渦輪發(fā)動機擴壓器的加工工藝研究

楊偉明

【摘 要】發(fā)動機在機器中扮演著動力的大腦。文章以渦輪發(fā)動機擴壓器為載體，詳細且有針對性地研究了加工工藝策略及刀具路徑設(shè)置的重點和難點，以及在實際加工過程中需要注意的事項，介紹了定軸加工的工藝策略及用法，并對葉輪擴壓器的刀具路徑設(shè)置及實際加工進行了研究。

【關(guān)鍵詞】擴壓器;工藝策略;刀軌設(shè)置;定軸加工;研究

1 渦輪發(fā)動機擴壓器

渦輪發(fā)動機是飛機、大型船舶及車輛的發(fā)動機的核心部件，屬內(nèi)燃機的一種，是一種利用旋轉(zhuǎn)的機件從穿過它的流體中汲取動能的發(fā)動機。主要有渦輪噴氣發(fā)動機及渦輪風(fēng)扇發(fā)動機等。但無論哪種渦輪發(fā)動機，都具備三大部分，即燃燒室、渦輪機及壓縮機。擴壓器是由離心壓縮機產(chǎn)生，依靠動能轉(zhuǎn)換靜壓能的裝置，它的主要任務(wù)是有效地轉(zhuǎn)化靜壓能，還發(fā)揮收集和引出氣體的作用，是渦輪發(fā)動機壓縮機中重要的組成部分。

渦輪發(fā)動機擴壓器由13個葉片組成，擴壓器正反面三維模型如圖1所示，其葉片按一定的角度和比例均勻地鑲嵌在基體上，中間轉(zhuǎn)彎段通過圓弧過渡連接。該擴壓器采用整體等葉高分布的方式，以葉片高度的分布為基準，由輪蓋型線偏置出輪轂的型線。擴壓器入口直徑為92 mm，最大直徑為107 mm，葉片高度為7.5 mm，軸向長度為19 mm。

2 工藝研究

產(chǎn)品零件的加工在實踐中要盡可能地減少裝夾次數(shù)，要盡可能多地在一次裝夾中加工更多的輪廓特征，需要在工藝路線設(shè)計時找到最優(yōu)的加工路線，這樣不僅可以保證零件的加工精度，也能提高加工效率，保證質(zhì)量，減少成本。擴壓器零件的主要特征是型腔、孔和葉片，并配合圓角的過渡、螺紋孔的切削。該零件的主要加工難點是葉片的加工及其精度的保證，對車削葉片最大輪廓尺寸的精度要求較高，上偏差為-0.180 mm，下偏差為-0.234 mm，公差為0.054 mm;上表面圓形型腔上偏差為+0.05 mm，下偏差為0 mm，公差為0.05 mm;中間孔上偏差為+0.021 mm，下偏差為0 mm，公差為0.021 mm;且該孔與上表面圓形型腔的同軸度為0.025 mm;反面型腔面與上表面基準面的公稱尺寸為12.4 mm，且上偏差為-0.06 mm，下偏差為-0.08 mm，因此公差為0.02 mm，屬加工精度較高的部位，零件工程圖如圖2所示。此外，13個葉片的加工及葉片間13個R2.1 mm的圓角在切削加工過程中也需要得到保障，在整體加工中需要根據(jù)實際情況把握加工精度。因此，在加工過程中按照事先準備好的毛坯進行裝夾和定位，隨后按照先孔后面、先粗后精的原則對孔，對葉片區(qū)域進行粗加工，隨后進行螺紋和葉片的精加工。加工工藝表見表1。

