韓忠冠

(安徽機電職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著科學技術的日益發(fā)展，制造業(yè)的同行們一直在尋求新的結構、新的加工設備以及新制造工藝，其中推進器葉輪的結構優(yōu)化和制造就是其中之一，由于其在軍事、航空航天、工業(yè)工程、民用等領域都有廣泛應用，特別是近幾年隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車發(fā)動機的渦輪增壓技術研發(fā)競爭也日益激烈。葉輪加工是目前公認的難度較高的加工工藝，主要是因為葉輪使用場合和自身結構決定的，從推進器葉輪工作場合和自身結構看，要求各葉輪組一致性好、表面質量高、傳動平穩(wěn)，動平衡好、工作噪聲小等要求。NX葉輪加工模塊和五軸數(shù)控加工中心配合，大大的提高了葉輪的加工效率和葉輪的表面質量，具體體現(xiàn)在模塊編程效率高，一致性好，機床自身精度高，避免運動精度影響、一次裝夾多面加工，減小多次裝夾定位誤差的影響、高轉速大進給小切深，保證加工效率減小切削變形，減小刀具對狹小空間加工同時保證刀具剛性。

1 推進器葉輪的結構設計與靜力學分析

1.1 推進器葉輪的結構設計

從整體上看，推進器葉輪分為輪轂和葉片兩個部分。輪轂主體形狀是具有拋物線母線的回轉曲面，葉片是變角螺旋曲面。

利用NX10建立圖1中的推進器葉輪的數(shù)字模型，其中直徑為80mm，葉輪數(shù)為6，螺旋角為30°，葉片厚度為10mm向兩邊逐漸減小為5mm，葉片間的重疊30%，保證氣體推動均勻穩(wěn)定。

圖1 推機器葉輪數(shù)字模型

1.2 推進器靜力學分析

1)計算處理

根據(jù)靜力學分析的要求和葉片結構，設置節(jié)點數(shù)為20個單元。葉片為6系列鋁合金。利用NX NASTRAN結構分析模塊功能進行網(wǎng)格劃分為4，網(wǎng)格單元數(shù)量為12368個。設定軸線固定，葉片繞軸線旋轉，旋轉加速度為2m/s2，邊界條件的設置與仿真一致，結果將反映起到了真實情況，同時保證數(shù)學模型在仿真中不發(fā)生剛性位移。葉片受力載荷表示為[6]:

(1)

式中，F(xiàn)t為圓周方向上的切向力；Fr為徑向力；T為轉動提供扭矩；d為工作載荷作用點處葉輪的直徑；α為葉輪傾斜角度。取扭矩T=5.0N·m，α=30°，經公式(1)計算可知Ft=12.5N；Fr=2.975N。

2)求解

由圖2可知，葉片在工作載荷的作用下會發(fā)生彎曲形變且最大變形量為0.059mm，且在葉片最上部，通過加工倒角可以去除該部位，滿足設計要求。

圖2 推機器葉輪變形圖

Von Mises 應力準則是判斷工件受力后屈服極限的重要準則，其表達式為[5]:

(2)

式中，σx為X方向上的正應力；σy為Y方向上的正應力；σz為Z方向上的正應力；τxy為X方向上的剪應力；τxz為Y方向上的剪應力;τyz為Z方向上的剪應力;σs為屈服極限。

根據(jù)圖3的應力分布圖可知，工作載荷作用于葉片的平均應力為14.7MPa，葉片根部應力為26.7MPa，應力最大點出現(xiàn)在葉片根部區(qū)域，由此可見該區(qū)域為危險區(qū)域。在加工中采用刀具為直徑為4mm球頭清根處理來增加葉根圓角半徑，來承擔彎曲應力能力。

圖3 推進器葉輪應力分布圖

2 五軸加工分析

葉輪整體多軸數(shù)控加工是當前經濟性最好的加工工藝。借助CAD/CAM軟件來計算并獲取葉輪的數(shù)控加工程序，五軸數(shù)控加工中心對葉輪進行加工,大大提高了葉輪的加工效率和加工精度。為實現(xiàn)高效和結構上的緊湊，葉輪設計多尺寸小，圓周均布較多，流道很狹窄，加工時三軸數(shù)控機床無法避開刀具和葉片的干涉，必須采用四軸或者五軸數(shù)控機床來完成加工。CAD/CAM輔助軟件的葉輪模塊可保證程序的一致性，加上五軸數(shù)控加工機床自身優(yōu)勢，在葉輪加工上無論在加工精度和加工效率上都優(yōu)于三軸和四軸數(shù)控機床。

圖4 葉輪加工工藝流程圖

圖5 刀具路徑圖

3 設備和材料

3.1 試驗設備

試驗采用DMG50型五軸五聯(lián)動加工中心，其主要技術規(guī)格為:

設備配置為西門子840D系統(tǒng)，X,Y,Z,B,C五軸，24把刀具等主要技術參數(shù)。軟件使用NX10，配置五軸后置處理器，進行數(shù)控五軸程序編寫。

3.2 五軸程序編制

刀位點計算與刀軌生成主要取決于葉片的造型方法、參數(shù)線方向。開粗程序主要采用三軸定向開粗加工效率高，無論是上部分和葉片之間的余量，都采用定向開粗。應用曲面約束偏置的方法進行葉型粗加工，刀軸矢量根據(jù)葉片角度方向由編程人員建立的驅動和導動元素確定，粗精加工如圖6所示。

圖6 后置處理及加工

精加工程序采用葉輪模塊，配合五軸固定軸輪廓銑削，利用刀尖跟隨功能，實現(xiàn)刀軸五軸聯(lián)動控制。

3.3 實驗測試

運用NX10軟件中的應用模組(Application)可輸出刀具路徑原始文件CLSF(Cutter Location Source File)，經過后處理(Post process)產生西門子840D系統(tǒng)NC代碼。后處理界面如圖7所示?？梢陨鍵PW小平面實體與建模曲面比對加工精度，在清根清角處余量均為0，過切沒有，葉片整體一致光滑均勻，采用這種加工策略和工藝路線完全滿足設計時氣體在葉片上流動性一致的要求。

4 結 論

采用6系列鋁合金材料在DMU50型五軸加工中心上對優(yōu)化結果進行實際驗證，從程序編制、加工工藝的可行性、葉輪精度與理論數(shù)據(jù)的吻合度、葉片的表面光潔度、加工效率等幾個方面都符合預期效果。本文通過從NX軟件的建模到結構設計改進，再到NX高級分析，最后五軸仿真加工的全工藝流程來看，產品進行優(yōu)化設計分析與選擇恰當工藝技術參數(shù)，可以控制葉輪的表面的加工精度，提供了參數(shù)化的思路與方案。