论文部分内容阅读
摘 要：该文以某涡轮增压发动机叶轮为例，对该叶轮的选材和成型方法进行分析，通过分析选择铣削加工方式生产叶轮，对加工叶轮的主要加工工序进行详细的分析，提出了一套实际方便的加工方案，并将所编制的数控程序在vericut7.2中进行模拟仿真及在机床中实际加工验证了此加工方案的正确性。
关键词：叶轮 加工 vericut7.2
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：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.
随着当今时代的迅速发展，涡轮增压发动机广泛应用于航空航天、汽车、船舶的行业，涡轮增压发动机主要元件为涡轮增压器，而涡轮增压器的核心部分是涡轮叶轮，在整个过程中，由涡轮吸入发动机排出的废气，在经过叶轮进行空气压缩进而转换为机械能增加动力[1]。在整个运转过程中，为了输出动力的稳定性，必须保证叶轮的正确性，其中包括叶轮的选材、制造精度等。为此，该文对某涡轮增压发动机叶轮在成型方法、材料选择、主要工艺环节进行了分析。
1 叶轮成型方法及材料选择
由于叶轮处于中间转换功能的角色，经常在高温、高压、高转速环境下工作，所以对其内部组织和成型精度要求较高，目前，制造叶轮的主要生产方法有如下几种[2]。
（1）铸造叶轮。
采用传统的工艺方法，使用砂型铸造方式铸造成型，但是在铸造生产中经常出现气孔、砂眼、夹渣等缺陷。并需要二次加工。在铸造过程中，经常采用铸铝ZL1401。
（2）铣削加工方式。
铣削加工选用圆柱型整体棒料，选择硬铝合金LY11，在加工过程中，采用车床与五轴机床相结合的方式进行加工，但是，此方法对编程人员的要求较高。
（3）3D打印方式。
目前3D打印处于盛热时代，可以采用激光烧结技术，应用堆积原理对叶轮进行直接打印，但由于3D打印技术并不是很成熟的技术，打印速度非常慢，导致生产效率低，不适宜批量生产。
2 叶轮的加工工艺分析
该公司是大批量生产，所以采用方法二铣削加工方式进行加工，如图1所示为叶轮三维模型图，该叶轮共有9个叶片组成，两叶片之间栅距短，叶片与轮毂之间光滑过渡，叶片曲率大，在加工过程中主要采用以下工序[3]（见表1）。
2.1 主要工序分析
（1）车削包覆面。
根据叶轮包覆面的几何尺寸，进行自动编程，加工过程中采用先粗后精的原则，保证包覆面的尺寸精度和表面粗糙度。
（2）粗铣流道。
叶轮的流道较深且狭长，采用普通的三轴加工中心无法加工，必须采用五轴机床进行加工，编写此流道的粗加工程序采用高级CAM软件UG10.0，采用直径为10 mm的硬质合金球刀，每层切削深度为0.6 mm，考虑到叶片易发生变形，主轴转速S为2500 r/min，进给速度F1500 mm/min。编程时只需编写一个流道的程序，剩余其它流道只需在机床内部改变机床的初始角度即可，生成的流道粗加工刀轨图以及仿真图如图2所示。
（3）半精、精铣叶片。
此涡轮增压发动机叶轮是整体式叶轮，叶片与轮毂部分为一体，叶片的前缘厚度为0.8 mm，后缘厚度为1.6 mm，而且叶片曲率非常大，加工过程中容易发生形变。采用直径为8 mm的锥形硬质合金球头刀，切屑深度为0.15 mm，半精余量为0.1 mm，要注意叶片的前缘部分为圆角过渡，刀位点位置变化小刀轴矢量变化大，应在UG10.0中设置在拐角处进行减速，避免出现机床抖动现象。生成的刀轨图及仿真图如图3所示。
（4）半精、精铣流道。
轮毂部分属于狭窄曲面，加工时应注意刀轴与叶片间的避让，铣削流道时将两侧叶片设为检查体，采用直径为8 mm的锥形硬质合金球头刀，切屑深度为0.1 mm，余量为0 mm，主轴转速S为3000 r/min，进给速度F1800 mm/min。生成的刀轨图及仿真图如图4所示。
3 叶轮虚拟仿真和实际加工
在UG10.0中，经以上工序的数控编程、生成刀轨、输出CLSF文件，再用五轴双摆头机床专用后置处理器进行后置处理[4]，得到未经仿真的NC代码。下面将使用VERICUT仿真软件对为仿真的NC代码进行仿真[5]，具体步骤如下： （1）建立机床模型，根据五轴双摆头机床的结构与尺寸在三维软件中进行建模，按照顺序输出VERICUT7.2所识别的.STL格式文件，最后按次序逐个导入VERICUT即可。
