小型壓氣機葉輪五軸銑加工策略及設計考慮

高宇彬， 張虹， 畢金光

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081；2. 北京航空航天大學航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室， 北京 100191；3. 寧波威孚天力增壓技術有限公司， 浙江 寧波 315000)

?

·制造技術·

小型壓氣機葉輪五軸銑加工策略及設計考慮

高宇彬1,2， 張虹1， 畢金光3

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081；2. 北京航空航天大學航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室， 北京 100191；3. 寧波威孚天力增壓技術有限公司， 浙江 寧波 315000)

以小型車用J45渦輪增壓器壓氣機葉輪為研究對象，采用五軸銑數(shù)控加工技術，研究復雜葉片型面的加工方法，完成對加工過程中的刀路軌跡等加工參數(shù)的規(guī)劃，編制加工程序，加工出的葉輪實物表明所采用的加工方法簡單高效，滿足使用精度要求。進一步針對加工仿真及實物加工過程中出現(xiàn)的問題和難點，結合壓氣機葉輪幾何設計，在滿足氣動性能要求前提下通過調(diào)整設計參數(shù)來改善加工質(zhì)量，為考慮加工因素的壓氣機葉輪多學科優(yōu)化策略提供了依據(jù)。

離心壓氣機； 葉輪; 自由曲面; 五軸銑; 加工策略

車用渦輪增壓器所使用的離心壓氣機葉輪是典型的小尺寸復雜曲面薄壁零件，對制造技術有著嚴格的要求。早期針對此類零件的加工方法主要有蠟膜鑄造[1]、快速成型技術[2]等。隨著現(xiàn)代先進加工技術的發(fā)展，五軸數(shù)控加工以其靈活高效的加工方式、高質(zhì)量的零件表面及加工周期短的優(yōu)點而成為壓氣機葉輪制造中常用的方法。較早采用整體葉輪五軸加工技術是在火箭發(fā)動機轉(zhuǎn)子、航空發(fā)動機渦輪等大直徑關鍵部件上[3]，研究包括整體葉輪五軸銑削加工理論的數(shù)學模型和算法求解[4-6]，葉輪類零件多坐標NC編程專用軟件系統(tǒng)[7]等。隨著汽車技術的日益發(fā)展，小型車用整體葉輪的加工需求越來越多，車用壓氣機葉輪不僅直徑小，而且葉片薄、加工精度要求高，加工過程中容易出現(xiàn)干涉碰撞和嚴重的加工變形。葉輪五軸數(shù)控加工技術研究對于保證壓氣機性能、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。如何制定小型車用壓氣機葉輪的五軸加工策略，提高加工效率，進行多學科優(yōu)化設計等新的難點，有待于深入研究。

1 小直徑壓氣機葉輪的幾何特性

1.1 葉輪三維特征

現(xiàn)代氣動力學的發(fā)展使得壓氣機的性能與早期相比顯著提高，壓氣機的三維造型也比傳統(tǒng)葉片更為復雜，傾向于使用自由曲面構造葉片型面以提高壓氣機效率和工作范圍。車用增壓器小型離心壓氣機葉輪直徑小(通常30～60 mm)，流道寬度窄(最窄處 2 mm左右)，采用長短葉片，葉型曲面復雜。加工時所采用的數(shù)控編程方法和機床設備的技術參數(shù)必須滿足結構特點。

1.2 直紋面與自由曲面

常用的離心葉輪造型方法有直紋面和自由曲面兩種。直紋葉片可用直線沿一定軌跡移動生成(見圖1)，這種造型方法生成的葉片可以用線接觸的側銑法加工，加工精度高；然而源于其葉片型面生成方法的特殊性，直紋葉片的葉片角展向從根到尖只能線性變化，葉輪對進口來流的適應性受到限制。

不能用二次方程描述的曲面稱為自由曲面。考慮到葉輪的葉片造型是在近似流面的回轉(zhuǎn)面上進行，使用自由曲面造型的葉片可以給定任意個回轉(zhuǎn)面上的二維葉型，故而可以靈活地適應葉輪內(nèi)氣體的流動，設計得當可以獲得比直紋面造型更好的葉輪氣動性能。本研究的J45離心葉輪使用了基于NURBS(非均勻有理B樣條)的自由曲面進行造型設計。

