压气机叶轮五轴联动数控加工技术
2014-10-13 来源：数控机床市场网 作者：重庆三峡职业学院熊江
摘要：文章主要讲述了压气机叶轮的加工技术，在加工过程中能否做到实际的压气机叶轮的叶型与理论设计当中的相符合是制造出合格叶轮产品的前提。文中深入探讨了压气机叶轮造型和五轴联动数控加工方法，为进行该方面生产和研究的人员提供了参考。
关键字：压气机叶轮；五轴联动数控加工；叶片造型
压气机叶轮广泛应用在汽车、船舶、航空、石油、医疗、化工等领域，他是各种涡轮增压引擎以及推进动力装置的关键部位。压气机叶轮叶型的设计是在结合空气动力学、 流体力学以及工程力学的基础上经过复杂的科学计算设计出来的，我们看到的每一种不同形状的叶片都是针对于设备不同的运行环境而研制的，两片叶型上面尽管是一小处的外形差异在设备的实际运行过程中也会造成截然不同的动力效果。
在压气机叶轮叶片的设计制造过程当中，能否做到实际的压气机叶轮的叶型与理论设计当中的相符合是制造出合格叶轮产品的前提。由于每一种压气机叶轮叶片都是在严格的数学计算基础之上设计出来的，其设计时都是运用相关软件进行模拟和修改以及理论测试，叶片的外形设计直接影响着涡轮设备产生的气压高低、动力大小和运行效果。很多情况下往往设计的叶片非常优秀，但在投入生产时由于制作加工过程中的偏差往往导致叶片性能大大降低，因此叶片制造成型出来的产品是否能够与当初设计的相符就成为了压气机叶轮叶片制作的关键。
目前美国、德国、英国以及日本等机械工业比较发达的国家在压气机叶轮叶片的设计和制造方面处于世界领先水平，尤其是在航空航天、汽车制造和机器人制作领域这些国家都有着较深厚的机械设计和生产历史积淀。近年来在压气机叶轮方面，各国相关领域的大型公司开始使用具有高精度的五轴联动数控加工技术方向发展。在这方面我国起步较晚，而且在进行技术推广和实施过程中出了不少问题，在此笔者就压气机叶轮造型加工和五轴联动数控加工技术进行一下分析。
1 压气机叶轮叶片造型
压气机叶轮一般有两种类型，即整体轮和分体轮。这两种叶轮主要区别是在结构方面，其中整体轮顾名思义就是整体式压气机叶轮，分体轮则是由导风轮和叶轮二者相组合而成的。这两种叶轮各有优势，整体轮气动性能较好，效率高但是加工成本大而且维修困难，分体论的特点与其相反。整体轮的页面造型又可分为直纹面和自由曲面，目前以直纹面应用最广，下面就这两种页面造型来进行分析：
（1）直纹面造型。所谓直面纹是指构成曲面的线都为称作之母线的不平行直线，而与这些直线所相机的曲线叫做导线。如图 1 所示：（a）和（b）为导线，ab 直母线，p 是直母线 ab上任意一点并且在直纹面内，直母线与导线的交点为 a 和 b，c（u）为过 a 点的直母线上的单位向量 。现假设 p 和 a 两点之间的距离为 x、p 和 b 两点之间的距离为 y，由此根据公式可以得出直面纹的方程如下：
（2）直面纹叶型设计较为简单，数学公式也不复杂，在实际的加工过程中一般不会出什么问题。
（2）自由曲面造型。自由曲面是由复杂的曲线线条组成的，这些曲线都是严格按照数学公式绘制出来的。自由曲线通常在模拟设计软件中使用的是称为 NURBS 的曲线，其全称为非均匀有理 B 样条曲线。NURBS 在传统的制图领域是不存在的，是为使用计算机进行 3D 建模而专门建立的。在 3D 建模的内部空间用曲线和曲面来表现轮廓和外形。它们是用数学表达式构建的，NURBS 数学表达式是一种复合体。NURBS 能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。NURBS 曲面的定义式如下：
（3）式子（3）中的 Ci j为控制顶点；Wi j是 Ci j所对应的权参数；Ni p（u） 是沿 u 方向上的第 i个 p 次方的 B 样条基本函数，Nj p（v）是沿 v 方向上的第 j个 p 次方的 B 样条基本函数。有NURBS 曲面公式我们就能看出，一个 NURBS 曲面是由多个复杂因子所决定的而且还涉及到高次方的问题，这就又加大了 NURBS 曲面的设计难度。NURBS 曲面不仅设计工作量巨大，而且由其设计出来的曲面在制造加工过程中也是相当困难，有的甚至根本无法完成铣削加工。
2 五轴联动数控加工技术分析
压气机叶轮五轴联动数控加工过程有很多阶段其中最为关键的是对铣削道具的选择和制造过程当中道具轨道的设定。对于不同材质的原材料要使用不同的铣削刀具，这样才能保证在进行材料削割时不会导致对材料的不规则破坏。而对刀具切割轨迹方面来说不仅要考虑材料材质还要避免出现过切、干涉和碰撞等现象。目前五轴联动数控加工技术在刀具轨迹设计中常用方法主要有等距偏置法、旋转界面法和等参数线法等。下面就这三种方法进行一下简要概述：
等距偏置法。等距偏置法的原理是首先要计算出切割材料的边界面的等距面，然后再按照等距面进行开刀切割的方法。这种方法常常用在对两相邻叶片进行开槽时，其切割时刀具即可向内又可向外进行偏执。使用这种方法进行切割时一定要考虑机床主轴转速问题，过高或过低的转速都将造成对材料的过切现象。
（2）旋转界面法。旋转界面法指的是通过对材料边界曲面进行一定角度的旋转之后使得边界曲面与刀具运动轨道形成的加工面相交得出一组相交线而在这些线上进行开刀铣削的方法。这种方法比等距偏置法在操作上更为精确，而且无论是进行直纹面的加工还是自由曲面的切割菊科使用该方法。但在使用时一定要注意，在界面旋转时刀具与材料边界面形成的相邻交线不可超过刀具刀头半径的一半，否则有可能导致在进行切割时材料大面积受损。
（3）等参数线法。所谓等参数线法是说在进行切割前首先对要交工的材料进行参数曲面的计算，切割时要先保持参数曲面的一个参数固定而导轨为另一个参数的变化轨迹从而来进行材料切割。目前针对于等参数线法中参数曲面的辅助软件有很多，比如 UG ，CATIA 等。这种切割方法的精度也比较高且有辅助软件协助操作，切割效率也较大。但是如果切割材料的外形是由多个不同的曲面混合而成时，等参数线法就不能自由应对了。
3 结语
压气机叶轮的叶片设计和加工是进行叶片生产的关键环节，在这一环节中对于叶片的制造往往会出现与理论设计上的偏差，这是目前压气机叶轮的加工技术的重点和难点之所在。本文主要对压气机叶轮叶片的造型以及叶片的五轴联动数控加工技术进行了讲解和简要分析，介绍了一些在压气机叶轮叶片方面的常用加工方法。只有根据不同的加工材料选择适用的刀具和加工方法来进行规范操作才能做到对叶片的高质量制造。
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