增壓器葉輪多軸聯(lián)動(dòng)高效加工工藝與編程技術(shù)研究

鐘國(guó)成

摘要：增壓器葉輪是一種很復(fù)雜的零部件，它采用多軸高效聯(lián)動(dòng)加工工藝進(jìn)行制造，而多軸高效聯(lián)動(dòng)加工工藝是國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)、軍工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，它的技術(shù)研究對(duì)于我國(guó)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)是重中之重。本文圍繞此工藝，針對(duì)實(shí)際過(guò)程多軸加工中存在的一些問題，從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析其加工工藝，針對(duì)多軸加工中的問題提出更加有效的方法和研究。

關(guān)鍵詞：增壓器葉輪;多軸聯(lián)動(dòng);加工工藝

中圖分類號(hào)：TK413.51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0100-02

0? 引言

渦輪增壓器最開始被應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的需求，渦輪增壓技術(shù)被不斷的完善，逐漸被應(yīng)用于各種各樣的制造行業(yè)，需求量也越來(lái)越大。葉輪作為渦輪增壓器的重要部件，隨著人們對(duì)于增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷追求和節(jié)約能源的理念，各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)開始將多軸高效的加工工藝作為研究的重點(diǎn)和未來(lái)企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。多軸聯(lián)動(dòng)的銑削加工技術(shù)因?yàn)楦咝А㈧`活、表面質(zhì)量高和制造中求短等優(yōu)勢(shì)發(fā)展為整體葉輪加工的主流方法。現(xiàn)在渦輪增壓的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，葉輪在增壓器里面也是最重要的部件，因此企業(yè)對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，研究出一種新型的加工工藝對(duì)于企業(yè)而言是具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

1? 增壓器葉輪多軸加工

1.1 增壓器葉輪制造

渦輪增壓器的工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣沖擊渦輪使其高速旋轉(zhuǎn)，然后帶動(dòng)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此增壓器的葉輪就是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的核心部件，它的制造技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的高效需求息息相關(guān)，促使了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。但是葉輪通常能夠?yàn)檎w葉輪，但是它復(fù)雜的曲面加工一直是行業(yè)內(nèi)的難題。傳統(tǒng)的加工工藝制造的葉輪質(zhì)量很差，使用壽命也很短。隨著數(shù)控銑削加工技術(shù)的出現(xiàn)改變了目前的生產(chǎn)格局，現(xiàn)在因?yàn)榧夹g(shù)及工藝的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床成本也開始降低，葉輪加工可以開始進(jìn)行流水線的生產(chǎn)制造，而且葉輪的質(zhì)量越來(lái)越好，加工范圍也變大了。再隨著之后的多軸聯(lián)動(dòng)的技術(shù)出現(xiàn)，推進(jìn)了數(shù)控機(jī)床設(shè)備的普及，幾乎制造企業(yè)都開始了自動(dòng)化和智能化方向的探索。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，開始采用更好的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行增壓器葉輪的制造加工。

1.2 多軸加工編程

隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算幾何技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)于葉輪點(diǎn)、線、面構(gòu)型方法的研究也越來(lái)越復(fù)雜，各類零部件制造的要求更加嚴(yán)格。因此對(duì)于葉輪等復(fù)雜部件的工藝編程要求更高。現(xiàn)在傳統(tǒng)的三軸數(shù)控編程，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在工藝的需求。多軸數(shù)控工藝編程在未來(lái)肯定會(huì)代替現(xiàn)在的技術(shù)。多軸數(shù)控加工技術(shù)靈活多變，各個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)可以使加工效率更高，準(zhǔn)確率更高。但是它的編程比起傳統(tǒng)的三軸加工技術(shù)要復(fù)雜很多，特別是復(fù)雜曲面的多軸工藝編程，需研究CAD/CAM技術(shù)、曲面優(yōu)化擬合方法、復(fù)雜工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)、到位軌跡等多領(lǐng)域知識(shí)。多軸工藝編程中最重要的就是曲面曲線建模技術(shù)，運(yùn)用CAM編程創(chuàng)建葉輪加工的三維設(shè)計(jì)模型。合理的加工工藝規(guī)劃對(duì)于數(shù)控加工也是十分重要的，需要根據(jù)需求進(jìn)行加工方案的設(shè)計(jì)和設(shè)備的選擇。在多軸加工工藝中，刀位的軌跡可以隨時(shí)改變，進(jìn)而可以使曲面的制造方法更加優(yōu)化，因此我們需要對(duì)刀位軌跡進(jìn)行及時(shí)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。多軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且多樣化，即便同一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床后置處理器都不能通用，因此，多軸后置技術(shù)是多軸數(shù)控加工機(jī)床可運(yùn)行性和加工質(zhì)量的重要保障。在葉輪制造加工過(guò)程中，經(jīng)常受到各種外來(lái)因素的影響，導(dǎo)致其發(fā)生一些細(xì)微的變形，這樣的葉輪往往壽命很短，而且對(duì)于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)也會(huì)造成不可估量的損壞。目前一個(gè)制造機(jī)床就需要對(duì)應(yīng)一個(gè)后置處理器，通用性太差。

