1分流式叶轮结构分析
某汽车增压器分流叶轮结构如图1所示，叶轮主要由叶片和轮毂构成:5个主叶片和5个分流叶片均匀交错分布在轮毂面上，叶片前缘到后缘曲率较大并有明显的后仰趋势，最薄处仅为1.75mm，叶片与轮毂衔接圆角半径为4mm;轮毂面整体呈漏斗型，栅距最窄处为分流叶片前缘到主叶片的垂线距离，仅为11.42mm。通过分析该分流叶轮的结构特点，其加工难点主要包括:(1)分流叶轮叶片薄，厚度不到2mm，属于典型的薄壁零件，加工过程在切削力作用下变形严重，故如何采用合理的工艺流程及切削参数以减少叶片变形是需要解决的难点之一;(2)分流叶轮结构复杂，叶轮包覆面到轮毂面的最大距离为7.84mm，其结构决定了分流叶轮流道深、栅距小，刀具与工件极易发生干涉，故如何选择合适的刀具并控制刀轴矢量变化是解决问题的关键;(3)分流叶轮叶片为非可展扭曲变截面，曲率变化剧烈，在加工过程中因机床旋转轴动态响应滞后易造成过切、欠切等问题，如何动态调整切削速度是保证叶片加工质量的关键。
2分流叶轮加工重点工序分析
通过分析该分流叶轮的结构特点，在UG软件中，采用非叶轮模块重新将该叶轮的加工工艺流程制定为:流道粗加工→主叶片及分流叶片半精加工→流道半精加工→主叶片及分流叶片精加工→流道精加工。并将分流叶轮加工中的重点工序分析如下。
2.1分流叶轮流道加工工艺
2.1.1流道粗加工
在分流叶轮的铣削加工过程中，流道粗加工的目的是在保证精加工精度的前提下快速去除毛坯的多余材料。基于流道中分流叶片的存在，主叶片出气口处栅距明显大于分流叶片出气口，由此可对叶轮流道采用分区域定轴加工的方式来进行流道开粗［2］。(1)采用分区域加工的重点是加工区域的划分。首先通过抽取几何曲面，得到分流叶片压力面与吸力面在叶根处的交点O，然后根据叶根参数线方程求得由交点O向两相邻主叶片作垂线的垂足的坐标值，分别连接交点O和两条垂线的垂足得到相交线l1和l2，最后通过相交线l1和l2得到分割平面，将流道分为A、B、C三部分［3］。(2)在切削模式上通过UG的固定轴轮廓铣削模块，采用高速分层铣削方式来去除材料(见表1)。这样能够有效减小加工过程中刀轴摆动范围，提高加工效率，同时降低了对加工刀具强度的要求，延长了刀具的使用寿命。
2.1.2流道半精加工及精加工
分流叶轮的流道半精加工与精加工的工艺方案类似，不同点只在于具体加工工艺参数(见表1)。基于UG叶轮模块在流道编制中存在的问题，通过如下措施得到了良好解决:(1)对分流叶轮流道中的残留三角区(图3)，采用流线驱动体、刀轴矢量插补的方法来进行流道半精加工与精加工。流线驱动方法只需根据切削区域定义流线驱动几何体的流曲线和交叉曲线，即可确定符合零件特征的刀轨流线。刀轴矢量插补则是通过定义流线驱动几何体上的流曲线和交叉曲线的边界点矢量来控制刀轴，轮毂面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U/V双向线光顺差值或样条插值获得(见图4)。这样刀轴矢量能够很好地得到控制，在不发生干涉的情况下，最大限度地减少叶片圆角与轮毂之间的残留区域。边界刀轴矢量可通过式(1)求解得到，其中e为单位矢量，IO(e，0)、JO(e，0)、KO(e，0)为流曲线O(0，0)O(n，0)上点O(e，0)的刀轴矢量，由此可以推导出其余3条曲线上点的刀轴矢量。(2)在初次通过分区域、流线矢量插补法对流道精加工编程、仿真后发现，流道残留三角区得到了良好的控制，但在区域之间有明显的衔接痕迹，因此对此方法进行优化。