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壓氣機葉輪五軸聯動（dòng）數控加工技術（shù）

2014-10-13 來源：數控機床（chuáng）市場網作者：重慶三峽職業學院熊江

摘要（yào）：文章（zhāng）主要講述了壓（yā）氣機葉輪的加（jiā）工技術，在加工過程中能否做到（dào）實際的壓氣機葉輪的葉（yè）型與理論設計當中的相符合是製造出合格葉（yè）輪產品的前提。文中深入探討了壓氣機葉輪造型和五軸（zhóu）聯動數控加工方法，為進行該方麵生產和研究的人員提供了參考。

關（guān）鍵字（zì）：壓氣機葉輪；五軸聯（lián）動數控（kòng）加工；葉片造型

壓氣機葉輪（lún）廣泛應用在汽車、船舶、航空、石（shí）油、醫療、化工等領域，他是各種渦（wō）輪增壓引擎以（yǐ）及推進動力裝置的關鍵部位。壓氣機葉輪葉（yè）型的設計是在結合空氣動力學、流體力學（xué）以及工程力學的（de）基礎上經過複雜（zá）的科學（xué）計算設計出（chū）來的，我們看到的每（měi）一種不同形（xíng）狀的葉片都是針對（duì）於設備（bèi）不同（tóng）的運行環境而研製的，兩片葉（yè）型上麵盡管是一小處的外形差異在設備的實（shí）際（jì）運行過程中也會造成截然不同的動（dòng）力效果。

在壓氣機葉輪葉片的（de）設計製（zhì）造過程當中，能否做到實際的壓氣機葉輪的葉型與理論（lùn）設計當中的相符合是製造出合格葉（yè）輪產品的前提（tí）。由於每一種壓氣（qì）機葉輪葉片都是在嚴格的數學計算基礎之（zhī）上設計出（chū）來的，其設計時都是運用相關軟件進行模擬和修改以及理論測試，葉片的外形設計直接影響著渦（wō）輪（lún）設備產生的氣壓高低、動（dòng）力大小和運行效果。很多情況下往往設計的葉片非（fēi）常優秀，但在（zài）投入生產時由於（yú）製作加工過程中的偏差往往（wǎng）導致葉片性能大大降低，因此葉片製造成型出來的產品是（shì）否能（néng）夠與當初設計的相符就成為了壓氣機葉輪葉片製作的關鍵（jiàn）。

目（mù）前美國、德國（guó）、英國以及日本等機械工業比較發達的國家在壓氣（qì）機葉輪葉（yè）片的（de）設計（jì）和製造（zào）方麵處於世界領先水平，尤其是在航空航天、汽車（chē）製造和機器人製作領域這些國家都有著較深厚（hòu）的機械（xiè）設計和生產曆史積（jī）澱。近年來在壓氣機葉（yè）輪（lún）方麵，各國相關（guān）領域的（de）大型公司開始使用具有高精度的五軸聯（lián）動數控加工技術方向發展。在這方麵我國起步較晚，而且（qiě）在進行技術推廣和實施過程中出了不少問題，在此筆者就（jiù）壓氣機葉輪造型加工和五軸聯動數控加工技術進行一下（xià）分析。

1 壓（yā）氣機葉（yè）輪葉片造型

壓氣（qì）機葉輪一般有（yǒu）兩種類型，即整體輪和分體輪。這兩（liǎng）種葉輪主要區（qū）別是在結構方麵，其中整體輪顧名思義就是整體（tǐ）式壓氣（qì）機葉輪，分體輪則是（shì）由導風輪（lún）和葉輪二者相組合而成的。這兩種葉輪各有優勢（shì），整體輪氣動性（xìng）能較好，效率高但是加工（gōng）成本大而且維修困難，分體論的特點與其相（xiàng）反。整體輪的頁（yè）麵造（zào）型（xíng）又可分為直（zhí）紋麵和（hé）自由曲麵，目前以直紋麵應用（yòng）最（zuì）廣，下麵就這兩種頁（yè）麵造型來進行（háng）分析：

（1）直紋麵造型。所謂（wèi）直麵紋是（shì）指構成曲麵的線都為稱作之母線的不（bú）平（píng）行（háng）直線，而與這些直線所相機的曲線叫做導線。如圖 1 所示：（a）和（b）為導線，ab 直母線，p 是直母線 ab上任（rèn）意一點並且在直紋麵內，直母線與導線的交點為 a 和 b，c（u）為過 a 點（diǎn）的直母線上（shàng）的單位向量。現假設 p 和 a 兩點之間的距離為 x、p 和 b 兩點之間的距（jù）離為 y，由此根據公（gōng）式可以得（dé）出直麵紋的方程（chéng）如下：