2? 葉輪多軸CAM編程

目前增壓器葉輪的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程采用的一般都是以CAD/CAM為基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)，而且葉輪的軟件編程系統(tǒng)一般分為兩類，一類是基于CAD/CAM軟件系統(tǒng)二次開發(fā)出的葉輪編程模塊，另外一類是整體葉輪專用造型及數(shù)控編程軟件。其中以UG、Powermill、Hypermill、Surfmill、MasterCAM這幾種軟件應(yīng)最為廣泛。UG因?yàn)槠鋬r(jià)格適中，在國(guó)內(nèi)低端器械產(chǎn)品加工中應(yīng)用最為廣泛，但是它的編程這些很復(fù)雜，需要技術(shù)人員有很好的編程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。國(guó)產(chǎn)軟件里的Surfmill這款軟件具有很強(qiáng)的CAM編程功能，它的參數(shù)設(shè)計(jì)很容易理解和選擇，對(duì)于葉輪刀軸變化大的曲面進(jìn)行加工，系統(tǒng)可以提供多種刀軸和傾角定義，方便刀具軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用其它三維軟件把模型建好，再將建立的零點(diǎn)快換及夾具的數(shù)值模型導(dǎo)入 surfmill 中，如圖 1 所示，將所有刀具路徑進(jìn)行模擬仿真，仿真過(guò)程如圖 2 所示，仿真過(guò)程中會(huì)對(duì)設(shè)置好的程序參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，若未出現(xiàn)報(bào)警提示，說(shuō)明程序合理，未出現(xiàn)碰撞或過(guò)切現(xiàn)象，此時(shí)可把加工程序輸入拷貝到機(jī)床進(jìn)行實(shí)物的切削加工。

3? 增壓器葉輪多軸聯(lián)動(dòng)高效加工工藝

3.1 葉輪銑削工藝

葉輪的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，制造工藝也極其繁瑣復(fù)雜。傳統(tǒng)的加工工藝有著很大的缺陷，生產(chǎn)出來(lái)的葉輪平衡性差、增壓能力不夠、受力容易變形，這樣的葉輪嚴(yán)重的制約了增壓器的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率達(dá)不到需求。這樣的情況下，新工藝和新的方法急需要研究。多軸數(shù)控加工有著傳統(tǒng)工藝所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，它生產(chǎn)的葉輪精度更高、耗時(shí)時(shí)間短。而且通過(guò)編程，可以一次裝夾定位完成所有的工序加工，多軸加工也成為了葉輪類復(fù)雜曲面零部件生產(chǎn)的新寵。在前期的準(zhǔn)備中，需要設(shè)計(jì)一套完善的工藝流程以及選擇合理加工刀具。選擇適當(dāng)?shù)牡毒吆秃侠淼募庸?shù)進(jìn)行加工，對(duì)于生產(chǎn)出合格葉輪的質(zhì)量和效率十分重要。下列的圖3為surfmill軟件里所采用的刀具，表1為鋁合金材料葉輪的加工工序。

