整体叶轮类零件数控加工研究

摘要：整体叶轮是其中一项关键的技术零件，通过整体叶轮在燃气发动机中的工作，可以把机械能转化为气体的使能。本文中具体的介绍了整体叶轮设计制造的系统规划过程，其次分析了整体叶轮如何去构建CAD模型，并详细的分析了叶轮制造过程中的数控加工过程，最后对整体叶轮中最关键的零部件叶片部位的加工过程进行了详细的研究分析。

关键词：整体叶轮；CAD模型构建；数控加工；工艺流程

整体叶轮在燃气发动机中主要是以机械能为能量做功，将气体不断的压缩传送到外界。所以气体在传送的过程中，必然会由气管进入到工作轮中，工作轮的速度随着叶片受到的压力增加而随之一起变化。由此在整体叶轮的设计过程中，必须要考虑到整体叶轮在工作条件下需要达到的两点硬性要求。第一，要保证气流在通过整体叶轮的过程中所耗费的能量较小，要保证气体通过整体叶轮的通过效率达到最高。第二，整体叶轮在工作过程中需要保证工作时在叶轮的工作范围之内整机性能曲线稳定，并且叶轮工作区必须要具有较宽的高效范围。这就需要在数控加工的过程中，设计好整体液能的外形构造才可以保证整体叶轮在工作过程中的高效性。

1整体叶轮设计制造系统规划

整体叶轮在设计制造的过程中，为了让整体叶轮满足各个应用场合的要求，叶片需要采用大角度根部变圆角的结构形式。传统的整体叶轮制造过程中，往往是通过机床将整体叶轮铸造成型，然后再通过机械对其加工或者是对叶片之间进行单独加工，然后再将这些叶片整体的焊接在一起，最后打磨抛光成形。如今采用先进的数控机床铣削加工方式，利用这种方法加工整体叶轮比传统的方法具有高精度、短周期、易于调整的特点。数控机床加工的过程中，首先需要对整体叶轮进行整体的锻造毛坯，然后通过机床的加工。在该加工过程中存在一定的难度，需要MASTERCAM软件对整体叶轮的设计过程进行systematic规划。第一步需要利用CAD建立模型，第二步需要制作刀具轨迹，然后进行仿真加工，整体的设计加工如图1所示。

2叶轮的CAD模型构建过程

整体叶轮叶片的数据主要是通过逆向工程进行分析从而得到，或者是通过工程师进行理论计算详细的得出整体叶轮叶片的数据。通过逆向工程主要是借助逆向工程软件从整体叶轮的外部去测得叶轮工作时需要的数据特征，并且通过软件工程师进行软件编辑操作，就可以获得叶片的理想数据，然后将这些数据转化成标准的数据格式输入进CAD操作系统中，用CAD进一步的编辑处理就可以得到整体叶轮叶片的CAD造型。整体叶轮各自的构造和叶片的形状都由整体叶轮各自用途不同而随之改变，目前最主要的整体叶轮形状有直纹曲面型和自由曲面型这两种形式。叶轮模型的构建过程中，主要先是构建叶轮的回转体部分，然后再对叶轮的截面特征曲线进行确定再由计算机模拟制造出整体叶轮的实体模型，一般建模过程中都是通过UG软件对整体叶轮的曲面造型进行混合扫描。

3叶轮数控加工的工艺

在叶轮的两叶片之间需要去除大量的材料，而且为了满足叶轮启动性能的要求，采用了大扭角的叶片、根部倒圆角等等结构，这给叶轮的生产加工提出了很高的要求。因此整体叶轮的加工难点如下：①叶轮不仅仅流道窄，而且还具有较长的叶片，同时叶片薄，因此叶轮也是一个非常形象的薄壁类零件，它的叶片刚度较低，容易在加工过程中发生变形。②叶轮上相邻两个叶片形成的空间非常小，所以需用的刀具的直径不能太大，只能选择小直径的刀具，在这样的情况下，所使用的刀具刚性就会很差，刀具在加工过程中容易断刀，因此需要在编程过程中就要控制刀具每层下刀的切削深度。③此叶轮曲面通过一个自由曲面形成，那自由曲面形成的是很不规则的，曲面也就容易产生相互干涉，为了避免曲面之间加工的干涉，我们进行曲面的分段加工，因此，加工表面的一致性的保证也有很大的困难。从以上分析可知，必须综合考虑此整体叶轮的叶片薄壁、大扭角等特点，为规划出一套合理的加工方案做好准备，因此规划的工艺流程如图2所示。

4叶轮制造中的数控加工过程

整体叶轮数控加工的过程中首先要选择高品质的加工设备，来适应这种多样化、柔性化和复杂形状的叶轮零部件。传统的数控加工仪器是三坐标联动铣床，在加工过程中这种机床通过x、y、z三个方向进行同时联动，从加工出整体叶轮的三维曲面形状。到现如今主要采用吴坐标的数控铣床加工整体叶轮的零部件，传统的三坐标联动铣床不同之处就是五坐标铣床在xyz三个方向进行直线运动的同时，再通过铣刀或者是叶片围绕着xyz中两个轴线进行旋转摆动，在此加工过程中，一般需要运用计算机进行辅助加工。利用计算机进行辅助加工的过程中，主要通过计算机类的数控系统程序对输入的数据信息进行转化，然后将机床内的零部件进行数据编拟，然后通过数控机床进行工艺处理，在工艺处理的过程中刀具的走向与刀具的运动轨迹都受到计算机的严格控制，此外这一过程还需要按照NC代码规范和数控机床的驱动系统的硬性要求。与此同时，数控机床还需要将处理过程中得到的刀位文件转化成NC代码，然后通过后置处理输出适应数控机床要求操作的零件加工程序，再将这些零件加工程序通过U盘或者是数控机床上的通讯接口传输至机床的控制系统。

5总结

整体叶轮在增压器中的应用很广，但与此同时整体叶轮的加工技术也一直是我国制造业中的一个重要难点。整体叶轮的几何结构和整体叶轮的加工工艺，必须要达到一个极高的水准才符合航天器的应用要求。在整体叶轮的加工过程中相对于其他零部件的加工过程，整体叶轮的加工轨迹规划约束条件较多。此外，数控机床在对整体叶轮进行加工的过程中，不仅要保证整体叶轮中叶片需要满足准确的几何形状，还需要保证每个叶片的厚度都相一致，这就给实际加工过程中叶片的轨迹规化带来了困难。随着我国航空航天技术的迅速发展，对整体业能的要求性也越来越高，现在的新型发动机中大多数都采用整体结构的叶轮，所以需要选择优异的数控加工仿真技术才可以制造出更多满足现代技术要求的整体叶轮。

参考文献：

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作者:何禛 单位:浙江工业大学