某渦輪增壓發動機葉輪加工工藝的研究

陳亮亮

摘 要：該文以某渦輪增壓發動機葉輪為例，對該葉輪的選材和成型方法進行分析，通過分析選擇銑削加工方式生產葉輪，對加工葉輪的主要加工工序進行詳細的分析，提出了一套實際方便的加工方案，并將所編制的數控程序在vericut7.2中進行模擬仿真及在機床中實際加工驗證了此加工方案的正確性。

關鍵詞：葉輪 加工 vericut7.2

中圖分類號：TK263 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0150-03

Research of an Turbocharged Engine Impeller on Manufacturing Technologies

Chen Liangliang

（Yizhen Haitlan Alumintum Corportion.Co，LTD，Yangzhou Jiangsu，211400，China）

Abstract：Based on the impeller of a turbocharged engine as an example，to analyze the material and forming method of the impeller，the impeller by analyzing the way of choosing milling production，for a detailed analysis of impeller of the main machining process，put forward a set of practical and convenient processing scheme，and will be compiled nc program in vericut7.2 simulation and practical in the machine tool processing verifies the correctness of the processing scheme.

Key Words：Impeller；Machining；Vericut7.2.

隨著當今時代的迅速發展，渦輪增壓發動機廣泛應用于航空航天、汽車、船舶的行業，渦輪增壓發動機主要元件為渦輪增壓器，而渦輪增壓器的核心部分是渦輪葉輪，在整個過程中，由渦輪吸入發動機排出的廢氣，在經過葉輪進行空氣壓縮進而轉換為機械能增加動力[1]。在整個運轉過程中，為了輸出動力的穩定性，必須保證葉輪的正確性，其中包括葉輪的選材、制造精度等。為此，該文對某渦輪增壓發動機葉輪在成型方法、材料選擇、主要工藝環節進行了分析。

1 葉輪成型方法及材料選擇

由于葉輪處于中間轉換功能的角色，經常在高溫、高壓、高轉速環境下工作，所以對其內部組織和成型精度要求較高，目前，制造葉輪的主要生產方法有如下幾種[2]。

（1）鑄造葉輪。

采用傳統的工藝方法，使用砂型鑄造方式鑄造成型，但是在鑄造生產中經常出現氣孔、砂眼、夾渣等缺陷。并需要二次加工。在鑄造過程中，經常采用鑄鋁ZL1401。

（2）銑削加工方式。

銑削加工選用圓柱型整體棒料，選擇硬鋁合金LY11，在加工過程中，采用車床與五軸機床相結合的方式進行加工，但是，此方法對編程人員的要求較高。

（3）3D打印方式。

目前3D打印處于盛熱時代，可以采用激光燒結技術，應用堆積原理對葉輪進行直接打印，但由于3D打印技術并不是很成熟的技術，打印速度非常慢，導致生產效率低，不適宜批量生產。

2 葉輪的加工工藝分析

該公司是大批量生產，所以采用方法二銑削加工方式進行加工，如圖1所示為葉輪三維模型圖，該葉輪共有9個葉片組成，兩葉片之間柵距短，葉片與輪轂之間光滑過渡，葉片曲率大，在加工過程中主要采用以下工序[3]（見表1）。

2.1 主要工序分析

（1）車削包覆面。

根據葉輪包覆面的幾何尺寸，進行自動編程，加工過程中采用先粗后精的原則，保證包覆面的尺寸精度和表面粗糙度。

（2）粗銑流道。

葉輪的流道較深且狹長，采用普通的三軸加工中心無法加工，必須采用五軸機床進行加工，編寫此流道的粗加工程序采用高級CAM軟件UG10.0，采用直徑為10 mm的硬質合金球刀，每層切削深度為0.6 mm，考慮到葉片易發生變形，主軸轉速S為2500 r/min，進給速度F1500 mm/min。編程時只需編寫一個流道的程序，剩余其它流道只需在機床內部改變機床的初始角度即可，生成的流道粗加工刀軌圖以及仿真圖如圖2所示。

