葉輪的數(shù)字化設(shè)計與制造實踐*

李富榮

(銀川能源學(xué)院,寧夏 銀川 750100)

1 引言

壓氣機葉輪是渦輪增壓系統(tǒng)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(fā)動機排出的氣體流經(jīng)層層加速旋轉(zhuǎn),將氣體壓縮后送入發(fā)動機燃燒室,實現(xiàn)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(fù)雜,葉片的扭曲大,加工極易發(fā)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(tǒng)的工作原理

2 葉輪的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計與CAM

2.1 葉輪的3D結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(chuàng)建基座立體模型、創(chuàng)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(chuàng)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(yōu)化仿真。具體步驟如下。

1)三維模型轉(zhuǎn)換為CAXA文件。將應(yīng)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(zhuǎn)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(huán)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(yīng)有一定的力學(xué)性能。本次以鎳基耐熱合金鋼為例,進行數(shù)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(lián)動進行外輪廓粗精加工,再采用五軸聯(lián)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(shè)置彈出對話框中的數(shù)據(jù),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(shù)設(shè)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(yōu)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(shù)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(shè)為150 mm,安全高度設(shè)為100 mm,回退距離設(shè)為30 mm,主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為3 000 r/min,慢速的下刀、退刀速度均設(shè)為1 000 m/min,切削速度設(shè)為200 m/min。在刀具參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)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(cè)面和右邊側(cè)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(shù)控加工模擬驗證。選取前面生成的刀具運動軌跡數(shù)據(jù),單擊鼠標右鍵選取后,通過動態(tài)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(jié)果如圖8所示。如果在模擬驗證過程中出現(xiàn)干涉、過切、少切等加工問題,應(yīng)重新設(shè)置加工參數(shù),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(shè)置機床相關(guān)參數(shù),點擊生成G代碼,將生成的G代碼保存成“.txt”格式。

圖9 數(shù)控加工后置處理

打開VERICUT仿真軟件,選取FANUC-0i系統(tǒng)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床,根據(jù)CAXA制造工程師中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置夾具、毛坯、坐標系并添加相關(guān)刀具,導(dǎo)入前面生成的數(shù)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(yōu)化數(shù)控程序加工過程中的切削狀態(tài)[3]。在VERICUT仿真軟件的刀具優(yōu)化菜單中選擇“屑厚&力”,按照圖11所示設(shè)置菜單參數(shù),進行切削力和切削厚度測試,測試結(jié)果如圖12所示。

圖11 FORCE優(yōu)化設(shè)置

圖12 FORCE優(yōu)化前最大切削厚度和總切削力曲線

影響零件加工質(zhì)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(wěn)定。為了獲得更加穩(wěn)定的切削狀態(tài),選取0.075 mm的最大切削厚度、150 N的總切削力進行優(yōu)化,結(jié)果如圖13所示。

圖13 FORCE優(yōu)化后最大切削厚度和總切削力曲線

由圖13可知,經(jīng)過FORCE優(yōu)化之后的NC程序進行加工,不僅能獲得較穩(wěn)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(zhì)量[4]。

優(yōu)化后的進給速度隨著加工軌跡的變化做了適時調(diào)整,在其加工過程中能保持穩(wěn)定的切削力,也節(jié)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(shù)控系統(tǒng)和佛山育能裝備有限公司提供的五軸數(shù)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(shù)控裝置的硬件連接

1)Win PCIN通信軟件的設(shè)置。啟動筆記本電腦,因為電腦無法識別USB-RS232轉(zhuǎn)接線,所以系統(tǒng)會提示:“發(fā)現(xiàn)新的硬件”,因此要按照提示安裝USB-RS232C轉(zhuǎn)接驅(qū)動[6]。

運行軟件后,單擊RS232菜單按鈕進入設(shè)置界面,根據(jù)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(shù)據(jù)位數(shù)”等參數(shù)進行設(shè)置[7]。

2)FANUC-0i數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置的相關(guān)參數(shù)與Win PCIN參數(shù)相同。啟動數(shù)控機床后,確保數(shù)控機床無任何報警后,依次選擇、、,在數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置菜單一欄中設(shè)置如下參數(shù):設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂絀/O通道設(shè)置為1,通信的波特率設(shè)置9 600,設(shè)置成2個停止位,校驗位設(shè)置成關(guān)閉[8]。

3)數(shù)控加工程序傳輸。將數(shù)控機床操作面板上的模式按鈕旋轉(zhuǎn)到“EDIT模式”,程序鑰匙開關(guān)置于“0”狀態(tài),依次選擇、、、鍵,顯示屏上出現(xiàn)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(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)[9]。

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

圖15 數(shù)控機床上加工出的葉輪

5 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)本文通過對渦輪增壓裝置中葉輪零件的數(shù)字化設(shè)計與制造過程的詳細介紹,展示了數(shù)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(yōu)化仿真,再到程序傳輸和在線DNC加工,每一個環(huán)節(jié)都對最終的制造結(jié)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(fù)雜,精度要求高,數(shù)字化制造的運用極大地提高了該零件的設(shè)計制造效率和質(zhì)量。

3)數(shù)字化設(shè)計與制造將在未來的機械制造領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。