3 刀路規(guī)劃研究

對于切削加工的零件而言，在有準確的工程圖之后，首先在切削加工過程中要做好相應(yīng)毛坯的裝夾和定位，然后按照既定的加工工藝進行切削加工。對于渦輪發(fā)動機擴壓器而言，該零件的主要加工部位和重點加工部位為葉片部位，葉片數(shù)量多，切削量相對較大，精度相對較高，因此主要的加工難點在于保證葉片的精度和質(zhì)量。針對葉片特有的結(jié)構(gòu)特點，對葉片的加工工藝、刀具路徑設(shè)置和參數(shù)做了詳細的研究，并用設(shè)計好的切削參數(shù)和刀具路徑在實際的數(shù)控機床上進行了驗證，最后完整高效地加工出所需零件，并檢驗合格。相應(yīng)的策略和參數(shù)分別如下：①葉片粗加工，采用型腔銑的策略，對葉片區(qū)域進行粗加工，應(yīng)用跟隨部件的切削模式和深度優(yōu)先的切削順序以0.8 mm的深度進行銑削，余量為0.2 mm。②葉片上表面粗加工，采用面區(qū)域銑削的策略，采用跟隨周邊的切削模式，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，切削進給率為3 500 mm/min。③葉片半精加工，采用深度加工拐角的策略，最小切削長度為1 mm，合并距離為3 mm，最大距離為恒定值0.4 mm。④上表面葉片半精加工，采用面區(qū)域銑削的策略，切削區(qū)域空間范圍選定壁，刀具平直百分比為60%。⑤葉片圓角清根采用固定輪廓銑的方式，需要指定矢量為x軸發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動方式為清根，最大拐角角度為135°，部件余量為0.8 mm。⑥葉片精加工采用深度輪廓銑的策略，合并距離為3 mm，最小切削長度為1 mm，最大距離為恒定值0.25 mm，部件余量為0 mm。加工刀具路徑如圖3所示。

4 定軸加工

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，人們對產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量的要求越來越高，雖然多軸機床的使用越來越廣泛，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精密程度高，導(dǎo)致其剛性相對較低，誤差的累積也相對較高，加工成本高昂。在多軸數(shù)控加工中，定軸加工是優(yōu)先使用的工序，定軸加工在多軸加工工序中可以分為“3+1”和“3+2”兩種模式。簡單通俗的理解“3+1”模式為三軸聯(lián)動加一個用工件定位的軸;“3+2”模式為三軸聯(lián)動加兩個定位軸。也就是在多軸數(shù)控機床切削加工開始之前，A軸（B軸）或C軸，或兩軸相互聯(lián)動（五軸加工機床）旋轉(zhuǎn)，將工件定位至要加工的位置和角度后，保持此狀態(tài)固定不動，并在其基礎(chǔ)上進行其他軸運動，開始切削加工的一種方式。

5 小結(jié)

本文詳細地分析和研究了渦輪發(fā)動機擴壓器的結(jié)構(gòu)特點、加工策略和刀具路徑設(shè)置。著重對擴壓器葉片部分的加工做了深入的研究和詳細的說明，從實際的加工角度設(shè)計工藝路線，減少了切削時長，增強了加工精度，提高了效率;并結(jié)合定軸加工策略及其在多軸加工發(fā)揮的作用，為同類零件的生產(chǎn)和制造提供了借鑒的思路，在加工工藝方面做出了更為優(yōu)化的路線設(shè)定。渦輪發(fā)動機擴壓器加工實物如圖4所示。

參 考 文 獻

[1]劉厚林，莊宿國，俞志君.JW200-100-315型離心泵誘導(dǎo)輪設(shè)計[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，39（12）：14-17.

[2]董廣強.基于UG數(shù)控銑削加工有關(guān)參數(shù)的優(yōu)化研究[J].機床與液壓.2012，40（3）：80-83.

[3]趙玉俠.基于五軸機床的葉輪實體建模與加工[J].制造技術(shù)與機床，2011，24（12）：257-280.

[4]孟獻軍.五軸數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5]班雯.閉式葉輪數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[6]黃春峰.現(xiàn)代航空發(fā)動機整體葉盤及其制造技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2006，24（4）：299-312.

[7]陳光明.基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計原則及方法研究[J].制造業(yè)自動化，2005，27（9）：54-59，72.

[8]郭凱，劉獻禮，程耀楠，等.開式整體葉輪加工關(guān)鍵工藝技術(shù)研究[J].航空精密制造技術(shù)，2012，48（3）：34-36.