（3）半精、精銑葉片。

此渦輪增壓發動機葉輪是整體式葉輪，葉片與輪轂部分為一體，葉片的前緣厚度為0.8 mm，后緣厚度為1.6 mm，而且葉片曲率非常大，加工過程中容易發生形變。采用直徑為8 mm的錐形硬質合金球頭刀，切屑深度為0.15 mm，半精余量為0.1 mm，要注意葉片的前緣部分為圓角過渡，刀位點位置變化小刀軸矢量變化大，應在UG10.0中設置在拐角處進行減速，避免出現機床抖動現象。生成的刀軌圖及仿真圖如圖3所示。

（4）半精、精銑流道。

輪轂部分屬于狹窄曲面，加工時應注意刀軸與葉片間的避讓，銑削流道時將兩側葉片設為檢查體，采用直徑為8 mm的錐形硬質合金球頭刀，切屑深度為0.1 mm，余量為0 mm，主軸轉速S為3000 r/min，進給速度F1800 mm/min。生成的刀軌圖及仿真圖如圖4所示。

3 葉輪虛擬仿真和實際加工

在UG10.0中，經以上工序的數控編程、生成刀軌、輸出CLSF文件，再用五軸雙擺頭機床專用后置處理器進行后置處理[4]，得到未經仿真的NC代碼。下面將使用VERICUT仿真軟件對為仿真的NC代碼進行仿真[5]，具體步驟如下：

（1）建立機床模型，根據五軸雙擺頭機床的結構與尺寸在三維軟件中進行建模，按照順序輸出VERICUT7.2所識別的.STL格式文件，最后按次序逐個導入VERICUT即可。

（2）調用機床的控制系統，在軟件內找到機床庫的控制文件，找到SIEMENS840D系統并調用。

（3）建立刀具庫，根據在UG10.0中使用的刀具參數（如直徑、刀長、刀號）與實際機床上的刀柄，在軟件內建立與上述的信息一致的刀具、刀柄，保存到刀具庫。

（4）調用夾具、毛坯，夾具與毛坯的模型可以在該軟件內直接建模，也可在三維軟件中建好在導入，根據葉輪毛坯尺寸，在軟件內直接建模即可。

（5）建立坐標系與G代碼偏置，在本軟件內添加一個新的坐標系，使這個坐標系與編程坐標系重合，在驅動G代碼偏置按鈕，設置成從刀具相對新建的坐標系。

（6）調入NC程序、仿真，將轉換好的NC代碼放大指定路徑處，在軟件內找到該程序，先選擇“單步仿真”，觀察是否有撞刀及過切處[6]。

采用XH2440五軸機床，該機床配有SIEMENS 840D系統。將仿真后的數控代碼用U盤傳入XH2440五軸機床加工。加工后的實物圖如圖5所示。

4 結語

通過對某渦輪增壓發動機葉輪實體模型進行分析，提出三種加工方案，針對本公司的生產量選擇方案二，并對方案二的主要加工工序進行分析，采用該分析方案對此葉輪進行了虛擬仿真和實際加工，通過實物與三維模型對比驗證了該加工方案的正確性和實用型。

參考文獻

[1] 周瑩君.基于UG NX的5軸聯動高速銑削加工中心后置處理軟件的研發[D].同濟大學碩士學位論文，2005：13-14.

[2] 范智廣，沈玉琢，呂建忠.UG在三元葉輪加工中的應用及研究[J].機械設計與制造，2011（7）：120-121.

[3] 趙世田，孫殿柱，孫肖霞.基UGPOST五軸聯動加工中心專用后置處理器的研發[J].組合機床與自動化加工技術，2006（1）：26-29.

[4] 唐清春，吳漢夫.基于CimatronE的四軸后置處理軟件開發[J].設計與研究，2010（6）：15-17.

[5] 趙真.Eclipse開發技術詳解[M].化學工業出版社，2010.

[6] 唐清春，吳漢夫.葉片五坐標聯動加工后置處理開發及應用[J].汽輪機技術，2009，51（6）：475-477.