車用渦輪增壓器葉輪的五軸數(shù)控加工方法研究

王小旭, 付大鵬

（1.吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 吉林132013；2.東北電力大學(xué),吉林 吉林132012）

0 引言

渦輪增壓器屬于流體機(jī)械的一類，具有降低汽車污染排放量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率及降低燃油使用量等功能[1]，其制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。葉輪作為渦輪增壓器的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量能夠直接影響著旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械的性能，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。因其自身存在著加工精度要求高、曲面復(fù)雜等特點(diǎn)，故此銑削加工難度較大，當(dāng)前車用渦輪增壓器葉輪多數(shù)采用鑄造方法加工，不可避免地存在材料偏析、動(dòng)平衡差等缺點(diǎn)，直接影響其使用性能。如何通過(guò)合理規(guī)劃加工工藝、選擇加工參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉輪的銑削加工，對(duì)提高渦輪增壓器葉輪的加工水平和使用性能有著十分重要的意義[2]。

1 葉輪加工技術(shù)要求

渦輪葉輪是由12個(gè)超薄大扭曲葉片組成，葉輪主要參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪參數(shù)

由《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，葉輪加工的允許偏差為0.6～0.8 mm，另外銑削加工所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)精度如表2所示。由表2可知，高速銑削精加工后粗糙度能夠滿足Ra0.8 μm的要求，且零件的精度等級(jí)能夠達(dá)到IT5～I(xiàn)T6。

當(dāng)基本尺寸D＜500 mm時(shí)，其公差單位的計(jì)算公式為i=0.458/+0.001D。當(dāng)基本尺寸D＞500～3100 mm時(shí)，其計(jì)算公式為i=2.1+0.004D。式中：D為基本直徑，mm；i為公差單位，μm。

表2 銑削加工能夠達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度

表3所示為IT5～I(xiàn)T14的標(biāo)準(zhǔn)公差計(jì)算公式。本文所用渦輪葉輪基本尺寸為140 mm，并由《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得IT6（IT7，IT8）時(shí)零件標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值為0.22 mm（0.35 mm，0.54 mm），已經(jīng)滿足允許偏差0.6～0.8 mm。

表3 IT5～I(xiàn)T14的標(biāo)準(zhǔn)公差計(jì)算公式 μm

2 渦輪葉輪加工工藝規(guī)劃

根據(jù)上述葉輪的基本參數(shù)及銑削加工的精度特點(diǎn)，同時(shí)為了提高渦輪葉輪的加工速度，將渦輪葉輪的加工分為4個(gè)階段，分別是葉輪的粗加工、兩大葉片之間的半精加工、大小葉片的半精加工和精加工、流道的半精加工和精加工。在加工過(guò)程中，根據(jù)葉輪部位的不同，選擇不同的加工速率，將葉輪加工分成4個(gè)部分的好處是：在渦輪葉輪的粗加工階段，需要盡量去掉加工余量，減少加工時(shí)間，提高加工速率，同時(shí)要及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工件出現(xiàn)的問(wèn)題；對(duì)于兩大葉片之間的半精加工，這樣就盡可能地去除大葉片和小葉片之間采用半精加工，這種方式保證了大葉片、小葉片兩側(cè)能夠保持均衡的加工余量，從而減少了大小葉片的變形量；在進(jìn)行流道加工之前，首先對(duì)小葉片進(jìn)行分段加工，然后再對(duì)大葉片進(jìn)行分段加工，這樣減少了大小葉片的變形量；將流道的加工放在最后，這樣就能夠減少流道加工對(duì)大葉片和小葉片的影響。

2.1 粗加工工藝

粗加工階段是為了使毛坯的余量能夠被快速切掉，從而提高加工效率[3]。根據(jù)葉輪的特點(diǎn)，為了盡最大限度地提高葉輪的精度，首先直接對(duì)兩個(gè)大葉片之間進(jìn)行粗加工。根據(jù)葉輪尺寸形狀特點(diǎn)，選取直徑為10 mm的立銑刀。為了較好地保證零件的型面特征，選擇環(huán)形走刀。通常切削用量的選用準(zhǔn)則是粗加工階段盡可能地提高加工效率，設(shè)定渦輪葉片粗加工時(shí)的具體參數(shù)如表4所示，得到葉輪的粗加工刀路軌跡如圖1所示。

表4 粗加工階段的加工工藝參數(shù)

圖1 粗加工刀路軌跡

2.2 半精加工工藝

半精加工的主要目的是使得2個(gè)大葉片之間的余量均勻，為后續(xù)加工做好準(zhǔn)備[4]，由于在相鄰2個(gè)大葉片之間，存在著1個(gè)小葉片，而小葉片的曲面與大葉片的曲面又不相同，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)將利用大葉片的兩面進(jìn)行仿形銑。由于大葉片、小葉片是扭曲變形的，因此在制定工藝的時(shí)候，要很好地控制加工流向，同時(shí)要盡可能地減小加工變形量，在加工時(shí)要充分考慮這兩點(diǎn)。