（2）调用机床的控制系统，在软件内找到机床库的控制文件，找到SIEMENS840D系统并调用。
（3）建立刀具库，根据在UG10.0中使用的刀具参数（如直径、刀长、刀号）与实际机床上的刀柄，在软件内建立与上述的信息一致的刀具、刀柄，保存到刀具库。
（4）调用夹具、毛坯，夹具与毛坯的模型可以在该软件内直接建模，也可在三维软件中建好在导入，根据叶轮毛坯尺寸，在软件内直接建模即可。
（5）建立坐标系与G代码偏置，在本软件内添加一个新的坐标系，使这个坐标系与编程坐标系重合，在驱动G代码偏置按钮，设置成从刀具相对新建的坐标系。
（6）调入NC程序、仿真，将转换好的NC代码放大指定路径处，在软件内找到该程序，先选择“单步仿真”，观察是否有撞刀及过切处[6]。
采用XH2440五轴机床，该机床配有SIEMENS 840D系统。将仿真后的数控代码用U盘传入XH2440五轴机床加工。加工后的实物图如图5所示。
4 结语
通过对某涡轮增压发动机叶轮实体模型进行分析，提出三种加工方案，针对本公司的生产量选择方案二，并对方案二的主要加工工序进行分析，采用该分析方案对此叶轮进行了虚拟仿真和实际加工，通过实物与三维模型对比验证了该加工方案的正确性和实用型。
参考文献
[1] 周莹君.基于UG NX的5轴联动高速铣削加工中心后置处理软件的研发[D].同济大学硕士学位论文，2005：13-14.
[2] 范智广，沈玉琢，吕建忠.UG在三元叶轮加工中的应用及研究[J].机械设计与制造，2011（7）：120-121.
[3] 赵世田，孙殿柱，孙肖霞.基UGPOST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发[J].组合机床与自动化加工技术，2006（1）：26-29.
[4] 唐清春，吴汉夫.基于CimatronE的四轴后置处理软件开发[J].设计与研究，2010（6）：15-17.
[5] 赵真.Eclipse开发技术详解[M].化学工业出版社，2010.
[6] 唐清春，吴汉夫.叶片五坐标联动加工后置处理开发及应用[J].汽轮机技术，2009，51（6）：475-477.
关键词：叶轮 加工 vericut7.2
中图分类号：TK263 文献标识码：A 文章编号：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.
随着当今时代的迅速发展，涡轮增压发动机广泛应用于航空航天、汽车、船舶的行业，涡轮增压发动机主要元件为涡轮增压器，而涡轮增压器的核心部分是涡轮叶轮，在整个过程中，由涡轮吸入发动机排出的废气，在经过叶轮进行空气压缩进而转换为机械能增加动力[1]。在整个运转过程中，为了输出动力的稳定性，必须保证叶轮的正确性，其中包括叶轮的选材、制造精度等。为此，该文对某涡轮增压发动机叶轮在成型方法、材料选择、主要工艺环节进行了分析。
1 叶轮成型方法及材料选择
由于叶轮处于中间转换功能的角色，经常在高温、高压、高转速环境下工作，所以对其内部组织和成型精度要求较高，目前，制造叶轮的主要生产方法有如下几种[2]。
（1）铸造叶轮。
采用传统的工艺方法，使用砂型铸造方式铸造成型，但是在铸造生产中经常出现气孔、砂眼、夹渣等缺陷。并需要二次加工。在铸造过程中，经常采用铸铝ZL1401。
（2）铣削加工方式。
铣削加工选用圆柱型整体棒料，选择硬铝合金LY11，在加工过程中，采用车床与五轴机床相结合的方式进行加工，但是，此方法对编程人员的要求较高。
（3）3D打印方式。
目前3D打印处于盛热时代，可以采用激光烧结技术，应用堆积原理对叶轮进行直接打印，但由于3D打印技术并不是很成熟的技术，打印速度非常慢，导致生产效率低，不适宜批量生产。
2 叶轮的加工工艺分析
该公司是大批量生产，所以采用方法二铣削加工方式进行加工，如图1所示为叶轮三维模型图，该叶轮共有9个叶片组成，两叶片之间栅距短，叶片与轮毂之间光滑过渡，叶片曲率大，在加工过程中主要采用以下工序[3]（见表1）。
