0 引言

　　整體葉盤(Blisk-Bladed Disk)是20世紀(jì)80年代中期西方發(fā)達(dá)國(guó)家在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中采用的最新結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局形式，它具有三種典型結(jié)構(gòu)：

　　(1)閉式整體葉盤(帶箍)，

　　(2)開式整體葉盤(不帶箍)，

　　(3)大小葉片轉(zhuǎn)子(大葉片間含有小葉片的開式整體葉盤。

　　與傳統(tǒng)的葉片和輪盤裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤是把葉片和輪盤做成一體，省去了傳統(tǒng)的連接榫頭、榫槽和鎖緊裝置，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，性能(主要是推重比)和可靠性進(jìn)一步提高。因此，整體葉盤在某型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。

　　整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，加工難度大，而數(shù)控加工技術(shù)具有快速反應(yīng)和高可靠性的特點(diǎn)，因此整體葉盤的制造目前大多采用數(shù)控加工的方法完成。由于整體葉盤通道具有葉片薄、彎扭度大、葉展長(zhǎng)、易受力變形、通道深窄、開敞性差等特點(diǎn)，工藝人員在進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)，很難確定選擇幾坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床、刀具參數(shù)等，而加工方式和刀具參數(shù)選擇不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致刀具無法達(dá)到通道的某些區(qū)域，或刀軸與進(jìn)刀方向選擇不當(dāng)，而導(dǎo)致刀具與通道約束面之間發(fā)生干涉碰撞的問題。本文正是結(jié)合整體葉盤通道數(shù)控加工的需要，從通道葉片彎扭度、寬度、深度3個(gè)方面考慮，評(píng)估葉片彎扭度、計(jì)算通道寬度、深度尺寸參數(shù)，并將其結(jié)果作為整體葉盤通道數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，保證加工工藝的合理性。

1 整體葉盤通道介紹

　　不同結(jié)構(gòu)的整體葉盤通道各不相同。閉式整體葉盤通道是指由內(nèi)輪轂、相鄰兩葉片的葉背面(葉盆面)與葉盆面(葉背面)組成的封閉區(qū)域；開式葉盤的通道是指由輪轂面、相鄰葉片的葉背面(葉盆面)與葉盆面(葉背面)組成的半封閉區(qū)域；大小葉片轉(zhuǎn)子的通道是由輪轂面、相鄰大(小)葉片的葉背面(葉盆面)與小(大)葉片的葉盆面(葉背面)組成的半封閉區(qū)域。

2 實(shí)現(xiàn)方法

　　2.1 基于UG二次開發(fā)

　　UG(unigraphics)軟件是目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一，它功能強(qiáng)大，涵蓋了從設(shè)計(jì)、分析、加工、管理等各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于汽車、航天航空、機(jī)械和模具等行業(yè)。同時(shí)，UG也提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，可以進(jìn)行不同層次用戶不同需求的二次開發(fā)。UG提供了UG/Open GRIP和UG/Open API兩種二次開發(fā)工具，可以通過編程調(diào)用UG的全部功能。UG/Open GRIP是一種類似于FORTRAN語言開發(fā)的工具，UG/Open API是一種C語言或C++開發(fā)工具。由于C語言的廣泛應(yīng)用和良好的特性，本文采用UG/Open API方式?！　?.2 通道葉片彎扭度評(píng)估

　　葉片的彎扭度可以直觀反應(yīng)葉盤通道的開敞性，從而估計(jì)通道加工的難易程度，制定加工工藝。通道開敞性越好，越易加工，反之越難加工。本文提出用葉片的弦矢量與葉盤軸線(YC軸)的夾角最值來進(jìn)行彎扭度評(píng)估。

