钟国成

摘要：增压器叶轮是一种很复杂的零部件，它采用多轴高效联动加工工艺进行制造，而多轴高效联动加工工艺是国家制造业的发展趋势、军工业发展的战略需求，它的技术研究对于我国成为制造业强国是重中之重。本文围绕此工艺，针对实际过程多轴加工中存在的一些问题，从国内外研究现状分析其加工工艺，针对多轴加工中的问题提出更加有效的方法和研究。

关键词：增压器叶轮;多轴联动;加工工艺

中图分类号：TK413.51                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）16-0100-02

0  引言

涡轮增压器最开始被应用于飞机发动机领域，随着技术的发展和行业的需求，涡轮增压技术被不断的完善，逐渐被应用于各种各样的制造行业，需求量也越来越大。叶轮作为涡轮增压器的重要部件，随着人们对于增压器发动机性能的不断追求和节约能源的理念，各个发动机制造企业开始将多轴高效的加工工艺作为研究的重点和未来企业发展的战略目标。多轴联动的铣削加工技术因为高效、灵活、表面质量高和制造中求短等优势发展为整体叶轮加工的主流方法。现在涡轮增压的应用越来越广泛，叶轮在增压器里面也是最重要的部件，因此企业对于企业来说，研究出一种新型的加工工艺对于企业而言是具有很高的工业应用价值和商业价值。

1  增压器叶轮多轴加工

1.1 增压器叶轮制造

涡轮增压器的工作原理是发动机排出的废气冲击涡轮使其高速旋转，然后带动叶轮高速转动，因此增压器的叶轮就是增压发动机最重要的核心部件，它的制造技术和发动机的高效需求息息相关，促使了增压发动机在汽车行业的大规模应用。但是叶轮通常能够为整体叶轮，但是它复杂的曲面加工一直是行业内的难题。传统的加工工艺制造的叶轮质量很差，使用寿命也很短。随着数控铣削加工技术的出现改变了目前的生产格局，现在因为技术及工艺的发展，数控机床成本也开始降低，叶轮加工可以开始进行流水线的生产制造，而且叶轮的质量越来越好，加工范围也变大了。再随着之后的多轴联动的技术出现，推进了数控机床设备的普及，几乎制造企业都开始了自动化和智能化方向的探索。通过计算机编程，开始采用更好的数控系统来进行增压器叶轮的制造加工。

1.2 多轴加工编程

随着现在计算机和网络技术的高速发展，计算几何技术也越来越先进，对于叶轮点、线、面构型方法的研究也越来越复杂，各类零部件制造的要求更加严格。因此对于叶轮等复杂部件的工艺编程要求更高。现在传统的三轴数控编程，已经不能满足现在工艺的需求。多轴数控工艺编程在未来肯定会代替现在的技术。多轴数控加工技术灵活多变，各个坐标轴联动可以使加工效率更高，准确率更高。但是它的编程比起传统的三轴加工技术要复杂很多，特别是复杂曲面的多轴工艺编程，需研究CAD/CAM技术、曲面优化拟合方法、复杂工艺规划设计、到位轨迹等多领域知识。多轴工艺编程中最重要的就是曲面曲线建模技术，运用CAM编程创建叶轮加工的三维设计模型。合理的加工工艺规划对于数控加工也是十分重要的，需要根据需求进行加工方案的设计和设备的选择。在多轴加工工艺中，刀位的轨迹可以随时改变，进而可以使曲面的制造方法更加优化，因此我们需要对刀位轨迹进行及时的优化和设计。多轴机床的结构复杂而且多样化，即便同一个数控系统的机床后置处理器都不能通用，因此，多軸后置技术是多轴数控加工机床可运行性和加工质量的重要保障。在叶轮制造加工过程中，经常受到各种外来因素的影响，导致其发生一些细微的变形，这样的叶轮往往寿命很短，而且对于整个发动机来说也会造成不可估量的损坏。目前一个制造机床就需要对应一个后置处理器，通用性太差。

2  叶轮多轴CAM编程

目前增压器叶轮的多轴联动数控编程采用的一般都是以CAD/CAM为基础的软件系统，而且叶轮的软件编程系统一般分为两类，一类是基于CAD/CAM软件系统二次开发出的叶轮编程模块，另外一类是整体叶轮专用造型及数控编程软件。其中以UG、Powermill、Hypermill、Surfmill、MasterCAM这几种软件应最为广泛。UG因为其价格适中，在国内低端器械产品加工中应用最为广泛，但是它的编程这些很复杂，需要技术人员有很好的编程经验和技术基础。国产软件里的Surfmill这款软件具有很强的CAM编程功能，它的参数设计很容易理解和选择，对于叶轮刀轴变化大的曲面进行加工，系统可以提供多种刀轴和倾角定义，方便刀具轨迹的优化设计。利用其它三维软件把模型建好，再将建立的零点快换及夹具的数值模型导入 surfmill 中，如图 1 所示，将所有刀具路径进行模拟仿真，仿真过程如图 2 所示，仿真过程中会对设置好的程序参数进行校验，若未出现报警提示，说明程序合理，未出现碰撞或过切现象，此时可把加工程序输入拷贝到机床进行实物的切削加工。