3.2 葉輪多軸加工機(jī)床選擇

現(xiàn)在葉輪一般采用多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行整體加工。其中JDGR200V_A15SH五軸數(shù)控機(jī)床，它配備有精雕JD150主軸（HSK-A50），輸出功率為18kW，扭矩為21.5Nm，最高轉(zhuǎn)速為20000rpm。使用這個(gè)機(jī)床進(jìn)行加工的時(shí)候，可以使員工的工作效率更高，生產(chǎn)出來(lái)的葉輪質(zhì)量也會(huì)更好。目前五軸聯(lián)動(dòng)裝置一般有以下三個(gè)結(jié)構(gòu)：兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在工件運(yùn)動(dòng)鏈一方的是雙轉(zhuǎn)臺(tái)型，這類機(jī)床的工作臺(tái)不大，不能承受大重量的工件，不然會(huì)在葉輪表面留下劃痕，影響其使用壽命，這個(gè)種類的機(jī)床適合一些體積小的零部件生產(chǎn);當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在刀具鏈一端時(shí)，就是雙擺頭結(jié)構(gòu)型，這類機(jī)床的設(shè)計(jì)可以使主軸組合擺動(dòng)，拆卸十分方便，還可以設(shè)置幾個(gè)工位一起加工，工作臺(tái)也比雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的機(jī)床大很多，特別適合一些體積較大的零部件的加工生產(chǎn)，在高精度的曲面銑削行業(yè)中很受歡迎也被廣泛應(yīng)用于大型的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)上;轉(zhuǎn)動(dòng)軸在工件和刀軸兩側(cè)分開分布的就是擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型，它的特點(diǎn)介于前面兩個(gè)型號(hào)之間，主要應(yīng)用于小部件和雕刻加工行業(yè)。企業(yè)在生產(chǎn)葉輪等部件的時(shí)候一定要先分析和計(jì)算好適合使用哪一類的機(jī)床，因?yàn)椴煌臋C(jī)床生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都是有很大的區(qū)別的。

3.3 葉輪的設(shè)計(jì)加工

根據(jù)葉輪葉片曲面形狀的不同，葉輪一般分為直紋面葉輪和自由曲面葉輪。葉輪的加工是屬于接續(xù)加工，首先是將物料制作為毛胚，然后在五軸機(jī)床上進(jìn)行銑削加工，通常的步驟是化槽然后進(jìn)行擴(kuò)銑，之后再進(jìn)行葉片半精加工，最后進(jìn)行葉片的精加工和流道的精加工，對(duì)于葉輪的生產(chǎn)，主要的一點(diǎn)就是產(chǎn)品的需求量大，加工精度高，需要加工設(shè)備能夠達(dá)到批量穩(wěn)定的加工生產(chǎn)，而且葉輪對(duì)于其本身平衡性要求很高，加工生產(chǎn)的適合一定要注意這點(diǎn)。在工藝開發(fā)階段就要先確定加工工藝，依靠測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)葉輪加工進(jìn)行分析，確定好流程進(jìn)行生產(chǎn)。

直紋面葉輪通常采用側(cè)銑法加工，自由曲面葉輪一般采用點(diǎn)銑法加工。點(diǎn)銑法是利用球頭刀的球頭部分進(jìn)行加工，加工精度較高，但是這種方法加工效率不高，側(cè)銑法是使用錐度球頭刀進(jìn)行加工，主要利用的是刀具的側(cè)刃對(duì)產(chǎn)品的加工切削，這種方法加工效率較高。

4? 結(jié)語(yǔ)

增壓器葉輪的多軸高效聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造行業(yè)的發(fā)展方向和目標(biāo)，我們?cè)谝院蟮娜~輪加工技術(shù)方面需要投入更多的研究。首先就是要使葉輪曲面質(zhì)量更好，需要在前期編程中建立起葉輪參數(shù)的幾何模型，根據(jù)數(shù)據(jù)和需求進(jìn)行優(yōu)化，然后根據(jù)葉輪產(chǎn)品的需求，選擇好合適的加工機(jī)床。對(duì)于之后的多軸聯(lián)動(dòng)加工工藝方向主要就是葉輪幾何模型優(yōu)化、切削仿真方面和工藝方面的優(yōu)化。國(guó)內(nèi)的五軸機(jī)床的設(shè)計(jì)和運(yùn)行效率方面還有很大的提升空間。

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