涡轮发动机扩压器的加工工艺研究

杨伟明

【摘 要】发动机在机器中扮演着动力的大脑。文章以涡轮发动机扩压器为载体，详细且有针对性地研究了加工工艺策略及刀具路径设置的重点和难点，以及在实际加工过程中需要注意的事项，介绍了定轴加工的工艺策略及用法，并对叶轮扩压器的刀具路径设置及实际加工进行了研究。

【关键词】扩压器;工艺策略;刀轨设置;定轴加工;研究

1 涡轮发动机扩压器

涡轮发动机是飞机、大型船舶及车辆的发动机的核心部件，属内燃机的一种，是一种利用旋转的机件从穿过它的流体中汲取动能的发动机。主要有涡轮喷气发动机及涡轮风扇发动机等。但无论哪种涡轮发动机，都具备三大部分，即燃烧室、涡轮机及压缩机。扩压器是由离心压缩机产生，依靠动能转换静压能的装置，它的主要任务是有效地转化静压能，还发挥收集和引出气体的作用，是涡轮发动机压缩机中重要的组成部分。

涡轮发动机扩压器由13个叶片组成，扩压器正反面三维模型如图1所示，其叶片按一定的角度和比例均匀地镶嵌在基体上，中间转弯段通过圆弧过渡连接。该扩压器采用整体等叶高分布的方式，以叶片高度的分布为基准，由轮盖型线偏置出轮毂的型线。扩压器入口直径为92 mm，最大直径为107 mm，叶片高度为7.5 mm，轴向长度为19 mm。

2 工艺研究

产品零件的加工在实践中要尽可能地减少装夹次数，要尽可能多地在一次装夹中加工更多的轮廓特征，需要在工艺路线设计时找到最优的加工路线，这样不仅可以保证零件的加工精度，也能提高加工效率，保证质量，减少成本。扩压器零件的主要特征是型腔、孔和叶片，并配合圆角的过渡、螺纹孔的切削。该零件的主要加工难点是叶片的加工及其精度的保证，对车削叶片最大轮廓尺寸的精度要求较高，上偏差为-0.180 mm，下偏差为-0.234 mm，公差为0.054 mm;上表面圆形型腔上偏差为+0.05 mm，下偏差为0 mm，公差为0.05 mm;中间孔上偏差为+0.021 mm，下偏差为0 mm，公差为0.021 mm;且该孔与上表面圆形型腔的同轴度为0.025 mm;反面型腔面与上表面基准面的公称尺寸为12.4 mm，且上偏差为-0.06 mm，下偏差为-0.08 mm，因此公差为0.02 mm，属加工精度较高的部位，零件工程图如图2所示。此外，13个叶片的加工及叶片间13个R2.1 mm的圆角在切削加工过程中也需要得到保障，在整体加工中需要根据实际情况把握加工精度。因此，在加工过程中按照事先准备好的毛坯进行装夹和定位，随后按照先孔后面、先粗后精的原则对孔，对叶片区域进行粗加工，随后进行螺纹和叶片的精加工。加工工艺表见表1。

3 刀路规划研究

对于切削加工的零件而言，在有准确的工程图之后，首先在切削加工过程中要做好相应毛坯的装夹和定位，然后按照既定的加工工艺进行切削加工。对于涡轮发动机扩压器而言，该零件的主要加工部位和重点加工部位为叶片部位，叶片数量多，切削量相对较大，精度相对较高，因此主要的加工难点在于保证叶片的精度和质量。针对叶片特有的结构特点，对叶片的加工工艺、刀具路径设置和参数做了详细的研究，并用设计好的切削参数和刀具路径在实际的数控机床上进行了验证，最后完整高效地加工出所需零件，并检验合格。相应的策略和参数分别如下：①叶片粗加工，采用型腔铣的策略，对叶片区域进行粗加工，应用跟随部件的切削模式和深度优先的切削顺序以0.8 mm的深度进行铣削，余量为0.2 mm。②葉片上表面粗加工，采用面区域铣削的策略，采用跟随周边的切削模式，转速为6 000 r/min，切削进给率为3 500 mm/min。③叶片半精加工，采用深度加工拐角的策略，最小切削长度为1 mm，合并距离为3 mm，最大距离为恒定值0.4 mm。④上表面叶片半精加工，采用面区域铣削的策略，切削区域空间范围选定壁，刀具平直百分比为60%。⑤叶片圆角清根采用固定轮廓铣的方式，需要指定矢量为x轴发现，驱动方式为清根，最大拐角角度为135°，部件余量为0.8 mm。⑥叶片精加工采用深度轮廓铣的策略，合并距离为3 mm，最小切削长度为1 mm，最大距离为恒定值0.25 mm，部件余量为0 mm。加工刀具路径如图3所示。

4 定轴加工

随着制造业的不断发展，人们对产品加工精度和质量的要求越来越高，虽然多轴机床的使用越来越广泛，但因其结构复杂，精密程度高，导致其刚性相对较低，误差的累积也相对较高，加工成本高昂。在多轴数控加工中，定轴加工是优先使用的工序，定轴加工在多轴加工工序中可以分为“3+1”和“3+2”两种模式。简单通俗的理解“3+1”模式为三轴联动加一个用工件定位的轴;“3+2”模式为三轴联动加两个定位轴。也就是在多轴数控机床切削加工开始之前，A轴（B轴）或C轴，或两轴相互联动（五轴加工机床）旋转，将工件定位至要加工的位置和角度后，保持此状态固定不动，并在其基础上进行其他轴运动，开始切削加工的一种方式。

5 小结

本文详细地分析和研究了涡轮发动机扩压器的结构特点、加工策略和刀具路径设置。着重对扩压器叶片部分的加工做了深入的研究和详细的说明，从实际的加工角度设计工艺路线，减少了切削时长，增强了加工精度，提高了效率;并结合定轴加工策略及其在多轴加工发挥的作用，为同类零件的生产和制造提供了借鉴的思路，在加工工艺方面做出了更为优化的路线设定。涡轮发动机扩压器加工实物如图4所示。

参 考 文 献

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