2.1 主要工序分析
（1）车削包覆面。
根据叶轮包覆面的几何尺寸，进行自动编程，加工过程中采用先粗后精的原则，保证包覆面的尺寸精度和表面粗糙度。
（2）粗铣流道。
叶轮的流道较深且狭长，采用普通的三轴加工中心无法加工，必须采用五轴机床进行加工，编写此流道的粗加工程序采用高级CAM软件UG10.0，采用直径为10 mm的硬质合金球刀，每层切削深度为0.6 mm，考虑到叶片易发生变形，主轴转速S为2500 r/min，进给速度F1500 mm/min。编程时只需编写一个流道的程序，剩余其它流道只需在机床内部改变机床的初始角度即可，生成的流道粗加工刀轨图以及仿真图如图2所示。
（3）半精、精铣叶片。
此涡轮增压发动机叶轮是整体式叶轮，叶片与轮毂部分为一体，叶片的前缘厚度为0.8 mm，后缘厚度为1.6 mm，而且叶片曲率非常大，加工过程中容易发生形变。采用直径为8 mm的锥形硬质合金球头刀，切屑深度为0.15 mm，半精余量为0.1 mm，要注意叶片的前缘部分为圆角过渡，刀位点位置变化小刀轴矢量变化大，应在UG10.0中设置在拐角处进行减速，避免出现机床抖动现象。生成的刀轨图及仿真图如图3所示。
（4）半精、精铣流道。
轮毂部分属于狭窄曲面，加工时应注意刀轴与叶片间的避让，铣削流道时将两侧叶片设为检查体，采用直径为8 mm的锥形硬质合金球头刀，切屑深度为0.1 mm，余量为0 mm，主轴转速S为3000 r/min，进给速度F1800 mm/min。生成的刀轨图及仿真图如图4所示。
3 叶轮虚拟仿真和实际加工
在UG10.0中，经以上工序的数控编程、生成刀轨、输出CLSF文件，再用五轴双摆头机床专用后置处理器进行后置处理[4]，得到未经仿真的NC代码。下面将使用VERICUT仿真软件对为仿真的NC代码进行仿真[5]，具体步骤如下： （1）建立机床模型，根据五轴双摆头机床的结构与尺寸在三维软件中进行建模，按照顺序输出VERICUT7.2所识别的.STL格式文件，最后按次序逐个导入VERICUT即可。
（2）调用机床的控制系统，在软件内找到机床库的控制文件，找到SIEMENS840D系统并调用。
（3）建立刀具库，根据在UG10.0中使用的刀具参数（如直径、刀长、刀号）与实际机床上的刀柄，在软件内建立与上述的信息一致的刀具、刀柄，保存到刀具库。
（4）调用夹具、毛坯，夹具与毛坯的模型可以在该软件内直接建模，也可在三维软件中建好在导入，根据叶轮毛坯尺寸，在软件内直接建模即可。
（5）建立坐标系与G代码偏置，在本软件内添加一个新的坐标系，使这个坐标系与编程坐标系重合，在驱动G代码偏置按钮，设置成从刀具相对新建的坐标系。
（6）调入NC程序、仿真，将转换好的NC代码放大指定路径处，在软件内找到该程序，先选择“单步仿真”，观察是否有撞刀及过切处[6]。
采用XH2440五轴机床，该机床配有SIEMENS 840D系统。将仿真后的数控代码用U盘传入XH2440五轴机床加工。加工后的实物图如图5所示。
4 结语
通过对某涡轮增压发动机叶轮实体模型进行分析，提出三种加工方案，针对本公司的生产量选择方案二，并对方案二的主要加工工序进行分析，采用该分析方案对此叶轮进行了虚拟仿真和实际加工，通过实物与三维模型对比验证了该加工方案的正确性和实用型。
参考文献
[1] 周莹君.基于UG NX的5轴联动高速铣削加工中心后置处理软件的研发[D].同济大学硕士学位论文，2005：13-14.
[2] 范智广，沈玉琢，吕建忠.UG在三元叶轮加工中的应用及研究[J].机械设计与制造，2011（7）：120-121.
[3] 赵世田，孙殿柱，孙肖霞.基UGPOST五轴联动加工中心专用后置处理器的研发[J].组合机床与自动化加工技术，2006（1）：26-29.
[4] 唐清春，吴汉夫.基于CimatronE的四轴后置处理软件开发[J].设计与研究，2010（6）：15-17.
[5] 赵真.Eclipse开发技术详解[M].化学工业出版社，2010.
[6] 唐清春，吴汉夫.叶片五坐标联动加工后置处理开发及应用[J].汽轮机技术，2009，51（6）：475-477.