0 引言

　　整體葉盤(Blisk-Bladed Disk)是20世紀80年代中期西方發達國家在航空發動機設計中采用的最新結構和氣動布局形式，它具有三種典型結構：

　　(1)閉式整體葉盤(帶箍)，

　　(2)開式整體葉盤(不帶箍)，

　　(3)大小葉片轉子(大葉片間含有小葉片的開式整體葉盤。

　　與傳統的葉片和輪盤裝配結構相比，整體葉盤是把葉片和輪盤做成一體，省去了傳統的連接榫頭、榫槽和鎖緊裝置，從而使發動機結構大為簡化，性能(主要是推重比)和可靠性進一步提高。因此，整體葉盤在某型飛機的發動機上得到了廣泛應用。

　　整體葉盤結構復雜，精度要求高，加工難度大，而數控加工技術具有快速反應和高可靠性的特點，因此整體葉盤的制造目前大多采用數控加工的方法完成。由于整體葉盤通道具有葉片薄、彎扭度大、葉展長、易受力變形、通道深窄、開敞性差等特點，工藝人員在進行加工工藝設計時，很難確定選擇幾坐標的數控機床、刀具參數等，而加工方式和刀具參數選擇不當，往往會導致刀具無法達到通道的某些區域，或刀軸與進刀方向選擇不當，而導致刀具與通道約束面之間發生干涉碰撞的問題。本文正是結合整體葉盤通道數控加工的需要，從通道葉片彎扭度、寬度、深度3個方面考慮，評估葉片彎扭度、計算通道寬度、深度尺寸參數，并將其結果作為整體葉盤通道數控加工工藝設計的參考依據，保證加工工藝的合理性。

1 整體葉盤通道介紹

　　不同結構的整體葉盤通道各不相同。閉式整體葉盤通道是指由內輪轂、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)組成的半封閉區域；大小葉片轉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)組成的半封閉區域。

2 實現方法

　　2.1 基于UG二次開發

　　UG(unigraphics)軟件是目前國際、國內應用最為廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一，它功能強大，涵蓋了從設計、分析、加工、管理等各個領域，現已廣泛地應用于汽車、航天航空、機械和模具等行業。同時，UG也提供了強大的二次開發能力，可以進行不同層次用戶不同需求的二次開發。UG提供了UG/Open GRIP和UG/Open API兩種二次開發工具，可以通過編程調用UG的全部功能。UG/Open GRIP是一種類似于FORTRAN語言開發的工具，UG/Open API是一種C語言或C++開發工具。由于C語言的廣泛應用和良好的特性，本文采用UG/Open API方式。　　2.2 通道葉片彎扭度評估

　　葉片的彎扭度可以直觀反應葉盤通道的開敞性，從而估計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)的夾角最值來進行彎扭度評估。

　　首先選擇待分析通道任一葉片的進氣邊、出氣邊，將兩者離散為相同數目的點，每兩個對應點作一條矢量線段，即為弦矢量，計算該矢量的模，即為弦長大小；計算整體葉盤在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分別為進氣邊與出氣邊上的對應點，a為對應的弦矢量，│a│為弦長大小，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，根據實際數控加工經驗，當最大角度超過45°時，通道開敞性較差，數控設備通常無法從通道一端完成整個通道和葉片的加工，需通過區域搭接、對接加工才能加工完整的通道。

　　2.3 通道分析區域劃分

　　閉式整體葉盤通道兩側邊界為彎扭度很大的薄壁葉型曲面，通道兩端還受到內、外表面的約束，數控設備通常無法從通道一端完成整個通道和葉片的加工，須將閉式整體葉盤的整個通道合理地劃分為多個區域，通過區域搭接、對接加工才能加工完整的通道；開式整體葉盤葉片的進、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，極易發生刀具與葉盤的干涉現象；大小葉片轉子通道呈“倒梯形”，且在內部被小葉片分割成多個分叉的狹窄子通道，加工時刀桿與大小葉片間的干涉因素明顯增多。因此，在數控加工中，須對整體葉盤通道加工區域劃分以避免上述情況的發生，在通道分析中，就需要根據劃分的加工區域對通道的特定區域進行分析。利用UG/Open API函數將通道表面參數化，用戶通過對話框輸入U、V參數劃分通道不同的分析區域。整體葉盤通道的尺寸參數計算是在此基礎上進行的。

