压气机整体叶轮模具CAD_CAM技术研究与实现

第21卷　第4期2001年8月北京理工大学学报Jo urnal of Beijing Instit ute o f T echnolog y V o l. 21　No. 4A ug. 2001

　　文章编号:1001-0645(2001) 04-0445-05

压气机整体叶轮模具CAD /CAM 技术

研究与实现

张　虹, 　马朝臣, 　乔念东, 　杨长茂

(北京理工大学车辆与交通工程学院, 北京　100081)

摘　要:研究小型车用涡轮增压器压气机整体叶轮模具的CAD /CA M 一体化系统. 利用

自由曲面成型法进行压气机叶型设计, 并利用五轴加工技术实现叶轮加工过程. 该系统满

足了小型车用增压器产品系列化对造型和编程系统参数化的要求. 运用该系统编制了直

径120mm 的压气机叶轮的五轴加工程序, 并成功地进行了叶轮加工. 关键词:压气机叶轮; 整体模具; CAD /CA M

中图分类号:T K 421. 8　　　文献标识码:A

压气机叶轮是车用废气涡轮增压器中最重要的零件之一, 其成本占到增压器总成本的20%以上. 它也是增压器中技术含量最高的零件之一, 它的性能基本上体现了增压器设计和制造的总体水平. 要研制小型车用高压比、高效率、使用流量范围宽的增压器, 压气机叶轮的设计和制造技术是其中最关键的技术之一[1].

随着涡轮增压技术向中小功率内燃机方向的发展, 对叶轮的性能及强度的要求愈来愈高, 要提高小直径叶轮的效率和流量范围, 压气机叶轮必须由直叶片改为前倾后弯叶片, 叶片的曲面类型也由直纹面变为自由曲面, 早期利用普通铣床加工单梯度的径向直纹叶片叶轮模具的方法已经不能满足要求. 目前国内对于小型车用叶轮的加工基本采取分片金属母模的方法, 用该方法会使叶片尺寸精度难以保证, 叶片间的自振频率分散度大, 叶片易产生共振而断裂等问题. 而利用五轴数控铣床加工的变截面前倾后弯叶片模具已经成为一种新的研究方向, 也是国内压气机设计和制造领域内的一项急需突破的关键技术. 作者重点研究车用小直径前倾后弯整体叶轮的设计及其精密五轴加工技术. [2]

1　压气机叶轮成型方法研究

压气机叶轮成型方法有很多种, 它的发展是与叶片的形式、机床加工方法、工艺条件以及计算机的发展紧密相关的. 作者利用自由曲面成型法进行设计. 此方法利用蒙面法生成叶片曲面, 可应用于前倾后弯叶片的成型. 其造型参数依据三元流分析和叶片强度计算优化确定, 并最终由气动性能和结构强度的折衷确定.

收稿日期:20001206

基金项目:部级预研项目

:(, 女.

446北京理工大学学报第21卷　利用蒙面法生成叶片的目的是:将三维

空间曲面简化为二维的平面, 在同一显示平

面上完成所有截面曲线的设计; 利用一条所

谓的脊线(spine curve) 引导截面曲线变换

到三维空间[3]; 依次用插值法生成这些截面

曲线的曲面.

叶片叶型曲面设计框图如图1所示.

图2给出了叶片成型示意图.

在设计中,

前倾曲线指的是在压气机出

口基圆圆柱上的脊线方程, 可表示为

H =f (z ) , (1)

式中　H 为以叶轮几何中心O 为回转中心的圆周角, 如图

3a 所示. 前倾曲线的叶型形式可以用n 次方抛物线、通用

抛物线、标准椭圆、双圆弧等方程表示[1].

后弯曲线是沿着坐标z 轴的排列规律, 它在平行于

x Oy 平面的各平面上和前倾曲线相交, 其变化方程为

x =f (z ) , y =f (z ). (2)

它可用抛物线、圆弧曲线、椭圆方程或多次方程等表

示(见图2).

沿前倾曲线所形成的壁厚的变化规律为

D z =f (z ) ,

在等z 截面上沿后弯曲线的厚度为

D R =f (R , z ) , (3) 式中　D z 为叶片轮毂直径上的叶片厚度, 如图3b 所示. 变换截面曲线到三维空间图1设计截面曲线(后弯曲线) 确定等z 截面上后弯曲线的厚度压气机叶片叶型设计设计脊线(前倾曲线) 沿前倾曲线生成的厚度规律子午面设计确定通道内、外廓线生成曲面求出曲面凸、凹面坐标压气机叶轮叶片成型方法示意图图2　叶片成型原理图R 0——叶轮轮毂半径; R 1——叶轮进口半径; l ——叶轮轴向长度. (4)

式中　D R 为在相同z 截面上随叶片半径变化的厚度. 如图3c 所示

.

