点，规划出一套合理的加工方案。

3.压气机叶轮毛坯的确定

3.1叶轮材料的选择

20世纪40年代末，7系铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）材料就已应用于飞机制造业，以其超高强度变形、轻等特点广泛应用于飞机、汽车、船舶等现代工业。

锌是7系铝合金中的主要合金元素，加上镁元素可使材料能受热处理，达到非常高强度特性。

7075是铝合金中最优良的产品的产品之一，其特点有：

1、可热处理的高强度铝合金材料；2、具有良好的机械性能，易于加工；3、质量轻，价格适中；4、耐磨性好，抗腐蚀能力强；6、非常适用于高压结构零件的高强度材料。

代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。

综合分析叶轮的使用性能及材料特性，本文选用7075铝合金作为叶轮材料。

7075铝合金机械性能分析

机械性能分析（TypicalMecha