（2）直麵紋葉型設計較（jiào）為簡單，數（shù）學公式也不複雜（zá），在實際的加工過程（chéng）中一般不會出什麽（me）問（wèn）題。

（2）自由曲麵造（zào）型。自由曲麵是由複雜的曲線線條組成的，這些曲（qǔ）線都是嚴格按照數學公式繪製出來的。自由曲線通常（cháng）在模擬設計軟（ruǎn）件中使用的是稱為 NURBS 的曲線，其全稱（chēng）為非均勻有理 B 樣條曲線。NURBS 在傳統的製圖領域是不存在的（de），是為使用計算機（jī）進行 3D 建模而專門建立的。在 3D 建模的內部空間用曲線和曲麵來表現輪廓和外形。它們是用數學表達式構建的，NURBS 數學表達式是（shì）一種複合體。NURBS 能夠比傳統的（de）網格（gé）建模方式更好（hǎo）地控（kòng）製物體表麵（miàn）的曲線度，從而能夠創（chuàng）建出更逼（bī）真、生動的造型。NURBS 曲麵的定義式如下：

（3）式子（3）中的 Ci j為控製頂點；Wi j是 Ci j所對應的權參數；Ni p（u）是沿 u 方向上的第 i個 p 次方的 B 樣條基本函數，Nj p（v）是沿 v 方向上的第（dì） j個 p 次方（fāng）的 B 樣條基本函數。有NURBS 曲麵公式我（wǒ）們就能看出，一個 NURBS 曲麵是由多個複雜（zá）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 曲麵的設計難度。NURBS 曲麵不僅設計（jì）工作量巨大，而且由其設計出來的曲麵在製造加工過程中也是（shì）相當困難，有的甚至根本無法完成銑削加工。

2 五軸（zhóu）聯動（dòng）數控加工技術分析

壓氣（qì）機葉輪五軸聯動數控加工過程有很多階段其中最為關鍵的是對銑（xǐ）削道具的選擇和製造過程當中道具（jù）軌道的設定。對於不同材質的原材料要使用不同的銑削刀具，這樣才能（néng）保證在進行材料（liào）削割時不會（huì）導致對材料的不規則破（pò）壞。而對刀具切割軌跡方麵來（lái）說不僅要考慮材料材質還要避免出現（xiàn）過切、幹涉和（hé）碰撞等現象。目（mù）前五軸聯動數控加工技術在刀具軌跡設計中常用（yòng）方法主要有等距偏置法、旋（xuán）轉界麵法（fǎ）和等參數線法（fǎ）等。下麵就這三（sān）種方法進行一下簡要概（gài）述：

等距偏置法。等距偏置法（fǎ）的原理是首先要計算出切割材（cái）料的邊（biān）界麵的等距（jù）麵，然後再按照（zhào）等距麵進行（háng）開刀切割的方法。這種方法常常用在對兩相鄰葉片進行開槽時，其切割時刀具即可向內（nèi）又可向外進行偏執。使用這種方法進行切割時一定要考慮機（jī）床主軸轉速問題（tí），過高或過低的轉速都（dōu）將造成對材料的過（guò）切現象。

（2）旋轉界麵法。旋轉界麵法指的（de）是通（tōng）過對材料邊界曲麵進（jìn）行一定角度（dù）的旋轉之後使得邊界曲麵與刀具（jù）運動軌道形成（chéng）的加工麵相交得出（chū）一組相交線而在這些（xiē）線上進行開刀銑削（xuē）的方法。這種方（fāng）法比等距偏置法在操作上（shàng）更為精確，而且無（wú）論是（shì）進行直紋麵的加工（gōng）還是自（zì）由曲麵的切割菊科使用該方法。但在使用時一定要注意，在界麵旋轉時刀具與材料邊界麵形成的相鄰交線不可超過刀具刀頭半徑的（de）一半（bàn），否則有可能導致在（zài）進行切割時材（cái）料大麵積受損。

（3）等參數線法。所謂等參數線法是說在進行切割前（qián）首先對要交工的材料進行參數曲麵的計算（suàn），切割（gē）時要先保持參數曲麵的一個參數固定而導軌為另一個參數的變化軌跡從而來進行材料切割。目前針對於等參數線法中參數曲麵（miàn）的輔助軟件有很多，比如 UG ，CATIA 等。這種切割方法的精度（dù）也比較（jiào）高且有輔助軟件協助操作，切割效率（lǜ）也較大。但是如（rú）果切割材料的外形是由多個不同的曲麵混合而（ér）成時，等參數線法就不能自由應（yīng）對了。

3 結語

壓氣機葉輪的葉片設計和加工是進行葉片生產的關鍵（jiàn）環節，在（zài）這（zhè）一環節中對於葉片的製造往往會出現與理論設計上的偏差，這（zhè）是目前壓氣機葉輪的加（jiā）工技術的重點和難點之所在。本文主要對壓氣機葉輪葉片的造型以（yǐ）及葉片的五軸聯動數控加工技術進行了講解（jiě）和簡要分析，介紹了一些（xiē）在壓氣機葉輪葉片方麵的常用加工方法。隻有根據不同的加工材料選擇適用的刀具和加工方法來進行規範操作才能做到對葉片的（de）高質量製造。

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