自由曲面的加工方法與直紋面不同，直紋面可采用待加工面與刀具側刃線接觸的側銑法，而自由曲面只能采用待加工面與刀頭點接觸的端銑法(見圖2)。端銑法與側銑法相比，需要沿葉片展向從輪緣至輪轂分層加工，有效切削寬度減少而整體行程增大。因此，自由曲面葉型相對于直紋面葉型在加工方面的劣勢，是其雖有更好的氣動性能但應用卻不如直紋面葉型廣泛的主要原因。本研究采用MAX-AB軟件，該軟件是NREC公司在直紋面葉輪加工軟件MAX-5基礎上發(fā)展而來，適應自由曲面葉型加工。

2 小直徑壓氣機葉輪五軸加工方法

2.1 J45壓氣機葉輪初步設計和三維造型

J45壓氣機葉輪是自主設計研發(fā)的小型車用柴油機渦輪增壓器壓氣機葉輪。根據(jù)增壓器與發(fā)動機匹配的性能要求，選擇壓氣機的設計點。利用相似理論和設計經(jīng)驗，計算確定壓氣機葉輪的基本幾何參數(shù)，迭代得出平均流線截面的熱力參數(shù)，估算其損失，預測出壓氣機的性能參數(shù)。然后采用準三維氣動成型方法，調(diào)整葉輪子午流道、葉片角分布、葉片厚度、分流葉片位置等幾何參數(shù)，分析迭代計算得到的葉片—葉片載荷分布、輪轂—輪緣載荷分布、壓力系數(shù)分布等氣動參數(shù)是否合理，最終確定壓氣機的葉片數(shù)據(jù)。

J45壓氣機葉輪的部分設計參數(shù)及三維模型分別見表1和圖3。

表1 J45葉輪設計參數(shù)

2.2 J45葉輪加工過程

使用MAX-AB加工編程軟件，對J45葉輪進行加工策略的規(guī)劃、分析和數(shù)控加工編程。在數(shù)控編程前，了解機床的性能及其技術參數(shù)，防止刀具轉(zhuǎn)速和進給速度等加工參數(shù)超過機床允許值；數(shù)控編程時，分析零件的材料、形狀、尺寸和精度、表面處理的要求，在此基礎上確定加工方案、加工路線、工裝夾具、定位夾緊方法、對刀點、換刀點等，并合理選定刀具和切削用量；完成數(shù)控編程后，根據(jù)機床型號和所使用的操作系統(tǒng)將軟件生成的刀位程序轉(zhuǎn)換成機床可讀的NC程序指令，將指令輸入機床，完成葉輪的加工。整個葉輪的加工過程見圖4。

葉輪加工過程中涉及到的加工參數(shù)有刀具選擇、走刀步長、加工帶寬度、刀路軌跡、進給速度、加工余量等，本研究只針對葉輪加工中最為關鍵的刀路軌跡作詳細分析。

2.3 葉輪加工的刀路軌跡研究

刀路軌跡即刀具從進入工件到參與切削，最后退刀至工件以外的過程。不同加工工序的刀路軌跡具有明顯差異：粗加工是由運動軌跡線構成加工面，再由不同加工面積疊成層狀，涵蓋整個流道；葉片精加工和銑前緣分別是構成對葉片和前緣的包絡面；輪轂精加工則是由進口至出口或者由出口至進口的輻射狀扇形展開。

粗加工和輪轂精加工涉及到對具有長短葉片的葉輪流道區(qū)域的劃分。由圖5可知，兩長一短三個葉片將流道劃分為三個區(qū)域：左側長葉片A面和短葉片B面構成A-BS區(qū)，右側長葉片B面和短葉片A面構成AS-BR區(qū)，左側長葉片和右側長葉片構成A-BR區(qū)。