　　2.4 通道寬度尺寸參數計算

　　在現代數控加工中，數控機床的刀具已不是普通機床所采用的“一機一刀” 的模式，而是多種不同類型的刀具同時在數控機床的刀盤上(或)主軸上輪換使用 ；同時由于整體葉盤結構復雜，加工精度要求高，尤其是葉片工作表面為空間自由曲面，形狀極其復雜，極易發生干涉。因此，需對對整體葉盤通道的幾個重要寬度尺寸參數做出估算，為整體葉盤通道特定區域的加工提供刀具選擇依據。

　　根據數控加工需要，本文提出以下寬度尺寸參數分析項：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節所述方法劃分分析區域；通過對話框輸入U、V向離散點個數，離散點的個數直接影響到計算精度，離散點個數越多，精度越高，但點數過多時會影響計算速度，一般設置為20*20；計算每個離散點到相鄰葉盆面(或葉背面)的距離并比較，最大者即為通道某一分析區域內的最大寬度，最小者為最小寬度。

　　入口、出口是指在通道內分別靠近進氣邊、出氣邊的區域。在數控加工過程中，刀具進退刀時總要經過此區域，若刀具選擇不當，極易在此發生干涉。因此，對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質是計算待分析通道某一葉片的進氣邊到相鄰葉片的最大距離。選擇任意葉片葉背(盆)面的進氣邊，將其離散成點，計算每個點至相鄰葉片葉盆(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，計算每個點至相鄰葉片葉盆(背)面的距離并比較，最大者為出口寬度。

　　2.5 通道深度尺寸參數計算

　　由于整體葉盤兩端受葉片、輪轂面等的約束，在加工時，刀具長度選擇得不當極易引起干涉，或刀具到達不了通道的某些區域，因此，需對葉盤通道深度尺寸參數作出估算，為加工通道選擇刀具長度提供依據。對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，計算每一個離散點與對應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。根據數控加工經驗，實際選擇的刀具長度值應在最大深度值的基礎上加10mm。

3 應用實例

　　以閉式整體葉盤通道為例。葉片分析區域U、V向均為0～100％，離散點個數設置為20*20，共400個點。從以上通道分析計算結果來看，此通道的最小寬度為13.7mm，加工此通道時工藝人員選擇的刀具直徑理論值應不超過13mm，基于安全因素考慮，刀具直徑應不超過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，應通過區域搭接、對接加工加工完整的通道，因此需進行通道加工區域劃分，再根據加工區域進行通道分析區域劃分，最后在此區域內計算尺寸參數，如將分析區域設在通道葉片上，設U向為0～30％，V向為0～100％，離散點個數設置為20*20，共計400個點，計算結果如圖7所示，加工此區域時，工藝人員選擇的刀具直徑理論值不應超過14mm，實際值不應超過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，在進退刀時不易發生干涉；為加工完整通道，刀具長度理論值不應小于103.19mm，根據數控加工經驗，實際值不應小于113.19mm。以上計算結果經過實際數控加工過程檢驗，有效地避免了干涉現象，提高了數控加工效率。

4 結束語

　　本文根據整體葉盤通道實際數控加工經驗及實際需求，分析整體葉盤通道特點，從通道葉片彎扭度、寬度、深度三個方面考慮，在劃分加工區域的基礎上，評估葉片彎扭度，計算通道寬度、深度尺寸參數，其計算結果為整體葉盤通道數控加工的刀具選擇、工藝制定提供了參考依據。經過數控加工實際檢驗，本文所述方法實用可行，對整體葉盤通道的數控加工有一定的參考價值。