涡轮增压叶轮加工工艺的分析

赵晓霞，刘 毅

（广州市高级技工学校，广东广州 510410）

涡轮增压叶轮加工工艺的分析

赵晓霞，刘 毅

（广州市高级技工学校，广东广州 510410）

涡轮增压叶轮的整体结构复杂，叶片薄，需用到数控车、多轴加工等数控加工手段。分析了涡轮增压叶轮的工艺要求，提出了合理的工艺方案，并重点分析了叶轮加工中专用夹具的设计，以及叶片加工刀路的编制要点。实践表明，该方案的实施保证了叶轮的整体精度，提高了生产效率，达到客户的要求。

涡轮增压叶轮；加工工艺；夹具；刀路

0 引言

学校与某公司的合作生产项目中，需要加工一批涡轮增压叶轮，如图1所示为涡轮增压叶轮零件图和立体图。该零件的材料为进口7075铝合金，坯料为ϕ105 mm×40 mm圆铝，生产总量为500件，工时为2个月，属小批量生产。

1 涡轮增压叶轮的工艺要求

涡轮增压叶轮转速高，旋转运动时需要保持平衡，为了保证叶轮的整体精度，在加工时应尽量减少装夹次数。叶轮整体结构复杂，叶片薄，设置加工刀路时要避免干涉碰撞的现象，叶片要保证一定的光洁度，以降低叶轮高速旋转时产生的噪音。

图1 涡轮增压叶轮零件图和立体图

表1 涡轮增压叶轮的加工工艺

图2 专用定位元件一零件图

2 涡轮增压叶轮的加工工艺方案

叶轮零件的尺寸精度不高，只有ϕ35 mm的圆槽有尺寸公差要求，且该尺寸公差只达IT9，但叶轮要具有一定的形状要求，叶轮共有9个叶片，均匀分面在360°的圆周内，叶片厚度只有1 mm，表面精度要求达到Ra1.6，该零件的加工其难点是叶片的加工。根据叶轮的工艺要求，拟定加工工艺如表1。

3 涡轮增压叶轮加工中专用夹具的设计

（1）专用夹具一的设计

专用夹具一是在工序四中使用，用于在加工中心上加工3个ϕ3 mm工艺孔，图2为专用夹具一定位件的零件图，图3为该工序零件的装夹。设计时以ϕ35 mm圆柱面和ϕ100 mm圆柱的上表面为定位面，限制工件的5个自由度（x→、y→、z→、xˆ、yˆ)[1]，再用2个压板螺栓夹紧工件，限制工件z方向的转动自由度（zˆ）[1]。

专用夹具一定位件材料是45钢[2]，尺寸设计主要考虑ϕ35 mm圆柱的精度和高度。工件安装在定位件上，叶轮反面Ø35 mm内槽与夹具中上的ϕ35 mm圆柱需要间隙配合，已知内槽圆极限偏差为，尺寸公差等级为D9，经查手册，夹具上ϕ35 mm的圆柱尺寸公差等级应选为h9，极限偏差为。另外，叶轮底面 ϕ35 mm内圆槽深为25.78 mm，为了防止铣刀的端面在铣3个 ϕ3 mm的通孔时碰到圆柱的上表面，圆柱高度要小于槽深，尺寸为25.5 mm。

图3 工序四中零件的装夹

图4 专用定位元件二零件

图5 工序五中零件的装夹

（2）专用夹具二的设计

专用夹具二是在工序五中使用，用于在五轴机床上加工叶片，图4为专用夹具二定位件的零件图，图5为该工序零件的装夹。设计时以ϕ35 mm圆柱轴线和ϕ100 mm圆柱的上表面为定位面，限制工件的5个自由度（x→、y→、z→、xˆ、yˆ)[1]，以3个ϕ2.75 mm为定位销柱来限制工件的zˆ转动自由度[1]，再在夹具上表面设计一个M10螺纹孔，用螺钉拧紧后夹紧工件。

图6 专用定位元件三零件图

专用夹具二定位件材料是45钢[2]，尺寸设计主要考虑ϕ35 mm圆柱的精度和高度、定位销柱的位置以及夹具总的高度尺寸。ϕ35 mm圆柱的精度要求与专用夹具一定位件的直径尺寸相同，高度可紧贴工件ϕ35 mm槽顶面，尺寸为25.7 mm。定位销柱的位置主要考虑定位销柱均匀分布的定位圆和2个定位销柱与定位元件上对刀面的位置关系。定位销柱的分布定位圆取决于叶轮上3个ϕ3 mm工艺孔的定位圆，2个定位销柱的垂直中心平面必须与一个对刀面平行，以保证叶轮加工时ϕ3 mm的孔和叶片的位置关系。为防止加工中发生碰撞，夹具的高度主要考虑五轴机床主轴头的最大半径和定位元件二下端压板螺栓的高度，定位件二的高度要大于两者之和，加工该叶轮采用的五轴机床是哈挺XR600 5AX，主轴头的最大直径处尺寸为ϕ250 mm，因此将专用夹具二定位件的高度尺寸设计为250 mm。

（3）专用夹具三的设计

专用夹具三是在工序六中使用，用于在加工中心上加工叶轮上的散热孔和沉头孔，图6为专用夹具三定位件的零件图，图7为该工序零件的装夹。专用夹具三限制工件的自由度与专用夹具二相同，但该工序工件的夹紧是用2个压板螺栓。

专用夹具三定位件材料是45钢[2]，主要尺寸ϕ35 mm圆柱的精度和高度与专用夹具一相同，定位销柱的设计尺寸与专用夹具二定位件相同。在该工序中，定位销柱主要作用是保证加工叶轮上6个椭圆形的散热孔与工艺孔的位置关系。