粗加工開槽時可以將三個區(qū)域單獨加工，也可以將A-BR區(qū)域以短葉片為界分給A-BS和AS-BR，作為兩個區(qū)域加工。三段法是沿流道分段加工，使得機床主軸的減速停止時間和加速啟動時間長于兩段法，加工效率遜色于兩段法；兩段法從葉輪進口邊開槽到出口邊，致使內(nèi)應力大量釋放，極易產(chǎn)生大的變形。一般壓氣機葉輪材質(zhì)為剛性強的金屬(例如鋼)時，采用兩段法; 而材質(zhì)為剛性弱的金屬(例如鋁)時，采用三段法。J45壓氣機葉輪為鍛鋁材料，加工編程時根據(jù)加工要求，在粗加工選擇三段法，在輪轂精加工工序采用兩段法。

加工編程中，葉輪的三維流道用兩個二維平面表示：B2B面和子午面。子午面的刀路軌跡生成方法有兩種，一種是等距偏置法，一種是等參數(shù)法。等距偏置法是通過對邊界曲面的等距線進行計算，以等距面作為刀頭的邊界面的一種方法，一般應用于相鄰葉片的粗加工開槽。既可選擇外輪轂作為偏置面(見圖6a)，也可選擇內(nèi)輪轂作為偏置面(見圖6b)。為防止刀具運動速度為0時對被加工件產(chǎn)生過切，刀具進、退刀點應盡量避免位于輪緣型線內(nèi)。在對葉輪粗加工開槽時，盡量選擇內(nèi)子午面的等距偏置。等距間隔一般不大于刀頭半徑的1/2。等距偏置法不僅可用于加工直紋面，也能用于加工自由曲面。

等參數(shù)線法是指參數(shù)曲面的一個參數(shù)保持不變而另一個參數(shù)有規(guī)律地變化來生成刀路軌跡的方法(見圖6c)。等參數(shù)法的特點：一是刀具的進、退刀均位于工件輪廓以外，過切的可能性低；二是刀軌與葉輪型線不相交，與工作時工質(zhì)流動方向吻合很好，流動損失小，只是刀軌明顯長于等距偏置法，加工效率偏低。

J45葉輪進行加工編程時，選擇等參數(shù)法。主要考慮刀痕對氣流的影響，刀路沿著氣流流線的方向, 對葉輪氣動性能影響較小。

圖7示出三種子午面走刀法的加工仿真，切削層數(shù)均為三層，從圖7a可明顯看到外輪廓等距偏置法的退刀軌跡位于葉輪工件輪廓內(nèi)，從圖7c可看到等參數(shù)法的刀軌由葉輪進口一直延伸到出口。

葉輪B2B面的刀路軌跡編程可以有多種方法：根據(jù)開槽位置的不同可以分為中間流道開槽和葉片型面開槽；根據(jù)起刀位置的不同可以分為由進口至出口和由出口至進口；根據(jù)切削路線的不同可以分為單程切削和之字形往復切削。

中間流道開槽有利于將內(nèi)應力均勻地釋放到兩側葉片，是葉輪粗加工的首選；本次對J45的加工選擇從進口起刀；雖然之字形切削減小刀具移動距離進而縮短空行程時間，加工效率高，但需要刀具既能順銑也能逆銑，影響刀具壽命，本加工選用單程切削。

2.4 加工參數(shù)及加工結果

J45葉輪加工編程中設置的加工參數(shù)見表2。

表2 J45葉輪加工參數(shù)

為了提高葉輪加工效率，編程中考慮刀具路徑軌跡總長度使加工時間盡量短、單個刀具路徑軌跡長度盡可能長，同時為了保證最基本的加工精度，均勻分布走刀步長和進給速度，以減小加工殘留誤差。

編程完成后，進行三維加工仿真檢查，生成代碼文件，后處理轉(zhuǎn)換成機床的NC程序。實際加工過程中需要注意的是，編程中所有的參數(shù)設置只是針對一組長短葉片的加工，在機床操作系統(tǒng)里只是一個子程序，在加工開始之前需要編制一個主程序，對子程序進行Z次調(diào)用(Z為主葉片數(shù))。最后完成的兩個葉輪實物加工件見圖8。圖8a為第一次加工件，粗加工采用外輪廓等距偏置法，輪廓上分層痕跡明顯(圖中箭頭)；圖8b為第二次加工件，粗加工采用等參數(shù)法，葉輪表面精度比第一次制品提高不少，而兩次加工參數(shù)的設置相同。這驗證了2.3小節(jié)中刀路軌跡對加工結果有顯著影響。

