基于NREC對分叉半開式整體葉輪五軸加工技術的優化設計*

賴新建，阮 毅，黃木生

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510705）

0 引言

隨著國內外航空工業，汽車工業的迅猛發展，壓縮機[1]、內燃機，渦輪增壓[2]的配置率逐年增長，到2020年全球新銷售車輛中有48%采用渦輪增壓技術，比2016年增長9%，到2021年約70%的輕度混合動力汽車將配置單個或多個增壓系統[3]，可見市場對各種渦輪、葉輪的需求越來越多。幾年前葉輪加工可能僅有部分國內軍工企業、上市公司或中大型企業才有能力生產，當前即使是只有一臺五軸機床的來料加工小店，都有大量葉輪類零件的加工訂單，但生產效率和品質良莠不齊，究其原因主要有環境、設備、軟件、人員、檢測、產品復雜度等諸多因素。本文以常用典型的分叉半開式徑流整體葉輪的加工為目標，對葉輪類零件的結構特征、技術要求、設備選型、工藝流程、編程軟件、加工參數等進行優化設計和總結。

分叉整體葉輪的形狀復雜，葉片的厚度較薄并且扭曲程度高，相鄰葉片的空間較小，而且徑向隨著半徑的減小流道越來越窄[4]，只能采用五軸聯動方式加工才能達到葉片表面光滑流暢的光潔度要求，加工葉輪葉片曲面時刀具與被加工葉片和相鄰葉片之間容易發生干涉，加工過程中存在比較嚴重的彈塑性變形，因此對加工刀路軌跡優化，工藝優化尤其重要。

Concepts NRECMAX-PAC是一款專業的葉輪加工編程軟件[5]，相較于通用的CAM軟件，其集成了各種葉輪的加工工藝和刀路策略，采用了獲得專利的側銑或點銑的方法，具有更高的表面光潔度和更嚴格的公差，可積省大量的編程和加工時間，廣泛應用于機械廠家、研究所、高校、政府技術部門，在葉輪機械行業享有極高的聲譽。

1 分叉半開式徑流整體葉輪分析

1.1 葉輪結構及參數

此葉輪是離心式壓氣機的部件，屬于高速旋轉的部件，葉片間的通道是擴張形的，空氣在流過時，對空氣做功，增大空氣的流速和壓力，屬擴散增壓葉輪。其結構特征屬于半開式分叉徑向流動整體葉輪，如圖1所示，由包覆面（Shroud）、大葉片（Blade）及分流小葉片（Spiltter）、流道、輪轂面（Hub）、進氣緣（Leading）、出氣緣（Trailing），葉根圓角（Fillet）及中間通孔等特征組成[6]，具體結構參數如表1所示。

圖1 半開式分叉徑流葉輪

表1 葉輪結構參數

1.2 葉輪加工要求及難點分析

本例需要對整體葉輪的流道、葉片和圓角等主要部位進行加工，在葉片之間有大量的材料需去除[7]，葉片表面、輪轂表面及葉根表面要求紋理一致，不能有振刀紋和換向紋，表面粗糙度值應接近Ra1.6，另外防止葉輪在工作中出現振動和減少噪聲還要保證整體葉輪一定的動平衡要求，葉輪工程圖如圖2所示。

圖2 葉輪工程圖

根據葉輪結構及技術要求，加工難點主要有以下幾方面[8]：（1）葉片很薄、流道較深，剛度較低，加工過程容易振動變形；（2）流道最窄處寬深比大于11，相鄰葉片空間極小，要求小于R1的刀具才能加工到位；（3）由于流道中間有分流小葉片，刀具與葉片容易干涉，對刀軌控制要求嚴格；（4）側刃加工葉片時，接觸面大容易振動，需根據機床剛性、主軸跳動控制好加工參數；（5）葉根清角需小于R0.5的刀具，注意刀具的剛性和避免刀軌的干涉。

2 設備選型及工裝設計

2.1 五軸機床選型

由于葉輪尺寸較小，材質為硬鋁，可選擇五軸轉臺直徑小于200 mm雙轉臺結構的小型五軸加工中心，配置高轉速電主軸、自動換刀裝置及刀長測量器，支持RTCP五軸聯動的數控系統。筆者使用GMI-W6520型號的五軸加工此葉輪，其XYZ軸行程為660 mm×520 mm×320 mm，五軸臺面直徑為φ200 mm，擺動軸范圍±100°，旋轉軸范圍n×360°，電主軸轉速30 000 r∕min，定位精度0.008 mm，重復定位精度0.004 mm，新代200MA-5數控系統，支持RTCP聯動和G68.2傾斜面3+2定位功能。