图3　叶片叶型设计图

利用此方法设计的叶轮、前倾曲线、后弯曲线以及厚度D z , D R 均可根据三元流分析和叶片强度进行优化调整. 它给气动设计带来了很大方便, 灵活性大, 并且用此方法设计的叶轮克服,

　第4期张　虹等:压气机整体叶轮模具CA D /CA M 技术研究与实现4472　叶轮加工方法

压气机曲面类型不同, 加工方法也不同. 五轴加工一般分为侧铣法和端铣法[4].

2. 1　侧铣法

侧铣法是用刀具的侧刃进行切削, 刀轴方向与曲面法向矢量保持垂直. 侧铣法通常用于精确加工可展直纹面, 但是对于非可展直纹面, 如果刀具侧刃与直纹面保持直线接触, 会发生过切, 使加工出来的曲面不是所设计的曲面形状, 这将严重影响叶轮的气动性能. 这种过切现象不仅破坏了叶片凸凹面的几何形状, 改变了叶轮中预定的气流流动情况, 而且还破坏了叶轮进气边的角度分布规律.

2. 2　端铣法

端铣法是指在加工过程中只有刀具的刀尖部分和被加工面进行点接触. 它可以精确加工任何形状的叶轮, 包括直纹面叶轮和自由曲面叶轮. 由于端铣法每一切削行程的吃刀量很小, 切削力也就很小, 因此可以大大减小加工中的让刀现象[5].

端铣法的主要缺点是加工效率比侧铣法低. 但是利用五轴加工技术加工的小直径叶轮主要是试验用叶轮、有特殊要求的叶轮和制备整体金属母模用的叶轮. 这几种叶轮的生产批量都不会很大, 因此加工效率的降低影响并不大.

2. 3　双控流线端铣法

用端铣法加工叶轮时, 在刀路计算中难度最大的两步是对刀具轨迹(刀轨) 和刀轴方向的计算.

刀轨计算首先要确定刀轨的走向. 在加工叶轮类零件时刀轨方向的确定主要考虑刀痕对气流的影响. 如果让计算出的刀路沿着气流流线的方向, 则加工后的刀痕即使不能完全打磨掉, 也不会干扰气体的流动. 因此沿气流方向加工是最佳方案[6].

刀轨计算有两种传统方法:截面法和参数线法. 但这两种方法均不适用于在“自由曲面成型法”设计的叶片曲面(经裁剪的自由曲面) 上生成沿流线方向的刀路轨迹. 作者在刀轨计算中使用了一种新的计算方法即“控制面法”生成刀轨. 此种方法的灵活性高, 它与叶轮成型方法和曲面造型方法无关, 可以在任意经裁剪的自由曲面上形成流线型刀轨

.

由于叶轮叶片的间距很小, 当刀具沿刀路前进时, 刀轴要改变其角度以避开叶片, 但又不能超出回转轴的行程而产生干涉, 同时所选择的角度还应使锥度球头刀与加工面的夹角不能太小, 以增大锥度球头刀的锥角, 这样可以增大刀具的刚性, 避免引起过大的让刀. 在计算刀轴方向时使用了一种新的定义刀轴的方法, 即控制矢量法. 该方法可以在空间任意位置, 以M ×N 的排列方式给出一系列用有向线段定义的刀轴矢量, 称为控制矢量. 各给定控制矢量之间的刀轴矢量由各控制矢量经插值得到, 如图4所示. 用控制矢

量法计算刀轴简单而灵活, 其可调参数多, 几乎可以适用于各

种类型零件的加工, 如果经计算发现出现干涉, 只需调整对干

涉位置影响最大的若干处控制矢量, 然后再次计算直至无干涉

为止. 如果调整难度较大, 还可增加一排控制矢量, 使干涉不

作者使用了经裁剪的自由型曲面上生成沿流线方向刀轨的计算方法——控制面法, 以及非常直观地定义无干涉刀轴方向的方法——控制矢量法. 通过将两种方法创造性地结合在一起使用, 有效地解决了端铣法加工小直径非直纹面叶轮中的刀路计算问题. 将此种端铣方法称为双控流线端铣法.

3　设计实例

根据所研究的压气机叶轮CAD /CAM 系统, 以直径为120mm 的压气机叶轮为实例, 最终实现了压气机叶轮的CAD 造型设计和五轴整体加工.