3 提高葉輪加工質(zhì)量的措施

3.1 J45加工中出現(xiàn)的問題及解決方法

通過加工仿真，編程人員能夠及時觀察到加工過程是否存在過切及刀具、夾具和工件的干涉等，可以修改調(diào)整加工參數(shù)來消除或減小這些不利因素的影響。圖9示出加工結果的仿真示意，通過仿真真實反映了葉輪成品的部分特征，避免不合理的加工方法對葉輪表面質(zhì)量造成的影響。

實際加工過程中會出現(xiàn)加工仿真難以發(fā)現(xiàn)的問題。例如J45葉輪加工試件，葉輪直徑小，葉片很薄，在葉輪輪轂出口和葉片尾緣不同程度地出現(xiàn)了微小的加工痕跡(見圖10)。這些不平滑的加工痕跡會對壓氣機的性能造成一定影響。

經(jīng)過現(xiàn)場分析和研究，葉輪出口刀痕的出現(xiàn)與工件振動有一定的聯(lián)系。工件振動的強弱與工件的固有頻率和加工過程中切削力的變化有關：切削力的變化頻率離葉片固有頻率越近，越接近于共振，對葉片表面的破壞性越大，痕跡越明顯。要克服這個問題，一方面要提高工件的固有頻率，即提高工件的剛度，另一方面則要減小切削力，為此需要考察刀軸矢量在加工過程中的變化。

離心葉輪出口后彎可以提高葉輪效率，但后彎角過大會給葉輪加工帶來麻煩，刀具相對起始點位移很小，轉(zhuǎn)角卻很大，刀軸矢量轉(zhuǎn)角梯度定義為

gradθ=dθ/ds。

式中：θ為刀軸轉(zhuǎn)角；s為弧長。過大的刀軸矢量轉(zhuǎn)角梯度(見圖11)意味著過大的切削力，使工件表面產(chǎn)生切痕。

傳統(tǒng)上減小切削力的辦法是降低進給速度，但是付出了時間成本，減小切削力的著眼點仍應放在減小刀軸矢量轉(zhuǎn)角梯度上。

J45葉輪在設計階段采用了貝塞爾曲線構建子午流道型線，保證曲率的連續(xù)性；在S2流面通流計算中創(chuàng)建連接輪緣和輪轂控制點的準正交線，來計算中間展向點的葉片幾何參數(shù)。準正交線在應用于氣動計算的同時，也控制著刀軸矢量的分布，因為加工過程中刀軸矢量保持與準正交線指向一致。本研究通過改變準正交線沿子午流道的分布，減小了刀軸矢量在子午面上的轉(zhuǎn)角(見圖12)。

3.2 考慮加工的葉輪優(yōu)化設計

減小刀軸矢量在子午面上的轉(zhuǎn)角能夠達到降低切削力的目的，本研究進一步考慮對原葉輪進行優(yōu)化設計，意圖在保持葉輪氣動性能的同時提高其可加工性。

原設計時葉輪采用較大的后彎角雖然有利于提高效率，但是對機床銑削加工不利。由圖13a可看出，優(yōu)化前葉輪出口后彎角達到了48°，超出了一般離心壓氣機的參考值，葉輪尾緣的加工痕跡與此有很大關系。在葉片的三維設計階段，將葉片出口后彎角限制在45°，最終獲得的葉片角分布見圖13b。

如圖14的加工仿真示意，在調(diào)整子午面準正交線分布和葉型修改后，刀具在葉輪出口刀軸矢量轉(zhuǎn)角梯度與圖11相比明顯減小，表面加工質(zhì)量得到明顯改善(見圖15)。