　　首先選擇待分析通道任一葉片的進(jìn)氣邊、出氣邊，將兩者離散為相同數(shù)目的點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)作一條矢量線段，即為弦矢量，計(jì)算該矢量的模，即為弦長(zhǎng)大??；計(jì)算整體葉盤在YC軸方向的高度，作一條與YC軸平行的、模的大小為該高度的矢量線段；最后計(jì)算每條弦矢量與該矢量線段所形成的夾角并比較大小。P1、P2分別為進(jìn)氣邊與出氣邊上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，a為對(duì)應(yīng)的弦矢量，│a│為弦長(zhǎng)大小，b為與YC軸平行的矢量線段，│b│為葉盤在YC軸方向上的高度。利用公式(1)、(2)得到每一個(gè)角度并比較，即可獲得最大、最小角度。最大角度越小，葉片的彎扭度就越小，從而形成的通道開敞性就越好，根據(jù)實(shí)際數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)最大角度超過45°時(shí)，通道開敞性較差，數(shù)控設(shè)備通常無法從通道一端完成整個(gè)通道和葉片的加工，需通過區(qū)域搭接、對(duì)接加工才能加工完整的通道。

　　2.3 通道分析區(qū)域劃分

　　閉式整體葉盤通道兩側(cè)邊界為彎扭度很大的薄壁葉型曲面，通道兩端還受到內(nèi)、外表面的約束，數(shù)控設(shè)備通常無法從通道一端完成整個(gè)通道和葉片的加工，須將閉式整體葉盤的整個(gè)通道合理地劃分為多個(gè)區(qū)域，通過區(qū)域搭接、對(duì)接加工才能加工完整的通道；開式整體葉盤葉片的進(jìn)、出氣邊形狀彎扭，圓弧又太小，加工過程中刀具傾斜得很厲害，刀軸變化非常劇烈，極易發(fā)生刀具與葉盤的干涉現(xiàn)象；大小葉片轉(zhuǎn)子通道呈“倒梯形”，且在內(nèi)部被小葉片分割成多個(gè)分叉的狹窄子通道，加工時(shí)刀桿與大小葉片間的干涉因素明顯增多。因此，在數(shù)控加工中，須對(duì)整體葉盤通道加工區(qū)域劃分以避免上述情況的發(fā)生，在通道分析中，就需要根據(jù)劃分的加工區(qū)域?qū)νǖ赖奶囟▍^(qū)域進(jìn)行分析。利用UG/Open API函數(shù)將通道表面參數(shù)化，用戶通過對(duì)話框輸入U(xiǎn)、V參數(shù)劃分通道不同的分析區(qū)域。整體葉盤通道的尺寸參數(shù)計(jì)算是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

　　2.4 通道寬度尺寸參數(shù)計(jì)算

　　在現(xiàn)代數(shù)控加工中，數(shù)控機(jī)床的刀具已不是普通機(jī)床所采用的“一機(jī)一刀” 的模式，而是多種不同類型的刀具同時(shí)在數(shù)控機(jī)床的刀盤上(或)主軸上輪換使用 ；同時(shí)由于整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，尤其是葉片工作表面為空間自由曲面，形狀極其復(fù)雜，極易發(fā)生干涉。因此，需對(duì)對(duì)整體葉盤通道的幾個(gè)重要寬度尺寸參數(shù)做出估算，為整體葉盤通道特定區(qū)域的加工提供刀具選擇依據(jù)。

　　根據(jù)數(shù)控加工需要，本文提出以下寬度尺寸參數(shù)分析項(xiàng)：通道最大寬度、最小寬度、出口寬度、入口寬度。

　　通道最大、小寬度是指在特定區(qū)域中，葉背(盆)面與相鄰葉盆(背)面間的最大、最小距離。其算法是選擇待分析通道的葉背面(或葉盆面)，利用2.3節(jié)所述方法劃分分析區(qū)域；通過對(duì)話框輸入U(xiǎn)、V向離散點(diǎn)個(gè)數(shù)，離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)直接影響到計(jì)算精度，離散點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，精度越高，但點(diǎn)數(shù)過多時(shí)會(huì)影響計(jì)算速度，一般設(shè)置為20*20；計(jì)算每個(gè)離散點(diǎn)到相鄰葉盆面(或葉背面)的距離并比較，最大者即為通道某一分析區(qū)域內(nèi)的最大寬度，最小者為最小寬度。

　　入口、出口是指在通道內(nèi)分別靠近進(jìn)氣邊、出氣邊的區(qū)域。在數(shù)控加工過程中，刀具進(jìn)退刀時(shí)總要經(jīng)過此區(qū)域，若刀具選擇不當(dāng)，極易在此發(fā)生干涉。因此，對(duì)通道的最大入口寬度、最大出口寬度的估算是非常重要的。

