葉輪的數字化設計與制造實踐*

李富榮

(銀川能源學院,寧夏 銀川 750100)

1 引言

壓氣機葉輪是渦輪增壓系統中的核心零件,它與渦輪葉片連接在一起,共同形成渦輪增壓器。壓氣機葉輪上有許多呈類洋蔥狀的葉片,隨著發動機排出的氣體流經層層加速旋轉,將氣體壓縮后送入發動機燃燒室,實現增壓的效果[1]。其工作原理如圖1所示。由于整體葉輪的形狀比較復雜,葉片的扭曲大,加工極易發生干涉,因此其加工的難點是流道、葉片的粗、精加工[2]。

圖1 渦輪增壓系統的工作原理

2 葉輪的3D結構設計與CAM

2.1 葉輪的3D結構設計

葉輪中的每一個葉片都是由一條空間曲線沿與葉輪旋轉軸相垂直的方向形成的扭曲面,其精度直接影響汽車渦輪增壓裝置的性能。

在SolidWorks 2022軟件中,通過建立零件草圖、創建基座立體模型、創建3D草圖生成單個葉片、陣列葉片等步驟最終完成葉輪三維模型的創建(見圖2)。

圖2 葉輪的3D模型

2.2 葉輪零件的CAM

為了保證葉輪零件的整體加工精度,本文選用五軸加工中心進行加工,采用CAXA制造工程師2022軟件生成葉輪零件的加工程序并對其進行優化仿真。具體步驟如下。

1)三維模型轉換為CAXA文件。將應用SolidWorks軟件繪制完成的渦輪零件圖另存為格式為“.igs”的文件,在CAXA制造工程師2022軟件中將另存的“.igs”文件打開。SolidWorks轉換成CAXA格式的對話框如圖3所示。

2)定義毛坯。葉輪通常在700～800 ℃高溫的排氣環境下工作,且要承載一定的離心力和流體壓力,故所用的材料應有一定的力學性能。本次以鎳基耐熱合金鋼為例,進行數控加工刀位點軌跡的生成。

打開CAXA制造工程師2022軟件,在最左邊的軌跡管理欄中點擊毛坯,在彈出的對話框中定義毛坯(見圖4)。

圖4 毛坯定義

3)刀位點軌跡的生成。葉片之間的間隙狹小,葉片相對較薄,葉片的扭曲幅度較大,葉片、流道、葉根表面的精度要求都比較高,故先采用等高線3軸聯動進行外輪廓粗精加工,再采用五軸聯動對每個葉片進行粗精加工。

在加工菜單欄中選取等高線粗加工命令,按圖5所示設置彈出對話框中的數據,選取加工部位,最終會生成粗加工刀位點運動軌跡;同樣方式通過菜單欄中的等高線精加工命令,生成等高線精加工刀位點運動軌跡。

圖5 等高線加工參數設置

在加工菜單欄中選取葉輪粗加工命令(見圖6),進行單個葉片粗加工軌跡的生成(見圖7)。加工順序選擇深度優先,走刀方向選擇從上到下,葉片上、下部延長量各為1 mm,最大步長20 mm,加工層數10,葉面加工余量0.3 mm,葉輪底面加工精度0.01 mm,起止高度設為150 mm,安全高度設為100 mm,回退距離設為30 mm,主軸轉速設為3 000 r/min,慢速的下刀、退刀速度均設為1 000 m/min,切削速度設為200 m/min。在刀具參數設置中,選擇球頭銑刀,刀桿長度為80 mm,刀刃的長度為50 mm,刀具直徑為50 mm。

圖6 葉輪粗加工參數設置

圖7 葉輪粗加工刀位點運動軌跡生成

選取葉輪的底面、左邊側面和右邊側面為加工面,就可生成單個葉片五軸粗加工刀具運動軌跡。同樣方式可生成所有葉片粗精加工刀具運動軌跡。

4)數控加工模擬驗證。選取前面生成的刀具運動軌跡數據,單擊鼠標右鍵選取后,通過動態驗證菜單工具進行五軸加工刀具軌跡的模擬驗證,其驗證結果如圖8所示。如果在模擬驗證過程中出現干涉、過切、少切等加工問題,應重新設置加工參數,重新生成刀具刀位點運動軌跡。