4 涡轮增压器叶轮叶片加工刀路的编制

（1）内槽叶片粗加工（等高轮廓铣+平面铣削[3]）

1）粗加工、半精加工

图8 内槽粗加工

设置工艺参数：选择直径为D6 mm的直柄立铣刀，进给率设置为6 000 mm/min，主轴转速为20 000 r/min。切削层深度为0.8 mm，留侧面余量2 mm（半精加工为0.15 mm），底面余量0.1 mm。逆铣，选择沿外形下刀，斜角3°。切削走刀方式设定为深度优先。

2）底面半精加工

设置工艺参数：切削用量、余量不变，采用平面铣削方式，加工区域为内槽底面，切削走刀方式设定为跟随部件。形成刀路如图8所示。

图9 内槽叶片侧壁精加工

（2）内槽叶片侧壁精加工（等高轮廓铣[3]）

设置工艺参数：选择直径为D6 mm的直柄立铣刀，进给率设置为1 000 mm/min，主轴转速为15 000 r/min。切削层深度为5 mm，侧面和底面余量均为0。逆铣。形成刀路如图9所示。

（3）外圆叶片的粗加工（等高轮廓铣[3]）

使用偏移5.5的辅助曲面区分粗加工与半精加工。设置工艺参数：选择直径为D6 mm的直柄立铣刀，进给率设置为6 000 mm/min，主轴转速为18 000 r/min。留侧面余量0.5 mm，底面余量0.1 mm。切削层深度为0.7 mm（半精加工为0.5 mm）。形成刀路如图10所示。

（4）内槽叶片清角精加工（等高轮廓铣[3]）

设置工艺参数：选择直径为D4mmR2mm的直柄球铣刀，进给率设置为3 000 mm/min，主轴转速为15 000 r/min。切削层深度为0.5 mm，侧面与底面余量为0 mm。切削走刀方式设定为深度优先，在切削方式中使用选择D8mm的立铣刀作为参考刀具计算刀路。形成刀路如图11所示。

（5）外圆叶片的精加工

设置工艺参数：选择直径为D4mmR0.5mm的直柄球铣刀，进给率设置为6 000 mm/min，主轴转速为20 000 r/min。侧面与底面余量为0 mm。切削层深度为0.5 mm。形成刀路如图12所示。

（6）内槽底面精加工（平面铣削方式[3]）

设置工艺参数：选择直径为D4mmR0.5mm的直柄牛鼻立铣刀，进给率设置为1 500 mm/min，主轴转速为16 000 r/min。留部件余量为0.1 mm，部件半精加工底面余量为0.1 mm（精加工为0 mm）。切削走刀方式设定为跟随部件。形成刀路如图13所示。

图10 外圆叶片的粗加工

图11 内槽叶片清角精加工

图12 外圆叶片的精加工

图13 内槽底面精加工

图14 内槽底面清角

图15 内槽叶片圆角精加工

图16 外圆叶片的倒圆角

（7）内槽底面清角（等高轮廓铣[3]）

设置工艺参数：选择直径为D4mmR0.5mm的直柄牛鼻立铣刀，进给率设置为2 500 mm/ min，主轴转速为15 000 r/min。留部件与最终底面余量为0 mm。切削层深度为0.2 mm。直接加工底面。形成刀路如图14所示。

（8）内槽叶片圆角精加工（区域铣削方式[3]）

设置工艺参数：选择直径为D4mmR2mm的直柄球铣刀，进给率设置为3 500 mm/min，主轴转速为20 000 r/min。部件余量为0。顺铣，选择沿外形下刀，斜角3°。切削走刀方式设定为跟随周边。形成刀路如图15所示。

（9）外圆叶片的倒圆角（区域铣削方式[3]）

设置工艺参数：选择直径为D4mmR2mm的直柄球铣刀，进给率设置为8 000 mm/min，主轴转速为20 000 r/min。部件余量为0。顺铣，选择沿外形下刀，斜角3°。切削走刀方式设定为跟随周边。形成刀路如图16所示。

5 结束语

涡轮增压叶轮是一个包含数控车、加工中心、多轴机床加工的综合性数控生产案例，本文结合该实例，分析了叶轮的工艺要求，提出了合理的工艺方案，重点分析了叶轮加工中专用夹具的设计，以及叶片加工刀路的编制。实际加工表明，该方案的实施保证了叶轮的整体精度，达到客户的要求，也提高了生产效率[4-5]。

［1］陈旭东.机床夹具设计［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［2］吴拓.现代机床夹具设计［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［3］吴惠文，黄育佳，姜星.UG NX数控加工案例精讲［M］.北京：中国出版集团，2011.

［4］王爱琴，石登云，祝雅芳.基于齿轮箱体零件特征相似的夹具设计 ［J］.机电工程，2013（11）：1362-1365.

［5］何小江.复杂壳体零件的加工工艺与数控编程［J］.机电工程技术，2013（3）：77-79.

Analysis of Turbo Impeller Processing Technology

ZHAO Xiao-xia，LIU Yi
（Guangzhou Senior Technical School，Guangzhou510410，China）

The structure of turbo impellers is complex and its blade is thin，so NC machining is used，such as NC lathes and multi-axis machines.Analyzing the technological requirements of turbo impellers，the paper gives a logical technological program，highlighting the design of the special fixtures in impeller machining，as well as the compiling of tool path of the blade.Practice shows that the program ensures the overall accuracy of impeller，improves the productivity and meets customer requirements.

turbo impellers；processing technology；fixtures；tool path

TG506

B

1009－9492(2014)07－0027－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.009

赵晓霞，女，1975年生，江苏人，大学本科，讲师。研究领域：机械设计、机械制造。已发表论文5篇。

(编辑：阮 毅)

2014－05－30