3  增压器叶轮多轴联动高效加工工艺

3.1 叶轮铣削工艺

叶轮的结构十分复杂，制造工艺也极其繁琐复杂。传统的加工工艺有着很大的缺陷，生产出来的叶轮平衡性差、增压能力不够、受力容易变形，这样的叶轮严重的制约了增压器的转速，使发动机的运行效率达不到需求。这样的情况下，新工艺和新的方法急需要研究。多轴数控加工有着传统工艺所不能比拟的优点，它生产的叶轮精度更高、耗时时间短。而且通过编程，可以一次装夹定位完成所有的工序加工，多轴加工也成为了叶轮类复杂曲面零部件生产的新宠。在前期的准备中，需要设计一套完善的工艺流程以及选择合理加工刀具。选择适当的刀具和合理的加工参数进行加工，对于生产出合格叶轮的质量和效率十分重要。下列的图3为surfmill软件里所采用的刀具，表1为铝合金材料叶轮的加工工序。

3.2 叶轮多轴加工机床选择

现在叶轮一般采用多轴联动机床进行整体加工。其中JDGR200V_A15SH五轴数控机床，它配备有精雕JD150主轴（HSK-A50），输出功率为18kW，扭矩为21.5Nm，最高转速为20000rpm。使用这个机床进行加工的时候，可以使员工的工作效率更高，生产出来的叶轮质量也会更好。目前五轴联动装置一般有以下三个结构：两个旋转轴都在工件运动链一方的是双转台型，这类机床的工作台不大，不能承受大重量的工件，不然会在叶轮表面留下划痕，影响其使用寿命，这个种类的机床适合一些体积小的零部件生产;当两个旋转轴都在刀具链一端时，就是双摆头结构型，这类机床的设计可以使主轴组合摆动，拆卸十分方便，还可以设置几个工位一起加工，工作台也比双转台结构的机床大很多，特别适合一些体积较大的零部件的加工生产，在高精度的曲面铣削行业中很受欢迎也被广泛应用于大型的数控机床结构上;转动轴在工件和刀轴两侧分开分布的就是摆头转台结构型，它的特点介于前面两个型号之间，主要应用于小部件和雕刻加工行业。企业在生产叶轮等部件的时候一定要先分析和计算好适合使用哪一类的机床，因为不同的机床生产出来的产品质量和生产效率都是有很大的区别的。

3.3 叶轮的设计加工

根据叶轮叶片曲面形状的不同，叶轮一般分为直纹面叶轮和自由曲面叶轮。叶轮的加工是属于接续加工，首先是将物料制作为毛胚，然后在五轴机床上进行铣削加工，通常的步骤是化槽然后进行扩铣，之后再进行叶片半精加工，最后进行叶片的精加工和流道的精加工，对于叶轮的生产，主要的一点就是产品的需求量大，加工精度高，需要加工设备能够达到批量稳定的加工生产，而且叶轮对于其本身平衡性要求很高，加工生产的适合一定要注意这点。在工艺开发阶段就要先确定加工工艺，依靠测量数据对叶轮加工进行分析，确定好流程进行生产。

直纹面叶轮通常采用侧铣法加工，自由曲面叶轮一般采用点铣法加工。点铣法是利用球头刀的球头部分进行加工，加工精度较高，但是这种方法加工效率不高，側铣法是使用锥度球头刀进行加工，主要利用的是刀具的侧刃对产品的加工切削，这种方法加工效率较高。

4  结语

增压器叶轮的多轴高效联动加工技术是一个国家制造行业的发展方向和目标，我们在以后的叶轮加工技术方面需要投入更多的研究。首先就是要使叶轮曲面质量更好，需要在前期编程中建立起叶轮参数的几何模型，根据数据和需求进行优化，然后根据叶轮产品的需求，选择好合适的加工机床。对于之后的多轴联动加工工艺方向主要就是叶轮几何模型优化、切削仿真方面和工艺方面的优化。国内的五轴机床的设计和运行效率方面还有很大的提升空间。

参考文献：

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