　　最大出口寬度的算法實(shí)質(zhì)是計(jì)算待分析通道某一葉片的進(jìn)氣邊到相鄰葉片的最大距離。選擇任意葉片葉背(盆)面的進(jìn)氣邊，將其離散成點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)至相鄰葉片葉盆(背)面的距離并比較，最大者為出口寬度。

　　與最大出口寬度相似，最大人口寬度算法是計(jì)算任一葉片的出氣邊到相鄰葉片的最大距離。選擇任意葉片葉背(盆)面的出氣邊，用上述方法將其離散成點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)至相鄰葉片葉盆(背)面的距離并比較，最大者為出口寬度。

　　2.5 通道深度尺寸參數(shù)計(jì)算

　　由于整體葉盤兩端受葉片、輪轂面等的約束，在加工時(shí)，刀具長(zhǎng)度選擇得不當(dāng)極易引起干涉，或刀具到達(dá)不了通道的某些區(qū)域，因此，需對(duì)葉盤通道深度尺寸參數(shù)作出估算，為加工通道選擇刀具長(zhǎng)度提供依據(jù)。對(duì)此本文提出的算法是選擇待分析通道的任一葉尖線，將其離散成點(diǎn)，計(jì)算每一個(gè)離散點(diǎn)與對(duì)應(yīng)葉根線之間的距離并比較，最大距離即為此通道的最大深度。根據(jù)數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際選擇的刀具長(zhǎng)度值應(yīng)在最大深度值的基礎(chǔ)上加10mm。

3 應(yīng)用實(shí)例

　　以閉式整體葉盤通道為例。葉片分析區(qū)域U、V向均為0～100％，離散點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置為20*20，共400個(gè)點(diǎn)。從以上通道分析計(jì)算結(jié)果來看，此通道的最小寬度為13.7mm，加工此通道時(shí)工藝人員選擇的刀具直徑理論值應(yīng)不超過13mm，基于安全因素考慮，刀具直徑應(yīng)不超過11mm；葉片彎扭角度范圍在55.8°～37.8°，最大角度超過45°，通道開敞性較差，應(yīng)通過區(qū)域搭接、對(duì)接加工加工完整的通道，因此需進(jìn)行通道加工區(qū)域劃分，再根據(jù)加工區(qū)域進(jìn)行通道分析區(qū)域劃分，最后在此區(qū)域內(nèi)計(jì)算尺寸參數(shù)，如將分析區(qū)域設(shè)在通道葉片上，設(shè)U向?yàn)?～30％，V向?yàn)?～100％，離散點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置為20*20，共計(jì)400個(gè)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示，加工此區(qū)域時(shí)，工藝人員選擇的刀具直徑理論值不應(yīng)超過14mm，實(shí)際值不應(yīng)超過12mm。通道入口寬度在90.8 ～24.95mm，以上值均范圍滿足通道入口、出口寬度范圍，在進(jìn)退刀時(shí)不易發(fā)生干涉；為加工完整通道，刀具長(zhǎng)度理論值不應(yīng)小于103.19mm，根據(jù)數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際值不應(yīng)小于113.19mm。以上計(jì)算結(jié)果經(jīng)過實(shí)際數(shù)控加工過程檢驗(yàn)，有效地避免了干涉現(xiàn)象，提高了數(shù)控加工效率。

4 結(jié)束語

　　本文根據(jù)整體葉盤通道實(shí)際數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際需求，分析整體葉盤通道特點(diǎn)，從通道葉片彎扭度、寬度、深度三個(gè)方面考慮，在劃分加工區(qū)域的基礎(chǔ)上，評(píng)估葉片彎扭度，計(jì)算通道寬度、深度尺寸參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果為整體葉盤通道數(shù)控加工的刀具選擇、工藝制定提供了參考依據(jù)。經(jīng)過數(shù)控加工實(shí)際檢驗(yàn)，本文所述方法實(shí)用可行，對(duì)整體葉盤通道的數(shù)控加工有一定的參考價(jià)值。