根據(jù)相鄰大葉片之間的間距及大葉片的實(shí)際長(zhǎng)度，在該加工階段，選用直徑為8 mm的球刀，走刀方式為“兩曲線之間仿形銑削”，半精加工的具體加工參數(shù)如表5所示。

表5 半精加工階段的加工工藝參數(shù)

2.3 葉片的精加工

精加工的目的是獲得較好的表面質(zhì)量，通過(guò)半精加工基本能夠得到葉片形狀，在精加工時(shí)要保證葉片表面的質(zhì)量，同時(shí)保證減小葉片加工時(shí)的變形，這與刀具的選擇、機(jī)床轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的搭配等有很大關(guān)系。

為減少因換刀帶來(lái)的誤差，精加工的刀具和半精加工的刀具都是直徑為8 mm的球頭刀。為了更好地加工大小葉片，首先對(duì)于小葉片進(jìn)行加工，選擇為“五軸航空銑-Multi Blade Advanced”，選擇Z軸作第四旋轉(zhuǎn)軸。精加工時(shí)的具體參數(shù)如表6所示,刀路軌跡如圖2所示。

表6 葉片精加工階段的加工工藝參數(shù)

圖2 葉片精加工刀路軌跡圖

2.4 流道的精加工

圖3 流道精加工刀路軌跡

由于在進(jìn)行葉片的加工過(guò)程中或多或少地會(huì)對(duì)流道進(jìn)行加工，因此只需要在葉片加工完成后，對(duì)流道進(jìn)行精加工。流道半精加工如圖3所示。

為減少因換刀帶來(lái)的誤差，精加工的刀具仍然選用直徑為8 mm的球頭刀，走刀形式選用“五軸航空銑”，設(shè)定X軸作第四旋轉(zhuǎn)軸，具體加工參數(shù)如表7所示，得到加工刀路軌跡如圖3所示。

表7 葉片精加工工藝參數(shù)

3 葉輪加工模擬仿真

通過(guò)前面對(duì)于葉輪的粗加工及單個(gè)葉片的加工，然后將小葉片加工、大葉片加工及相鄰兩大葉片之間的加工，還有流道加工都應(yīng)用到其他區(qū)域當(dāng)中，得到渦輪葉輪的整體加工刀路軌跡。根據(jù)已經(jīng)形成的整體刀路軌跡，進(jìn)行導(dǎo)航器模擬加工，從而得到加工完成的加工流程，并檢查加工過(guò)程的正確性。葉輪的粗加工模擬加工如圖4所示。

圖4 渦輪葉輪的仿真加工

4 后置處理

后置處理就是將刀位點(diǎn)原始文件轉(zhuǎn)化為能被數(shù)控機(jī)床識(shí)別和執(zhí)行的NC程序的一個(gè)過(guò)程，后置處理的目的是形成數(shù)控加工文件[5]。本文是在Cimatron E12軟件中，對(duì)該渦輪增壓器葉輪進(jìn)行自動(dòng)編程，刀具軌跡經(jīng)過(guò)相應(yīng)的一系列計(jì)算后生成刀位點(diǎn)原文件。然后利用后置處理功能將它變換為數(shù)控加工程序，用于零件的機(jī)床數(shù)控加工。

Cimatron軟件可以在程序模式下或者刀路模式下進(jìn)行后置處理，并且允許一次選擇多段刀具路徑或者多段加工程序同時(shí)進(jìn)行后置處理。在Cimatron E12軟件的工具條上選擇需要生成NC程序的刀具路徑，確認(rèn)程序正確；點(diǎn)選后置處理圖標(biāo)，選擇后置處理選項(xiàng)hass[vf3]，這時(shí)G代碼參數(shù)表格中，機(jī)床類型為“5-Axis”，確立加工參考坐標(biāo)系，上述步驟完成后，點(diǎn)選完成后中的“顯示G代碼”，開(kāi)始生成數(shù)控加工程序；當(dāng)計(jì)算完畢，點(diǎn)擊“確定”即完成后置處理工作。按照上述方法分別得到整體葉輪的粗加工、兩葉片之間加工、流道加工的NC程序。

5 加工實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)上述的工藝分析，得到NC加工程序，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)加工思路的可行性和加工方法的合理性，在五軸數(shù)控加工中心上對(duì)其進(jìn)行真實(shí)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)加工。本課題實(shí)驗(yàn)加工所用的立式五軸數(shù)控機(jī)床的型號(hào)是HAAS VF-3。加工時(shí)間約為3 h，加工完成的渦輪葉輪如圖6所示。

圖6 加工完成的渦輪葉輪模型

6 結(jié)論

本文以車用渦輪增壓器葉輪為原型，在Cimatron軟件平臺(tái)下，通過(guò)合理規(guī)劃加工工藝，解決了由于葉輪葉片薄、變壁厚、扭曲大和各葉片間隔小等因素帶來(lái)的加工難題，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成渦輪葉輪的整體數(shù)控加工，從而大大提高了葉片的精度，提高了整體葉輪的生產(chǎn)效率[10]，為類似復(fù)雜型面零件的數(shù)控加工提供了很好的加工思路。