小型压气机叶轮五轴铣加工策略及设计考虑

高宇彬， 张虹， 毕金光

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081；2. 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室， 北京 100191；3. 宁波威孚天力增压技术有限公司， 浙江 宁波 315000)



·制造技术·

小型压气机叶轮五轴铣加工策略及设计考虑

高宇彬1,2， 张虹1， 毕金光3

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081；2. 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室， 北京 100191；3. 宁波威孚天力增压技术有限公司， 浙江 宁波 315000)

以小型车用J45涡轮增压器压气机叶轮为研究对象，采用五轴铣数控加工技术，研究复杂叶片型面的加工方法，完成对加工过程中的刀路轨迹等加工参数的规划，编制加工程序，加工出的叶轮实物表明所采用的加工方法简单高效，满足使用精度要求。进一步针对加工仿真及实物加工过程中出现的问题和难点，结合压气机叶轮几何设计，在满足气动性能要求前提下通过调整设计参数来改善加工质量，为考虑加工因素的压气机叶轮多学科优化策略提供了依据。

离心压气机； 叶轮; 自由曲面; 五轴铣; 加工策略

车用涡轮增压器所使用的离心压气机叶轮是典型的小尺寸复杂曲面薄壁零件，对制造技术有着严格的要求。早期针对此类零件的加工方法主要有蜡膜铸造[1]、快速成型技术[2]等。随着现代先进加工技术的发展，五轴数控加工以其灵活高效的加工方式、高质量的零件表面及加工周期短的优点而成为压气机叶轮制造中常用的方法。较早采用整体叶轮五轴加工技术是在火箭发动机转子、航空发动机涡轮等大直径关键部件上[3]，研究包括整体叶轮五轴铣削加工理论的数学模型和算法求解[4-6]，叶轮类零件多坐标NC编程专用软件系统[7]等。随着汽车技术的日益发展，小型车用整体叶轮的加工需求越来越多，车用压气机叶轮不仅直径小，而且叶片薄、加工精度要求高，加工过程中容易出现干涉碰撞和严重的加工变形。叶轮五轴数控加工技术研究对于保证压气机性能、提高生产效率、降低生产成本具有重要意义。如何制定小型车用压气机叶轮的五轴加工策略，提高加工效率，进行多学科优化设计等新的难点，有待于深入研究。

1 小直径压气机叶轮的几何特性

1.1 叶轮三维特征

现代气动力学的发展使得压气机的性能与早期相比显著提高，压气机的三维造型也比传统叶片更为复杂，倾向于使用自由曲面构造叶片型面以提高压气机效率和工作范围。车用增压器小型离心压气机叶轮直径小(通常30～60 mm)，流道宽度窄(最窄处 2 mm左右)，采用长短叶片，叶型曲面复杂。加工时所采用的数控编程方法和机床设备的技术参数必须满足结构特点。

1.2 直纹面与自由曲面

常用的离心叶轮造型方法有直纹面和自由曲面两种。直纹叶片可用直线沿一定轨迹移动生成(见图1)，这种造型方法生成的叶片可以用线接触的侧铣法加工，加工精度高；然而源于其叶片型面生成方法的特殊性，直纹叶片的叶片角展向从根到尖只能线性变化，叶轮对进口来流的适应性受到限制。

不能用二次方程描述的曲面称为自由曲面。考虑到叶轮的叶片造型是在近似流面的回转面上进行，使用自由曲面造型的叶片可以给定任意个回转面上的二维叶型，故而可以灵活地适应叶轮内气体的流动，设计得当可以获得比直纹面造型更好的叶轮气动性能。本研究的J45离心叶轮使用了基于NURBS(非均匀有理B样条)的自由曲面进行造型设计。

自由曲面的加工方法与直纹面不同，直纹面可采用待加工面与刀具侧刃线接触的侧铣法，而自由曲面只能采用待加工面与刀头点接触的端铣法(见图2)。端铣法与侧铣法相比，需要沿叶片展向从轮缘至轮毂分层加工，有效切削宽度减少而整体行程增大。因此，自由曲面叶型相对于直纹面叶型在加工方面的劣势，是其虽有更好的气动性能但应用却不如直纹面叶型广泛的主要原因。本研究采用MAX-AB软件，该软件是NREC公司在直纹面叶轮加工软件MAX-5基础上发展而来，适应自由曲面叶型加工。

