涡轮增压器叶片四轴数控加工技术研究

付大鹏，马艳丽，张卫华

(1.东北电力大学机械工程学院，吉林吉林132012;2.中国石油吉林石化公司，吉林吉林132002)

对于叶轮加工，传统加工方法一般是铸造成型后抛光，该加工方法存在模具复杂，且叶片精度难保证，叶片强度低，动平衡性较差，生产周期也比较长等缺点［1］。当今数控加工技术发展迅速，多轴联动数控机床也相继问世，在国外涡轮增压器叶轮一般是用五轴联动数控机床加工，在国内由于受到设备的限制，针对五轴加工起步比较晚。本文通过对整体叶轮进行分体加工，而如何应用四轴加工中心加工出高质量的叶片有着重要意义。

1 叶片的基本加工思路

叶片分段加工是指把一个叶片划分成几段，对每一段分别进行加工，在加工各段时根据变形情况选择适当的切削参数，其难度就在于使叶根部和叶端部薄厚误差及由于加工时“让刀”带来的误差最小，且叶片整体变形最小。本文采用Cimatron E软件对叶片进行数控加工编程和模拟仿真，根据叶片的外形结构选择适当的加工方法，方便快捷，在模拟仿真中检验程序的正确性，以便及时更改［2］。

涡轮增压器整体叶轮由多个大扭曲超薄叶片组成，叶片形状如图1所示，叶片的厚度仅有1.5～2 mm厚，且刚度小。在加工时很容易变形，减小加工中的变形是本文的加工重点和难点。为了提高加工效率，保证加工质量，先在车床上车削加工出基准面和叶片的基本毛坯，而后在四轴机床上进行叶片的分段加工。

图1 叶片图

2 叶片的加工刀路轨迹生成

应用Cimatron E软件对叶片进行加工编程和反复模拟仿真，再加上对实际加工条件和要加工零件的外形结构不同的考虑，分别选择适当的加工方法和切削参数［3］，根据以上分析，现将叶片的加工分为粗加工、半精加工、精加工(1)、精加工(2)。

粗加工又分为叶片正面整体粗加工和叶片反面整体粗加工，叶片正面整体粗加工刀路轨迹如图2所示，为提高叶片加工效率，该粗加工选择相对较大的切削用量和较大直径的球头铣刀。

为了减小加工中叶片型面时的变形，粗加工后先对叶片边沿进行精加工，采用CimatronE软件中的“流线铣-3轴零件曲面”，之后对叶片型面进行半精加工和精加工(1)、精加工(2)。

图2 叶片正面整体粗加工

叶片型面的半精加工和精加工都采用Cimatron E软件中的“高级五轴-航空铣”，为了使刀路轨迹在两曲线之间分布均匀美观，也为了提高加工效率，铣削方式都为“两曲线之间仿形铣”。综合考虑叶片加工变形和工件的表面质量，加工时进刀点都从叶片最宽部进刀，且半精加工和精加工(1)采用叶片分段加工，叶片前端部采用较小的切削参数，而靠近轮毂的叶片后根部采用较大的切削参数，半精加工叶片前端部刀路轨迹如图3所示，精加工(2)刀路轨迹如图4所示

图3 半精加工叶片前端部

图4 精加工(2)叶片整体

3 后置处理

后置处理是根据机床的具体参数及控制系统将刀位轨迹转化成对应机床所能识别的G代码。Cimatron E提供了3～5轴的后置处理模块，简单快捷。将各个工序的程序分别进行后置处理，个个程序段相互独立，可以检查所生成的刀路轨迹是否合理及刀具是否会产生碰撞和过切现象，从而再对加工过程中出现的种种问题进行分析，可以随时进一步修改和调整［4］。

4 叶片的机床实验加工

在没有进行分段加工时，变形很大，加工出来的叶片根部与端部的厚度差竟然有0.5～0.8 mm左右，而根据上述改进后再进行机床实验加工，现在的厚度差只有0.05～0.08 mm，已经达到了我们的要求，可见叶片分段加工可以很好地解决变形问题，如果叶片精度要求更高，可以再把叶片分成3段、4段，只要条件允许甚至可以分成更多段。实验加工叶片成品如图5所示。

图5 加工出的叶片成品

5 结 论

该文应用Cimatron E软件对叶片进行数控编程和仿真加工，得到最优的刀路轨迹，减少机床实验加工中由于加工出废品而造成的材料浪费，降低了成本，提高了效率，同时也弥补了人工编程的不足。针对实验加工中叶片变形问题提出了叶片分段加工，作为一种新方法，它很大程度地减小了加工变形，同时对开发四轴机床利用潜力有着重要意义，也对复杂的薄曲面零件加工提供了很好的思路。

［1］李惠彬，周江伟，孙振莲.车用涡轮增压器噪声与振动机理和控制［M］.机械工业出版社，2012:20-26.

［2］吴明友.数控加工自动编程-Cimatron E［M］.清华大学出版社，2008.

［3］章泳健，潘毅.汽轮机弯扭叶片型面的四轴数控加工方法研究［J］，现代制造工程，2004(7):27-28.

［4］谢捷.螺旋桨叶轮自由曲面造型与五轴高速数控加工技术的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2008:50-51.