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壓氣機葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)

2014-10-13 來源：數(shù)控機床市場網(wǎng) 作者：重慶三峽職業(yè)學院熊江

摘要：文章主要講述了壓氣機葉輪的加工技術(shù)，在加工過程中能否做到實際的壓氣機葉輪的葉型與理論設(shè)計當中的相符合是制造出合格葉輪產(chǎn)品的前提。文中深入探討了壓氣機葉輪造型和五軸聯(lián)動數(shù)控加工方法，為進行該方面生產(chǎn)和研究的人員提供了參考。

關(guān)鍵字：壓氣機葉輪；五軸聯(lián)動數(shù)控加工；葉片造型

壓氣機葉輪廣泛應(yīng)用在汽車、船舶、航空、石油、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域，他是各種渦輪增壓引擎以及推進動力裝置的關(guān)鍵部位。壓氣機葉輪葉型的設(shè)計是在結(jié)合空氣動力學、流體力學以及工程力學的基礎(chǔ)上經(jīng)過復雜的科學計算設(shè)計出來的，我們看到的每一種不同形狀的葉片都是針對于設(shè)備不同的運行環(huán)境而研制的，兩片葉型上面盡管是一小處的外形差異在設(shè)備的實際運行過程中也會造成截然不同的動力效果。

在壓氣機葉輪葉片的設(shè)計制造過程當中，能否做到實際的壓氣機葉輪的葉型與理論設(shè)計當中的相符合是制造出合格葉輪產(chǎn)品的前提。由于每一種壓氣機葉輪葉片都是在嚴格的數(shù)學計算基礎(chǔ)之上設(shè)計出來的，其設(shè)計時都是運用相關(guān)軟件進行模擬和修改以及理論測試，葉片的外形設(shè)計直接影響著渦輪設(shè)備產(chǎn)生的氣壓高低、動力大小和運行效果。很多情況下往往設(shè)計的葉片非常優(yōu)秀，但在投入生產(chǎn)時由于制作加工過程中的偏差往往導致葉片性能大大降低，因此葉片制造成型出來的產(chǎn)品是否能夠與當初設(shè)計的相符就成為了壓氣機葉輪葉片制作的關(guān)鍵。

目前美國、德國、英國以及日本等機械工業(yè)比較發(fā)達的國家在壓氣機葉輪葉片的設(shè)計和制造方面處于世界領(lǐng)先水平，尤其是在航空航天、汽車制造和機器人制作領(lǐng)域這些國家都有著較深厚的機械設(shè)計和生產(chǎn)歷史積淀。近年來在壓氣機葉輪方面，各國相關(guān)領(lǐng)域的大型公司開始使用具有高精度的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)方向發(fā)展。在這方面我國起步較晚，而且在進行技術(shù)推廣和實施過程中出了不少問題，在此筆者就壓氣機葉輪造型加工和五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)進行一下分析。

1 壓氣機葉輪葉片造型

壓氣機葉輪一般有兩種類型，即整體輪和分體輪。這兩種葉輪主要區(qū)別是在結(jié)構(gòu)方面，其中整體輪顧名思義就是整體式壓氣機葉輪，分體輪則是由導風輪和葉輪二者相組合而成的。這兩種葉輪各有優(yōu)勢，整體輪氣動性能較好，效率高但是加工成本大而且維修困難，分體論的特點與其相反。整體輪的頁面造型又可分為直紋面和自由曲面，目前以直紋面應(yīng)用最廣，下面就這兩種頁面造型來進行分析：

（1）直紋面造型。所謂直面紋是指構(gòu)成曲面的線都為稱作之母線的不平行直線，而與這些直線所相機的曲線叫做導線。如圖 1 所示：（a）和（b）為導線，ab 直母線，p 是直母線 ab上任意一點并且在直紋面內(nèi)，直母線與導線的交點為 a 和 b，c（u）為過 a 點的直母線上的單位向量。現(xiàn)假設(shè) p 和 a 兩點之間的距離為 x、p 和 b 兩點之間的距離為 y，由此根據(jù)公式可以得出直面紋的方程如下：