3. 1　设计及建模过程

压气机叶轮是用自由曲面成型法设计的具有后弯叶片的叶轮. 其叶型数据给出的是各条后弯曲线上若干点的坐标值及该点处的壁厚. 同时还给出了叶顶和叶根等外形尺寸. 在这些数据的基础上, 利用CAD 参数化建模系统建立叶轮的三维参数化实体模型.

叶轮的造型过程包括叶片的曲面造型和叶轮整体的实体造型两部分. 其中压气机叶轮叶片部分的形状是自由曲面成型法构造的自由曲面. 叶轮的其

余部分可看成回转型实体, 其整体外形轮廓由叶顶曲线和轮

径等尺寸决定, 轮毂部分则主要由叶根曲线决定.

在本设计中, 采用的是将参数化实体建模和非参数化曲

面建模结合在一起使用的混合建模技术. 首先在非参数化曲

面模块中构造叶轮叶片的凸面及凹面, 然后在参数化实体模

块中完成叶轮的参数化实体建模.

该叶轮曲面形状的修改在命令文件中完成, 叶轮整体尺

寸的修改在参数化实体造型模块中通过修改参数完成. 图5

所示为计算机建模的叶轮图.

3. 2　加工过程

本叶轮加工采用的是M AHO 800C 机床, 压气机叶轮的加工工艺过程包括3个工序:¹开槽粗加工　分4层切开叶片间的流道.

º半精加工　由于开槽粗加工后大叶片凸面的余量还较大,

如果直接进行精加工会在叶

片表面产生明显的复映误差, 因此增加一次半精加工.

»精加工　精加工主要包括大叶片凸面、大叶片凹面、小

叶片凸面、小叶片凹面、轮毂面和倒角面的精加工.

编制好数控加工工艺过程后, 就可以相应地编写每一工序

的加工程序. 压气机叶轮的五轴数控编程系统使用JCF 文件

(工作控制文件) 进行五轴加工程序的编制. 刀路计算完成之

后, 利用NCVERIFY 文件进行加工仿真. 最后, 在五轴数控铣

床上实现加工的全过程. 图6所示为经过加工后得到的叶轮照

图6　用双控流线端铣法加工的叶轮图5　完整的叶轮实体造型片.

3. 3　测试结果

用上述方法加工的叶轮, 经过三坐标仪初步测试, 与计算机原设计数据相比较, 发现叶片前倾曲线上的坐标数据能较好吻合, 但加工的叶片沿后弯曲线点的厚度与原设计数据相比偏薄, 在压气机进口处, 厚度误差在0. 18mm 左右, 在压气机出口处的厚度误差在0. 10mm 左右.

产生误差的原因主要是工艺误差和机床误差:工艺误差主要是由于用毛胚作铸造铝合金, 材质较疏松、偏软, 导致让刀误差和变形误差. 另外, 刀具本身的精度会导致一定的误差. 机床误差是机床运动过程中产生的误差, 包括插补误差和坐标轴跟踪误差等.

4　结　论

以双控流线端铣法为基础, 以CAD 软件为平台, 构造了小型车用增压器压气机整体叶轮的CAD/CAM 一体化系统. 该系统满足小型车用增压器产品系列化对造型和编程系统参数化的要求. 最终加工出直径为120mm 的压气机叶轮, 证明所述方法的可行性和实用性.

参考文献:

[1]　朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器[M ]. 北京:机械工业出版社, 1992.

[2]　王延生, 黄佑生. 车辆用涡轮增压器[M ].北京:国防工业出版社, 1984.

[3]　施法中. 计算机辅助几何设计与非均匀有理B 样条[M ].北京:北京航空航天大学出版社,

1994.

[4]　范炳炎. 数控加工程序编制[M ].北京:航空工业出版社, 1992.

[5]　查治中. 数控技术在飞机制造中的应用[M ]. 北京:国防工业出版社, 1990.

[6]　刘雄伟. 数控加工理论与编程技术[M ]. 北京:机械工业出版社, 1995.

CAD /CAM System for Integral Impeller Moulds

ZHANG Ho ng , 　M A Chao -chen , 　QIAO N ian -dong , 　YANG Chang -mao

(Schoo l o f V ehicle and T r anspor tation Engineer ing , Beijing Institute

of T echnolo gy , Beijing 100081, China )

Abstract :The process of setting up the CAD/CAM system for the complex im peller of a vehicle turbo charger co mpr essor is intr oduced . From the w ay of free surface impeller desig n to the pr ocessing thr oug h 5-ax is end milling , the sy stem can be used to machine co mplex trim med free surfaces for mino r diameter impeller s. A co mpresso r impeller w ith a diam eter o f 120mm has been machined successfully w ith this system .

Key words :compresso r im peller; integ er mo uld; CAD/CAM