基于Cimatron E8.5的渦輪增壓器整體葉輪五軸數(shù)控加工技術(shù)研究

付大鵬，馬艷麗

（東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林132012）

0 引言

渦輪葉輪是車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓器的關(guān)鍵零部件，其特點(diǎn)是：葉片薄、扭曲大和葉片間隔小。其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，為了得到高質(zhì)量的渦輪葉輪，要對(duì)其進(jìn)行整體加工。整體葉輪加工是指輪轂和葉片在同一個(gè)毛坯上進(jìn)行整體加工，其難點(diǎn)就在于扭曲流道和超薄大扭曲葉片的加工。對(duì)于整體葉輪加工，通常采用鑄造成型后拋光的方法，該方法的缺點(diǎn)是模具復(fù)雜，且難保證葉片精度，動(dòng)平衡性差，生產(chǎn)周期也比較長(zhǎng)。本文對(duì)葉輪進(jìn)行逆向造型，再應(yīng)用Cimatron E8.5軟件對(duì)葉輪進(jìn)行五軸仿真加工。為整體葉輪的生產(chǎn)提供了一個(gè)更快、更精和更省的方法[1]。

1 葉輪的逆向造型

渦輪增壓器整體葉片曲面是大扭曲的變截面，運(yùn)用逆向造型技術(shù)進(jìn)行整體葉輪的三維造型，它可以對(duì)整體葉輪進(jìn)行快速反求,實(shí)現(xiàn)整體葉輪的快速設(shè)計(jì)和制造[2]，從而提高效率、準(zhǔn)確性及縮短整體葉輪的設(shè)計(jì)周期。

圖1 葉輪原始數(shù)據(jù)

圖2 處理后的葉片點(diǎn)云

圖3 采用內(nèi)插法曲線的曲線偏差分析

圖4 采用公差曲線的曲線偏差分析

用三維掃描儀對(duì)其進(jìn)行掃描，得到葉輪數(shù)據(jù)如圖1所示，利用Imagware軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行修改、簡(jiǎn)化和光順處理，得到單個(gè)葉片點(diǎn)云如圖2所示。再利用Imagware軟件由點(diǎn)云構(gòu)造曲線。采用“內(nèi)插法曲線”的曲線偏差分析如圖3所示，采用“公差曲線”的曲線偏差分析如圖4所示，對(duì)比偏差圖可以看出采用“內(nèi)插法曲線”的曲線偏差最大為1.466e-005，且各各數(shù)之間變化大，而采用“公差曲線”的曲線偏差最大為1.36e-005，且各各數(shù)之間變化小，說(shuō)明采用“公差曲線”時(shí)的偏差變化比較平緩且更接近真實(shí)的葉輪形狀，所以為了保持葉片原狀及減小偏差，選取“公差曲線”構(gòu)造曲線。接著在三維造型軟件Pro/E中采用“邊界混合”，由曲線生成葉片曲面。通過(guò)陣列和加厚成型，如圖5所示。

2 整體葉輪的加工工藝分析

渦輪增壓器整體葉輪由多個(gè)葉片組成，且單個(gè)葉片的厚度很薄，扭曲大，剛度小，且流道比較狹窄，在加工時(shí)很容易變形和發(fā)生碰撞[3]，其葉輪的加工重點(diǎn)和難點(diǎn)就在此。為了提高加工效率，先車削加工出基準(zhǔn)面和葉輪回轉(zhuǎn)體的基本毛坯，如圖6所示。

圖6 為開槽做的整體葉輪毛坯

而后進(jìn)行流道的開槽粗加工，為了保證加工質(zhì)量，流道的開槽采用多行開粗；最后進(jìn)行葉片型面精加工，為了減小葉片變形，使型面更加光順，曲面路徑選擇“兩曲線之間仿形銑”。

