壓氣機(jī)葉輪五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)
2014-10-13 來源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：重慶三峽職業(yè)學(xué)院熊江
摘要：文章主要講述了壓氣機(jī)葉輪的加工技術(shù)，在加工過程中能否做到實(shí)際的壓氣機(jī)葉輪的葉型與理論設(shè)計(jì)當(dāng)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(jī)葉輪造型和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工方法，為進(jìn)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(jī)葉輪；五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工；葉片造型
壓氣機(jī)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(jìn)動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部位。壓氣機(jī)葉輪葉型的設(shè)計(jì)是在結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)、 流體力學(xué)以及工程力學(xué)的基礎(chǔ)上經(jīng)過復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)出來的，我們看到的每一種不同形狀的葉片都是針對(duì)于設(shè)備不同的運(yùn)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(shí)際運(yùn)行過程中也會(huì)造成截然不同的動(dòng)力效果。
在壓氣機(jī)葉輪葉片的設(shè)計(jì)制造過程當(dāng)中，能否做到實(shí)際的壓氣機(jī)葉輪的葉型與理論設(shè)計(jì)當(dāng)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(jī)葉輪葉片都是在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)出來的，其設(shè)計(jì)時(shí)都是運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬和修改以及理論測(cè)試，葉片的外形設(shè)計(jì)直接影響著渦輪設(shè)備產(chǎn)生的氣壓高低、動(dòng)力大小和運(yùn)行效果。很多情況下往往設(shè)計(jì)的葉片非常優(yōu)秀，但在投入生產(chǎn)時(shí)由于制作加工過程中的偏差往往導(dǎo)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(dāng)初設(shè)計(jì)的相符就成為了壓氣機(jī)葉輪葉片制作的關(guān)鍵。
目前美國、德國、英國以及日本等機(jī)械工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家在壓氣機(jī)葉輪葉片的設(shè)計(jì)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(jī)器人制作領(lǐng)域這些國家都有著較深厚的機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)歷史積淀。近年來在壓氣機(jī)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(dòng)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(jìn)行技術(shù)推廣和實(shí)施過程中出了不少問題，在此筆者就壓氣機(jī)葉輪造型加工和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行一下分析。
1 壓氣機(jī)葉輪葉片造型
壓氣機(jī)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(jī)葉輪，分體輪則是由導(dǎo)風(fēng)輪和葉輪二者相組合而成的。這兩種葉輪各有優(yōu)勢(shì)，整體輪氣動(dòng)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(diǎn)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(jìn)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(jī)的曲線叫做導(dǎo)線。如圖 1 所示：（a）和（b）為導(dǎo)線，ab 直母線，p 是直母線 ab上任意一點(diǎn)并且在直紋面內(nèi)，直母線與導(dǎo)線的交點(diǎn)為 a 和 b，c（u）為過 a 點(diǎn)的直母線上的單位向量 。現(xiàn)假設(shè) p 和 a 兩點(diǎn)之間的距離為 x、p 和 b 兩點(diǎn)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(jì)較為簡(jiǎn)單，數(shù)學(xué)公式也不復(fù)雜，在實(shí)際的加工過程中一般不會(huì)出什么問題。
（2）自由曲面造型。自由曲面是由復(fù)雜的曲線線條組成的，這些曲線都是嚴(yán)格按照數(shù)學(xué)公式繪制出來的。自由曲線通常在模擬設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(xué)表達(dá)式構(gòu)建的，NURBS 數(shù)學(xué)表達(dá)式是一種復(fù)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(dòng)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(diǎn)；Wi j是 Ci j所對(duì)應(yīng)的權(quán)參數(shù)；Ni p（u） 是沿 u 方向上的第 i個(gè) 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(gè) 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(gè) NURBS 曲面是由多個(gè)復(fù)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(jì)難度。NURBS 曲面不僅設(shè)計(jì)工作量巨大，而且由其設(shè)計(jì)出來的曲面在制造加工過程中也是相當(dāng)困難，有的甚至根本無法完成銑削加工。
2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)分析
壓氣機(jī)葉輪五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過程有很多階段其中最為關(guān)鍵的是對(duì)銑削道具的選擇和制造過程當(dāng)中道具軌道的設(shè)定。對(duì)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(jìn)行材料削割時(shí)不會(huì)導(dǎo)致對(duì)材料的不規(guī)則破壞。而對(duì)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(dòng)數(shù)控加工技術(shù)在刀具軌跡設(shè)計(jì)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(jìn)行一下簡(jiǎn)要概述：
等距偏置法。等距偏置法的原理是首先要計(jì)算出切割材料的邊界面的等距面，然后再按照等距面進(jìn)行開刀切割的方法。這種方法常常用在對(duì)兩相鄰葉片進(jìn)行開槽時(shí)，其切割時(shí)刀具即可向內(nèi)又可向外進(jìn)行偏執(zhí)。使用這種方法進(jìn)行切割時(shí)一定要考慮機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速問題，過高或過低的轉(zhuǎn)速都將造成對(duì)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(duì)材料邊界曲面進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)之后使得邊界曲面與刀具運(yùn)動(dòng)軌道形成的加工面相交得出一組相交線而在這些線上進(jìn)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(jìn)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(shí)一定要注意，在界面旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dǎo)致在進(jìn)行切割時(shí)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(jìn)行切割前首先對(duì)要交工的材料進(jìn)行參數(shù)曲面的計(jì)算，切割時(shí)要先保持參數(shù)曲面的一個(gè)參數(shù)固定而導(dǎo)軌為另一個(gè)參數(shù)的變化軌跡從而來進(jìn)行材料切割。目前針對(duì)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(gè)不同的曲面混合而成時(shí)，等參數(shù)線法就不能自由應(yīng)對(duì)了。
3 結(jié)語
壓氣機(jī)葉輪的葉片設(shè)計(jì)和加工是進(jìn)行葉片生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中對(duì)于葉片的制造往往會(huì)出現(xiàn)與理論設(shè)計(jì)上的偏差，這是目前壓氣機(jī)葉輪的加工技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之所在。本文主要對(duì)壓氣機(jī)葉輪葉片的造型以及葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行了講解和簡(jiǎn)要分析，介紹了一些在壓氣機(jī)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(jìn)行規(guī)范操作才能做到對(duì)葉片的高質(zhì)量制造。
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