渦輪增壓器葉片四軸數(shù)控加工技術(shù)研究

付大鵬，馬艷麗，張衛(wèi)華

(1.東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.中國石油吉林石化公司，吉林吉林132002)

對于葉輪加工，傳統(tǒng)加工方法一般是鑄造成型后拋光，該加工方法存在模具復(fù)雜，且葉片精度難保證，葉片強(qiáng)度低，動平衡性較差，生產(chǎn)周期也比較長等缺點(diǎn)［1］。當(dāng)今數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展迅速，多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床也相繼問世，在國外渦輪增壓器葉輪一般是用五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床加工，在國內(nèi)由于受到設(shè)備的限制，針對五軸加工起步比較晚。本文通過對整體葉輪進(jìn)行分體加工，而如何應(yīng)用四軸加工中心加工出高質(zhì)量的葉片有著重要意義。

1 葉片的基本加工思路

葉片分段加工是指把一個(gè)葉片劃分成幾段，對每一段分別進(jìn)行加工，在加工各段時(shí)根據(jù)變形情況選擇適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，其難度就在于使葉根部和葉端部薄厚誤差及由于加工時(shí)“讓刀”帶來的誤差最小，且葉片整體變形最小。本文采用Cimatron E軟件對葉片進(jìn)行數(shù)控加工編程和模擬仿真，根據(jù)葉片的外形結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ǎ奖憧旖?，在模擬仿真中檢驗(yàn)程序的正確性，以便及時(shí)更改［2］。

渦輪增壓器整體葉輪由多個(gè)大扭曲超薄葉片組成，葉片形狀如圖1所示，葉片的厚度僅有1.5～2 mm厚，且剛度小。在加工時(shí)很容易變形，減小加工中的變形是本文的加工重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了提高加工效率，保證加工質(zhì)量，先在車床上車削加工出基準(zhǔn)面和葉片的基本毛坯，而后在四軸機(jī)床上進(jìn)行葉片的分段加工。

圖1 葉片圖

2 葉片的加工刀路軌跡生成

應(yīng)用Cimatron E軟件對葉片進(jìn)行加工編程和反復(fù)模擬仿真，再加上對實(shí)際加工條件和要加工零件的外形結(jié)構(gòu)不同的考慮，分別選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒ê颓邢鲄?shù)［3］，根據(jù)以上分析，現(xiàn)將葉片的加工分為粗加工、半精加工、精加工(1)、精加工(2)。

粗加工又分為葉片正面整體粗加工和葉片反面整體粗加工，葉片正面整體粗加工刀路軌跡如圖2所示，為提高葉片加工效率，該粗加工選擇相對較大的切削用量和較大直徑的球頭銑刀。

為了減小加工中葉片型面時(shí)的變形，粗加工后先對葉片邊沿進(jìn)行精加工，采用CimatronE軟件中的“流線銑-3軸零件曲面”，之后對葉片型面進(jìn)行半精加工和精加工(1)、精加工(2)。

圖2 葉片正面整體粗加工

葉片型面的半精加工和精加工都采用Cimatron E軟件中的“高級五軸-航空銑”，為了使刀路軌跡在兩曲線之間分布均勻美觀，也為了提高加工效率，銑削方式都為“兩曲線之間仿形銑”。綜合考慮葉片加工變形和工件的表面質(zhì)量，加工時(shí)進(jìn)刀點(diǎn)都從葉片最寬部進(jìn)刀，且半精加工和精加工(1)采用葉片分段加工，葉片前端部采用較小的切削參數(shù)，而靠近輪轂的葉片后根部采用較大的切削參數(shù)，半精加工葉片前端部刀路軌跡如圖3所示，精加工(2)刀路軌跡如圖4所示

圖3 半精加工葉片前端部

圖4 精加工(2)葉片整體

3 后置處理

后置處理是根據(jù)機(jī)床的具體參數(shù)及控制系統(tǒng)將刀位軌跡轉(zhuǎn)化成對應(yīng)機(jī)床所能識別的G代碼。Cimatron E提供了3～5軸的后置處理模塊，簡單快捷。將各個(gè)工序的程序分別進(jìn)行后置處理，個(gè)個(gè)程序段相互獨(dú)立，可以檢查所生成的刀路軌跡是否合理及刀具是否會產(chǎn)生碰撞和過切現(xiàn)象，從而再對加工過程中出現(xiàn)的種種問題進(jìn)行分析，可以隨時(shí)進(jìn)一步修改和調(diào)整［4］。

4 葉片的機(jī)床實(shí)驗(yàn)加工

在沒有進(jìn)行分段加工時(shí)，變形很大，加工出來的葉片根部與端部的厚度差竟然有0.5～0.8 mm左右，而根據(jù)上述改進(jìn)后再進(jìn)行機(jī)床實(shí)驗(yàn)加工，現(xiàn)在的厚度差只有0.05～0.08 mm，已經(jīng)達(dá)到了我們的要求，可見葉片分段加工可以很好地解決變形問題，如果葉片精度要求更高，可以再把葉片分成3段、4段，只要條件允許甚至可以分成更多段。實(shí)驗(yàn)加工葉片成品如圖5所示。

圖5 加工出的葉片成品

5 結(jié) 論

該文應(yīng)用Cimatron E軟件對葉片進(jìn)行數(shù)控編程和仿真加工，得到最優(yōu)的刀路軌跡，減少機(jī)床實(shí)驗(yàn)加工中由于加工出廢品而造成的材料浪費(fèi)，降低了成本，提高了效率，同時(shí)也彌補(bǔ)了人工編程的不足。針對實(shí)驗(yàn)加工中葉片變形問題提出了葉片分段加工，作為一種新方法，它很大程度地減小了加工變形，同時(shí)對開發(fā)四軸機(jī)床利用潛力有著重要意義，也對復(fù)雜的薄曲面零件加工提供了很好的思路。

［1］李惠彬，周江偉，孫振蓮.車用渦輪增壓器噪聲與振動機(jī)理和控制［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2012:20-26.

［2］吳明友.數(shù)控加工自動編程-Cimatron E［M］.清華大學(xué)出版社，2008.

［3］章泳健，潘毅.汽輪機(jī)彎扭葉片型面的四軸數(shù)控加工方法研究［J］，現(xiàn)代制造工程，2004(7):27-28.

［4］謝捷.螺旋槳葉輪自由曲面造型與五軸高速數(shù)控加工技術(shù)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008:50-51.