即在半精加工及精加工中，通过式(1)得到理论上流道边界曲线的刀轴矢量，然后将流线驱动几何体的切削起点及终点位置延伸0.4%，使刀轨在流道分割线附近产生一定重叠，同时根据叶片扭曲率和倾斜度的变化对刀轴矢量进行微调，并将加工参数中的空间摆角控制在25°以下，最大步长设置为0.02mm，内外公差设置为0.01mm，这样可在流道拐角及衔接处增加部分过渡的刀位，最终得到无加工干涉、切削纹理光顺度高的刀具轨迹。通过对比流道总体式加工刀轨(图3)与两次分区域加工刀轨(图5(a)，图5(b))，可以发现成功消除了分流叶片叶根圆角处的残留区，各区域之间的衔接痕迹也得到了良好的控制［5］。
2.2分流叶轮叶片工艺分析
2.2.1主叶片半精加工及精加工
叶片作为叶轮五轴加工中最为重要的部分，其加工质量对叶轮的动力学性能具有直接影响。鉴于叶片厚度较薄，叶片加工精度要求较高，在实际加工中可分半精加工与精加工两步来完成，具体工艺参数见表1。为了解决UG叶轮模块编制的叶片加工程序易引起叶片形变的问题，可采取以下改进措施:(1)摒弃传统的大切削、小进给的铣削方式，而采用小切削、大进给的高速铣削，可有效降低加工过程中产生的切削力。(2)由于叶片为非可展扭曲变截面，近似为直纹曲面，加工会在铣削过程中产生较大偏差，故在刀轴控制上以点铣分层加工来替代侧刃铣削，刀具与切削表面点接触可大大降低切削过程中的切削应力，降低叶片变形。同时点铣使刀轴在空间中的姿态变化变得容易，避免刀具与叶片发生干涉。为进一步提高叶片切削表面质量，提高加工精度，可采取以下优化方案:(1)在刀具进刀方式上采用叶片后缘进刀、单项循环，这样可以保持刀轨在叶片表面形成纹理的均匀性，以提高切削表面质量。(2)在切削速率上，可在后置处理软件上添加动态速度补偿功能，使机床能够实时根据叶片曲率变化动态调整刀具进给速度，以降低机床旋转轴响应滞后带来的影响，避免在叶片表面形成鱼鳞纹现象。通过对比叶轮模块下编制的主叶片刀轨与非叶轮模块下编制的主叶片刀轨(图6(b))，可以明显看出用文中方法编制的加工程序在叶片切削表面的刀轨纹理均匀性好，有利于提高叶片加工精度。
2.2.2分流叶片半精加工及精加工
分流叶片半精加工与精加工的加工策略、工艺参数与主叶片相似，其中区别之处在于主叶片前缘成开放式，分流叶片前缘受相邻主叶片影响，刀具摆动角度仅为34°，因此在分流叶片加工过程中，其刀轴最大摆角应控制在30°以下，并且将相邻主叶片设置为干涉检查体，以避免刀具与主叶片发生干涉。
3仿真与实验验证
实验采用汉川机床厂生产的XH2420双摆头五轴联动加工中心，该机床配有西门子840D系统。在UG软件中完成对分流叶轮加工程序的编制后，导出*.cls格式的刀轨文件，并通过XH2420机床专用后置处理软件转换成机床可识别的NC代码，并导入Vericut软件中进行仿真验证。通过对比UG叶轮模块下编制的加工程序与用文中方法编制的加工程序，发现经UG非叶轮模块编制的加工程序无明显过切和残留现象，消除了叶轮模块编制的程序中存在的问题，大大提高了程序的利用率。最后对分流叶轮进行实物加工验证，发现采用分区域加工、流线矢量插补方法得到的叶轮表面粗糙度良好，叶片加工刀轨均匀，叶片圆角处无明显残留，达到工程应用标准。
4结束语
分析分流式叶轮实际加工中的难点和重点，在UG非叶轮模块下进行加工程序编制，实际加工后经三坐标测量仪检测发现，其结果符合生产设计要求，并且效果优于用叶轮模块得到的加工程序。由此表明，采用该加工方法能有效提高分流式叶轮加工质量和精度，同时还为此类特型零件的加工提供了一定的参考。
作者：唐清春 单位：广西科技大学工程训练中心