2.2 刀柄及刀具準備

根據主軸接口類型選擇BT30刀柄ER25筒夾，刀柄長度在100 mm左右，刀具采用鋁合金加工專用錐度球刀[9]，如圖3所示，刀具規格為：R1×8°×6D×50L和R0.4×8°×4D×50L兩種型號，單邊錐角為4°，刀柄刀具總長控制在125 mm以內。

圖3 錐度球刀

2.3 夾具設計

如圖4所示，利用葉輪中心通孔用螺栓固定坯料在自制夾具上，然后通過連接板固定在機床的工作臺上，自制夾具考慮加工時擺動軸需擺動80°左右，所以需墊高50 mm即可避免刀柄與轉臺的干涉。這種簡便的夾具非常適合打樣或小量的產品試制，既經濟又快捷。

圖4 夾具設計

2.4 測量工具準備

除常規的數顯游標卡尺、高度儀、粗糙度儀以外，對于葉輪這樣的復雜型面，手工方法無法確定型面精度，主要采用三坐標測量機進行型面數據檢測。把采集到的數據與幾何建模實體進行比較來檢測加工精度。

3 葉輪專用軟件NREC編程及工藝方案

3.1 NREC MAX-PAC軟件版本及模塊

本文編程使用的軟件版本為V8，7，8，0英文版，其提供數個側重于不同銑削需要的模塊：（1）MAX-5?模塊，用于側刃銑削，側銑加工技術使葉片加工通過刀具側刃一次加工成型，MAX-5相比于其他軟件生成的刀軌可以減少80%~90%的錯誤；（2）MAX-AB?模塊，用于點銑，應用于自由曲面加工的零件，也可以應用于直紋面葉輪的高速點銑加工；（3）MAX-SI模塊，用于整體閉式葉輪的加工；（4）MAX-SB?模塊，用于單葉片的加工，專為平底或圓鼻形刀具而設計，比球頭刀具更高效；（5）3+2定軸開粗模塊，該模塊具有毛坯識別能力，允許在前次刀路的余料基礎上進行加工。本文只需應用MAX-5?和MAX-AB?兩模塊即可完成葉輪零件的編程。

3.2 葉輪模型導入及數據構建

MAX-PAC支持通用CAD軟件的三維數據模型的導入，如IGES或STEP格式等，但導入的三維模型還不能直接用來編程，必須通過構建相應的線條重新構建PART模型才能滿足MAX-PAC的算法和精度要求。分別抽取大小葉片AB面的UV曲線，定義進氣緣和出氣緣的類型及數據獲取方式，設定根部圓角的類型和大小，定義包覆面和輪轂面的骨線，如圖5所示。當正確定義好了以上條件后即可生成MAX-PAC所需的幾何數據，并可自動識別葉輪相關特征。

圖5 模型數據構建

3.3 工藝制定及切削參數

工藝制定及切削參數如表2所示。

表2 切削參數表

以上工藝及切削參數是根據工件復雜程度、工件材質、設備性能和刀具強度等特定因素的優化設定，實際上為追求更高的加工效率、更好的表面質量，可選用剛性、扭矩、功率更好的設備和更好的刀具，根據工件材質配備合理的冷卻介質。

3.4 程序編制

（1）工序一——流道粗加工程序編制要點

流道加工區間由2個大葉片、1個小葉片、輪轂面、包覆面及進氣緣出氣緣組成。MAX-PAC在計算時可自動定義合適的刀具供編程人員參考，根據實際情況選擇的刀具為錐度球刀，型號為R1×8°×6D×50L，球刀半徑為1 mm，側刃夾角為8°，柄徑6 mm，總長50 mm；加工策略為center slot，in at trail，雙向走刀；切削深度依包覆面和輪轂面的夾層均分方式，數量為2層，每層間第一刀開槽又額外增加2層，切削寬度為刀具直徑的50%；刀軸控制為點銑方式，由于此軟件產生的刀路軌跡具有極高的安全性、平滑性，因此可采用大切深、大切寬的切削參數，有利于提高粗加工效率，刀路軌跡如圖6所示。

圖6 粗加工刀軌

（2）工序二——葉片半精加工程序編制要點

由于粗加工后葉片側面的余量相當不勻稱，因此在精加工前需做半精加工以使側面余量一致，對后續精加工的平緩和減少振動有重要意義，加工策略為A-side and B-side，單向順銑；切削深度為2層；刀軸控制為側刃銑方式，由于此時葉片強度較弱特別是在進氣緣部位很容易發生變形，因此需控制好走刀進給，特別是在進氣緣部位降低速度到正常的30%，生成的刀軌如圖7所示。