（2）直面紋葉型設(shè)計較為簡單，數(shù)學公式也不復雜，在實際的加工過程中一般不會出什么問題。

（2）自由曲面造型。自由曲面是由復雜的曲線線條組成的，這些曲線都是嚴格按照數(shù)學公式繪制出來的。自由曲線通常在模擬設(shè)計軟件中使用的是稱為 NURBS 的曲線，其全稱為非均勻有理 B 樣條曲線。NURBS 在傳統(tǒng)的制圖領(lǐng)域是不存在的，是為使用計算機進行 3D 建模而專門建立的。在 3D 建模的內(nèi)部空間用曲線和曲面來表現(xiàn)輪廓和外形。它們是用數(shù)學表達式構(gòu)建的，NURBS 數(shù)學表達式是一種復合體。NURBS 能夠比傳統(tǒng)的網(wǎng)格建模方式更好地控制物體表面的曲線度，從而能夠創(chuàng)建出更逼真、生動的造型。NURBS 曲面的定義式如下：

（3）式子（3）中的 Ci j為控制頂點；Wi j是 Ci j所對應(yīng)的權(quán)參數(shù)；Ni p（u）是沿 u 方向上的第 i個 p 次方的 B 樣條基本函數(shù)，Nj p（v）是沿 v 方向上的第 j個 p 次方的 B 樣條基本函數(shù)。有NURBS 曲面公式我們就能看出，一個 NURBS 曲面是由多個復雜因子所決定的而且還涉及到高次方的問題，這就又加大了 NURBS 曲面的設(shè)計難度。NURBS 曲面不僅設(shè)計工作量巨大，而且由其設(shè)計出來的曲面在制造加工過程中也是相當困難，有的甚至根本無法完成銑削加工。

2 五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)分析

壓氣機葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工過程有很多階段其中最為關(guān)鍵的是對銑削道具的選擇和制造過程當中道具軌道的設(shè)定。對于不同材質(zhì)的原材料要使用不同的銑削刀具，這樣才能保證在進行材料削割時不會導致對材料的不規(guī)則破壞。而對刀具切割軌跡方面來說不僅要考慮材料材質(zhì)還要避免出現(xiàn)過切、干涉和碰撞等現(xiàn)象。目前五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)在刀具軌跡設(shè)計中常用方法主要有等距偏置法、旋轉(zhuǎn)界面法和等參數(shù)線法等。下面就這三種方法進行一下簡要概述：

等距偏置法。等距偏置法的原理是首先要計算出切割材料的邊界面的等距面，然后再按照等距面進行開刀切割的方法。這種方法常常用在對兩相鄰葉片進行開槽時，其切割時刀具即可向內(nèi)又可向外進行偏執(zhí)。使用這種方法進行切割時一定要考慮機床主軸轉(zhuǎn)速問題，過高或過低的轉(zhuǎn)速都將造成對材料的過切現(xiàn)象。

（2）旋轉(zhuǎn)界面法。旋轉(zhuǎn)界面法指的是通過對材料邊界曲面進行一定角度的旋轉(zhuǎn)之后使得邊界曲面與刀具運動軌道形成的加工面相交得出一組相交線而在這些線上進行開刀銑削的方法。這種方法比等距偏置法在操作上更為精確，而且無論是進行直紋面的加工還是自由曲面的切割菊科使用該方法。但在使用時一定要注意，在界面旋轉(zhuǎn)時刀具與材料邊界面形成的相鄰交線不可超過刀具刀頭半徑的一半，否則有可能導致在進行切割時材料大面積受損。

（3）等參數(shù)線法。所謂等參數(shù)線法是說在進行切割前首先對要交工的材料進行參數(shù)曲面的計算，切割時要先保持參數(shù)曲面的一個參數(shù)固定而導軌為另一個參數(shù)的變化軌跡從而來進行材料切割。目前針對于等參數(shù)線法中參數(shù)曲面的輔助軟件有很多，比如 UG ，CATIA 等。這種切割方法的精度也比較高且有輔助軟件協(xié)助操作，切割效率也較大。但是如果切割材料的外形是由多個不同的曲面混合而成時，等參數(shù)線法就不能自由應(yīng)對了。

3 結(jié)語

壓氣機葉輪的葉片設(shè)計和加工是進行葉片生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中對于葉片的制造往往會出現(xiàn)與理論設(shè)計上的偏差，這是目前壓氣機葉輪的加工技術(shù)的重點和難點之所在。本文主要對壓氣機葉輪葉片的造型以及葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)進行了講解和簡要分析，介紹了一些在壓氣機葉輪葉片方面的常用加工方法。只有根據(jù)不同的加工材料選擇適用的刀具和加工方法來進行規(guī)范操作才能做到對葉片的高質(zhì)量制造。

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