圖8 五軸加工刀具軌跡驗證

3 后置代碼生成與虛擬仿真加工

在下拉列表菜單中選中后置處理,按圖9所示設置機床相關參數,點擊生成G代碼,將生成的G代碼保存成“.txt”格式。

圖9 數控加工后置處理

打開VERICUT仿真軟件,選取FANUC-0i系統的五軸聯動數控機床,根據CAXA制造工程師中的相關參數設置夾具、毛坯、坐標系并添加相關刀具,導入前面生成的數控加工程序。在完成虛擬加工準備工作后,單擊“開始”按鈕,進行虛擬加工仿真(見圖10)。

圖10 VERICUT軟件加工仿真

虛擬加工完成后,通過VERICUT仿真軟件中的“FORCE模塊”分析和優化數控程序加工過程中的切削狀態[3]。在VERICUT仿真軟件的刀具優化菜單中選擇“屑厚&力”,按照圖11所示設置菜單參數,進行切削力和切削厚度測試,測試結果如圖12所示。

圖11 FORCE優化設置

圖12 FORCE優化前最大切削厚度和總切削力曲線

影響零件加工質量和刀具使用壽命的因素可能是切削厚度和切削力,由圖12可知,這兩項加工指標均不穩定。為了獲得更加穩定的切削狀態,選取0.075 mm的最大切削厚度、150 N的總切削力進行優化,結果如圖13所示。

圖13 FORCE優化后最大切削厚度和總切削力曲線

由圖13可知,經過FORCE優化之后的NC程序進行加工,不僅能獲得較穩定的切削厚度和總切削力,而且能提高刀具使用壽命,還能提高零件加工質量[4]。

優化后的進給速度隨著加工軌跡的變化做了適時調整,在其加工過程中能保持穩定的切削力,也節約了約31%的加工時間[5]。

4 程序傳輸與DNC加工

本次采用FANUC-0i數控系統和佛山育能裝備有限公司提供的五軸數控加工機床進行加工。硬件連接如圖14所示。

圖14 計算機與數控裝置的硬件連接

1)Win PCIN通信軟件的設置。啟動筆記本電腦,因為電腦無法識別USB-RS232轉接線,所以系統會提示:“發現新的硬件”,因此要按照提示安裝USB-RS232C轉接驅動[6]。

運行軟件后,單擊RS232菜單按鈕進入設置界面,根據PC使用的通信端口對“進行串口、波特率、奇偶檢驗、停止位、傳送數據位數”等參數進行設置[7]。

2)FANUC-0i數控系統設置的相關參數與Win PCIN參數相同。啟動數控機床后,確保數控機床無任何報警后,依次選擇、、,在數控系統設置菜單一欄中設置如下參數:設備之間數據傳輸的路徑I/O通道設置為1,通信的波特率設置9 600,設置成2個停止位,校驗位設置成關閉[8]。

3)數控加工程序傳輸。將數控機床操作面板上的模式按鈕旋轉到“EDIT模式”,程序鑰匙開關置于“0”狀態,依次選擇、、、鍵,顯示屏上出現閃爍的“LSK”,在PC端Win PCIN軟件主界面點擊“Sent Data”按鈕,選擇程序存儲路徑和程序名后點擊確認按鈕,加工程序就會傳送到數控機床的數控系統[9]。

4)DNC加工。確認刀具和毛坯安裝無誤并進行對刀后,將數控機床操作面板上的模式按鈕旋轉到“DNC模式”,按“程序啟動”按鈕進行數控加工[10],加工完成后的零件如圖15所示。

圖15 數控機床上加工出的葉輪

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)本文通過對渦輪增壓裝置中葉輪零件的數字化設計與制造過程的詳細介紹,展示了數字化制造

的全過程。從三維模型建立到刀具運動軌跡和程序優化仿真,再到程序傳輸和在線DNC加工,每一個環節都對最終的制造結果有著重要影響。

2)在渦輪增壓裝置的制造過程中,葉輪零件的形狀復雜,精度要求高,數字化制造的運用極大地提高了該零件的設計制造效率和質量。

3)數字化設計與制造將在未來的機械制造領域發揮更加重要的作用。