推进器叶轮设计分析与五轴加工研究①

韩忠冠

(安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

随着科学技术的日益发展，制造业的同行们一直在寻求新的结构、新的加工设备以及新制造工艺，其中推进器叶轮的结构优化和制造就是其中之一，由于其在军事、航空航天、工业工程、民用等领域都有广泛应用，特别是近几年随着汽车工业的发展，汽车发动机的涡轮增压技术研发竞争也日益激烈。叶轮加工是目前公认的难度较高的加工工艺，主要是因为叶轮使用场合和自身结构决定的，从推进器叶轮工作场合和自身结构看，要求各叶轮组一致性好、表面质量高、传动平稳，动平衡好、工作噪声小等要求。NX叶轮加工模块和五轴数控加工中心配合，大大的提高了叶轮的加工效率和叶轮的表面质量，具体体现在模块编程效率高，一致性好，机床自身精度高，避免运动精度影响、一次装夹多面加工，减小多次装夹定位误差的影响、高转速大进给小切深，保证加工效率减小切削变形，减小刀具对狭小空间加工同时保证刀具刚性。

1 推进器叶轮的结构设计与静力学分析

1.1 推进器叶轮的结构设计

从整体上看，推进器叶轮分为轮毂和叶片两个部分。轮毂主体形状是具有抛物线母线的回转曲面，叶片是变角螺旋曲面。

利用NX10建立图1中的推进器叶轮的数字模型，其中直径为80mm，叶轮数为6，螺旋角为30°，叶片厚度为10mm向两边逐渐减小为5mm，叶片间的重叠30%，保证气体推动均匀稳定。

图1 推机器叶轮数字模型

1.2 推进器静力学分析

1)计算处理

根据静力学分析的要求和叶片结构，设置节点数为20个单元。叶片为6系列铝合金。利用NX NASTRAN结构分析模块功能进行网格划分为4，网格单元数量为12368个。设定轴线固定，叶片绕轴线旋转，旋转加速度为2m/s2，边界条件的设置与仿真一致，结果将反映起到了真实情况，同时保证数学模型在仿真中不发生刚性位移。叶片受力载荷表示为[6]:

(1)

式中，Ft为圆周方向上的切向力；Fr为径向力；T为转动提供扭矩；d为工作载荷作用点处叶轮的直径；α为叶轮倾斜角度。取扭矩T=5.0N·m，α=30°，经公式(1)计算可知Ft=12.5N；Fr=2.975N。

2)求解

由图2可知，叶片在工作载荷的作用下会发生弯曲形变且最大变形量为0.059mm，且在叶片最上部，通过加工倒角可以去除该部位，满足设计要求。

图2 推机器叶轮变形图

Von Mises 应力准则是判断工件受力后屈服极限的重要准则，其表达式为[5]:

(2)

式中，σx为X方向上的正应力；σy为Y方向上的正应力；σz为Z方向上的正应力；τxy为X方向上的剪应力；τxz为Y方向上的剪应力;τyz为Z方向上的剪应力;σs为屈服极限。

根据图3的应力分布图可知，工作载荷作用于叶片的平均应力为14.7MPa，叶片根部应力为26.7MPa，应力最大点出现在叶片根部区域，由此可见该区域为危险区域。在加工中采用刀具为直径为4mm球头清根处理来增加叶根圆角半径，来承担弯曲应力能力。

图3 推进器叶轮应力分布图

2 五轴加工分析

叶轮整体多轴数控加工是当前经济性最好的加工工艺。借助CAD/CAM软件来计算并获取叶轮的数控加工程序，五轴数控加工中心对叶轮进行加工,大大提高了叶轮的加工效率和加工精度。为实现高效和结构上的紧凑，叶轮设计多尺寸小，圆周均布较多，流道很狭窄，加工时三轴数控机床无法避开刀具和叶片的干涉，必须采用四轴或者五轴数控机床来完成加工。CAD/CAM辅助软件的叶轮模块可保证程序的一致性，加上五轴数控加工机床自身优势，在叶轮加工上无论在加工精度和加工效率上都优于三轴和四轴数控机床。

图4 叶轮加工工艺流程图

图5 刀具路径图

3 设备和材料

3.1 试验设备

试验采用DMG50型五轴五联动加工中心，其主要技术规格为:

设备配置为西门子840D系统，X,Y,Z,B,C五轴，24把刀具等主要技术参数。软件使用NX10，配置五轴后置处理器，进行数控五轴程序编写。

3.2 五轴程序编制

刀位点计算与刀轨生成主要取决于叶片的造型方法、参数线方向。开粗程序主要采用三轴定向开粗加工效率高，无论是上部分和叶片之间的余量，都采用定向开粗。应用曲面约束偏置的方法进行叶型粗加工，刀轴矢量根据叶片角度方向由编程人员建立的驱动和导动元素确定，粗精加工如图6所示。

图6 后置处理及加工

精加工程序采用叶轮模块，配合五轴固定轴轮廓铣削，利用刀尖跟随功能，实现刀轴五轴联动控制。

3.3 实验测试

运用NX10软件中的应用模组(Application)可输出刀具路径原始文件CLSF(Cutter Location Source File)，经过后处理(Post process)产生西门子840D系统NC代码。后处理界面如图7所示。可以生存IPW小平面实体与建模曲面比对加工精度，在清根清角处余量均为0，过切没有，叶片整体一致光滑均匀，采用这种加工策略和工艺路线完全满足设计时气体在叶片上流动性一致的要求。

4 结 论

采用6系列铝合金材料在DMU50型五轴加工中心上对优化结果进行实际验证，从程序编制、加工工艺的可行性、叶轮精度与理论数据的吻合度、叶片的表面光洁度、加工效率等几个方面都符合预期效果。本文通过从NX软件的建模到结构设计改进，再到NX高级分析，最后五轴仿真加工的全工艺流程来看，产品进行优化设计分析与选择恰当工艺技术参数，可以控制叶轮的表面的加工精度，提供了参数化的思路与方案。