4 結論

a) 與內(nèi)輪廓偏置法和外輪廓偏置法相比，等參數(shù)法因為刀路軌跡與氣流方向一致，在輪轂流道上不產(chǎn)生痕跡，更適用于小型離心壓氣機葉輪的葉片精加工；

b) 對后彎葉輪的五軸銑加工會遇到葉輪尾緣部分刀軸矢量轉(zhuǎn)角過大的問題，導致該部分出現(xiàn)加工痕跡；對子午面準正交線進行調(diào)整可以減小刀軸矢量轉(zhuǎn)角，提高加工質(zhì)量；

c) 在葉輪的三維造型設計階段對葉片型面作些許調(diào)整可以在不影響葉輪氣動性能的前提下提高葉輪的可加工性，避免了通過降低進給速度而造成的加工成本上升，在葉輪設計與加工的統(tǒng)籌考慮方面具有借鑒意義。

[1] 陳長明,黃宏偉,王海平.蠟模制造后掠式壓氣機葉輪[J].內(nèi)燃機工程,1982,3(4)：75.

[2] 張虹,馬朝臣,楊長茂.利用快速成型技術制造壓氣機葉輪整體模具研究[J].內(nèi)燃機工程,2002,23(1)：13-15.

[3] 耿強,劉曉哲,程衛(wèi)祥.航空精密小葉輪數(shù)控加工技術[J].硅谷，2012(18)：67-68.

[4] 趙世田,趙東標.自由曲面加工刀具路徑軌跡規(guī)劃算法研究[D].南京：南京航空航天大學,2011.

[5] 蔡永林,席光,樊宏周,等.任意曲面葉輪五坐標數(shù)控加工刀具軌跡生成[J].西安交通大學學報,2003，37(1)：77-80.

[6]LiangQ,WangYZ,FuHY,etal.Cuttingpathplanningforruledsurfaceimpellers[J].ChineseJournalofAeronautics，2008(21)：462-471.

[7] 蔡永林,席光,查建中.任意扭曲直紋面葉輪數(shù)控側銑刀位計算與誤差分析[J].西安交通大學學報,2004,38(5):517-520.

[8] 孫全平,廖文和,何寧. 葉輪流道5軸高速銑加工刀軌計算[J].南京航空航天大學學報,2006，38(5)：639-643.

[9]AliLasemi,DeyiXue,PeihuaGu.RecentdevelopmentinCNCmachiningoffreeformsurfaces:Astate-of-the-artreview[J].Computer-AidedDesign,2010,42:641-654.

[10]CONCEPTSNREC.MAX-PACUserGuide:TheTurbomachineryCutter-PathGenerationSystemwithMAX-5,MAX-AB,andMAX-SI[M].[S.l.]：ConceptsETI,2008.

[編輯： 潘麗麗]

Machining Strategy of 5-Axis Milling and Design Considerations for Small Centrifugal Compressor Impeller

GAO Yubin1，2， ZHANG Hong1， BI Jinguang3

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081， China；2. National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China；3. Ningbo Weifu Tianli Turbocharging Technology Co.， Ltd.， Ningbo 315032， China)

The machining method of complex blade was researched with 5-axis milling machining technology by taking J45 turbocharger compressor impeller used in small vehicle as the research object. The planning of machining parameters such as cutter path was completed, the machining procedure was compiled and the impeller machining was conducted. The machined impeller verified that the method was simple and easily realized and met the precision requirements. For the problems and difficulties in the milling process, the geometry parameters of compressor were adjusted to improve the machining quality on the premise of better aerodynamic performance. Accordingly, the method brought the reference for the multi-disciplinary optimization strategy of compressor impeller.

centrifugal compressor； impeller; arbitrary surface; 5-axis milling; machining strategy

2014-09-29；

2015-01-08

國家自然科學基金資助項目(51375048)

高宇彬(1990—)，男，碩士，主要研究方向為葉輪機氣動力學及增壓技術；gaoyubin4330700@163.com。

張虹(1971—)，女，副教授，博士，主要從事內(nèi)燃機技術的研究；zhanghong@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.018

TK412

B

1001-2222(2015)03-0087-06