3 葉輪的五軸數(shù)控加工刀路軌跡生成

圖7 流道多行開粗

Cimatron E 8.5軟件為我們提供了數(shù)控加工編程和模擬仿真，根據(jù)要加工零件的外形結(jié)構(gòu)不同分別選擇加工方法，方便快捷，而且在模擬仿真中可以實(shí)驗(yàn)程序的正確性，以便及時(shí)更改[4]。渦輪增壓器整體葉輪的刀路軌跡生成可分為粗加工軌跡和精加工軌跡兩個(gè)階段。

3.1 流道開槽銑削

粗加工階段采用“多行開粗”進(jìn)行流道開槽，如圖7所示。刀具選擇球頭銑刀，加工方法選擇“高級(jí)五軸”“航空銑”，銑削方式為“兩曲面之間仿形銑”，其優(yōu)點(diǎn)：1）可以使刀路軌跡在兩曲面之間均勻分布且美觀；2）刀具可以很好的避開兩葉片，有效地防止干涉。另外刀軸控制中，刀軸傾斜方式為“相對(duì)于切削方向傾斜”，切削方向上的傾斜角為-22°，可以通過(guò)調(diào)整該角度來(lái)避免干涉。

3.2 葉片型面銑削加工

精加工階段即對(duì)葉片型面進(jìn)行加工，葉片型面加工要對(duì)其葉片正面和反面加工，為了減小變形和提高型面質(zhì)量，切削參數(shù)中采用高速和變速加工，刀具選擇球頭銑刀，加工方法都選擇“高級(jí)五軸”“航空銑”，曲面路徑選擇“兩曲線之間仿形銑”，使刀具在兩曲線之間生成方向性很好的刀路軌跡。葉片反面刀路軌跡如圖9所示，刀軸控制中，刀軸傾斜方式為“相對(duì)于切削方向傾斜”，切削方向上的傾斜角為70°，這樣可以使刀具很好地避開其他葉片，避免干涉和碰撞。.葉片正面刀路軌跡如圖10所示，刀軸控制中，刀軸傾斜方式為“相對(duì)于切削方向傾斜”，切削方向上的傾斜角為80°，優(yōu)點(diǎn)和加工反面一樣。

圖9 葉片反面的刀路軌跡

圖10 葉片正面刀路軌跡

4 加工干涉檢驗(yàn)及后置處理

加工刀路軌跡生成后，進(jìn)行“高級(jí)仿真”如圖11所示，可以檢查所生成的刀路軌跡是否合理及刀具是否會(huì)產(chǎn)生碰撞和過(guò)切現(xiàn)象，從而再對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題進(jìn)行分析，重新修改加工程序，對(duì)刀路軌跡進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，反復(fù)進(jìn)行直到刀路軌跡達(dá)到最好[5]。

5 結(jié)論

本文主要介紹了通過(guò)逆向工程技術(shù)對(duì)整體葉輪超薄大扭曲葉片進(jìn)行逆向造型和基于Cimatron E8.5的五軸加工仿真。為了提高加工質(zhì)量和減小超薄大扭曲葉片在加工中的變形，利用Cimatron E8.5軟件仿真加工中對(duì)流道進(jìn)行多行開粗，曲面路徑選擇“兩曲線之間仿形銑”。從而使仿真加工效率和加工質(zhì)量都有所提高,而且也彌補(bǔ)了人工編程的不足。對(duì)復(fù)雜的整體曲面零件加工提供了很好的方法。

圖11 五軸高級(jí)仿真

[1] 陳濤, 鐘毅芳, 周濟(jì).自由曲面5軸數(shù)控加工刀位軌跡的生成算法[J].計(jì)算機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001, 37(12): 100-103.

[2] 金濤, 水光.逆向工程技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2003: 42.

[3] 趙軍, 鄧建新, 艾興.數(shù)控加工工藝[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2001: 52-80.

[4] 周濟(jì), 周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2002: 95-100.

[5] Spivak, G.Constant scallop height tool path generation for fi ve-axis ulp ured surface machining[J].Computer Aided Design, 2002 (34): 647-654