圖7 葉片半精加工刀軌

（3）工序三——葉片精加工程序編制要點

刀具、策略同工序（2）相同，葉片側面余量設為零，由于此工序決定了葉片的精度和光潔度，因此，加工參數的合理設置相當重要，需根據實際機床的精度和特性設置合理的轉速和進給速度，經過多次測試與對比本案刀具轉速設為10 000 r∕min，進給設為600 mm∕min可獲得好的表面加工品質。

（4）工序四——輪轂精加工程序編制要點

輪轂部分的表面粗糙度根據不同的應用場合要求不一樣，有的要求像葉片一樣表面光滑，也有的允許有明顯刀痕殘留，只需保證流道呈流線紋路即可，不同的要求會影響加工時間。本案采用的加工策略為Wall to wall，in at trail，雙向走刀；切削寬度指定18刀均分，刀軸控制為點銑方式，刀軌如圖8所示。

圖8 輪轂精加工刀軌

（5）工序五——葉根清角程序編制要點

由于模型葉根圓角為R0.5，而前面工序用刀的最小規格是R1，還存在余料未加工到位，需單獨對葉根部位進行局部加工，MAX-PC軟件會自動偵測到根角部位，編程員只需選定方法和設定參數就可輕松生成清角刀軌。本案采用的加工策略為A-side and B-side，shroud to hub，單向走刀；切削寬度指定4刀均分，刀軸控制為點銑方式，刀軌如圖9所示。

圖9 葉根清角刀軌

（6）刀軌模擬與檢驗

NC程序在投入實際的加工之前通常需要進行試切，以檢驗NC程序的正確性和被加工零件是否達到設計要求，利用MAX-PAC的模擬仿真可以比較真實地反映出實際的切削加工過程，不僅可檢查刀路軌跡的正確性，還可以檢查加工過程中刀具與工件、刀具與機床以及刀具與夾具之間是否有碰撞、干涉和過切現象，如果仿真過程中發現刀具軌跡錯誤或有干涉現象產生，可以馬上停止并對加工程序實施修正，這樣才能保證加工質量，提高機床的使用壽命，如圖10所示MAX-PC的仿真器具有逼真、流暢、高效、高速及對電腦顯卡性能要求不高的特點。

圖10 刀軌模擬

（7）加工代碼輸出

刀軌計算完成后MAX-PC自動生成APT刀位文件，通過軟件本身的特定后處理器即可輸出特定五軸機床所需的NC代碼，除此之外，利用NX12或hyperMILL2018等通用CAM軟件的后處理器也可直接把APT刀位文件轉化成正確NC代碼，這樣就極大地增強了應用的靈活性，圖11所示為APT文件與NC代碼的格式對比。

圖11 APT與NC格式對比

4 加工實踐及結果分析

優化的設計方案需要有良好執行規范來實施，首先五軸設備精度符合GB∕T 14660—1993標準，高速大扭距動平衡主軸，配備高精度自動對刀儀，刀柄、刀具跳動在0.005 mm以內，工裝夾具及工件重量不超轉臺承重標準。其次冷卻介質選擇鋁加工水溶性專用切削液，采用多噴嘴冷卻確保轉臺擺動時無死角，因鋁合金大切削量加工時必需冷卻充分，否則很容易粘刀從而導致刀具被擠斷，最后確保無干涉的情況下刀具裝夾伸出長度盡可能的短，加工前機床需預熱，使機床的主軸、絲杠、導軌等運動部件熱態精度趨于平穩，如果停機狀態僅為數小時建議進行5~10 min的預熱，如果機床停機狀態達到多天以上建議進行30 min以上的預熱。基于以上標準在GMI-W6520五軸設備上進行了小批量的加工試驗，加工過程安全、高效，刀軸變化平穩，刀路軌跡優化，加工時長較一般通用軟件可節省30%~50%的時間，經過常規方法檢測及三座標表面點位測量，精度達到技術要求，圖12所示為加工好的成品件。

圖12 葉輪成品件

5 結束語

整體葉輪作為動力機械的關鍵部件，廣泛應用于航空航天、汽車廢汽渦輪增壓等領域，渦輪增壓葉輪轉速高[10]，旋轉運動時需保持一定的動平衡[11]，為了保證葉輪的整體精度，在加工時應盡量減少裝夾次數，其加工技術一直是制造業的一個重要課題，如何規劃葉輪加工工藝和選擇專業化的CAM編程工具對整體葉輪的制造至關重要，本案采用了美國Concepts NRECMAX-PAC專用葉輪編程軟件，獲得了理想的加工效果，相比傳統通用編程軟件可獲得更高的表面光潔度，更嚴格的公差，更少的編程和加工時間，并且學習更快，更易于使用，實際生產中可明顯提高企業的市場競爭力。