2 小直径压气机叶轮五轴加工方法

2.1 J45压气机叶轮初步设计和三维造型

J45压气机叶轮是自主设计研发的小型车用柴油机涡轮增压器压气机叶轮。根据增压器与发动机匹配的性能要求，选择压气机的设计点。利用相似理论和设计经验，计算确定压气机叶轮的基本几何参数，迭代得出平均流线截面的热力参数，估算其损失，预测出压气机的性能参数。然后采用准三维气动成型方法，调整叶轮子午流道、叶片角分布、叶片厚度、分流叶片位置等几何参数，分析迭代计算得到的叶片—叶片载荷分布、轮毂—轮缘载荷分布、压力系数分布等气动参数是否合理，最终确定压气机的叶片数据。

J45压气机叶轮的部分设计参数及三维模型分别见表1和图3。

表1 J45叶轮设计参数

2.2 J45叶轮加工过程

使用MAX-AB加工编程软件，对J45叶轮进行加工策略的规划、分析和数控加工编程。在数控编程前，了解机床的性能及其技术参数，防止刀具转速和进给速度等加工参数超过机床允许值；数控编程时，分析零件的材料、形状、尺寸和精度、表面处理的要求，在此基础上确定加工方案、加工路线、工装夹具、定位夹紧方法、对刀点、换刀点等，并合理选定刀具和切削用量；完成数控编程后，根据机床型号和所使用的操作系统将软件生成的刀位程序转换成机床可读的NC程序指令，将指令输入机床，完成叶轮的加工。整个叶轮的加工过程见图4。

叶轮加工过程中涉及到的加工参数有刀具选择、走刀步长、加工带宽度、刀路轨迹、进给速度、加工余量等，本研究只针对叶轮加工中最为关键的刀路轨迹作详细分析。

2.3 叶轮加工的刀路轨迹研究

刀路轨迹即刀具从进入工件到参与切削，最后退刀至工件以外的过程。不同加工工序的刀路轨迹具有明显差异：粗加工是由运动轨迹线构成加工面，再由不同加工面积叠成层状，涵盖整个流道；叶片精加工和铣前缘分别是构成对叶片和前缘的包络面；轮毂精加工则是由进口至出口或者由出口至进口的辐射状扇形展开。

粗加工和轮毂精加工涉及到对具有长短叶片的叶轮流道区域的划分。由图5可知，两长一短三个叶片将流道划分为三个区域：左侧长叶片A面和短叶片B面构成A-BS区，右侧长叶片B面和短叶片A面构成AS-BR区，左侧长叶片和右侧长叶片构成A-BR区。

粗加工开槽时可以将三个区域单独加工，也可以将A-BR区域以短叶片为界分给A-BS和AS-BR，作为两个区域加工。三段法是沿流道分段加工，使得机床主轴的减速停止时间和加速启动时间长于两段法，加工效率逊色于两段法；两段法从叶轮进口边开槽到出口边，致使内应力大量释放，极易产生大的变形。一般压气机叶轮材质为刚性强的金属(例如钢)时，采用两段法; 而材质为刚性弱的金属(例如铝)时，采用三段法。J45压气机叶轮为锻铝材料，加工编程时根据加工要求，在粗加工选择三段法，在轮毂精加工工序采用两段法。

加工编程中，叶轮的三维流道用两个二维平面表示：B2B面和子午面。子午面的刀路轨迹生成方法有两种，一种是等距偏置法，一种是等参数法。等距偏置法是通过对边界曲面的等距线进行计算，以等距面作为刀头的边界面的一种方法，一般应用于相邻叶片的粗加工开槽。既可选择外轮毂作为偏置面(见图6a)，也可选择内轮毂作为偏置面(见图6b)。为防止刀具运动速度为0时对被加工件产生过切，刀具进、退刀点应尽量避免位于轮缘型线内。在对叶轮粗加工开槽时，尽量选择内子午面的等距偏置。等距间隔一般不大于刀头半径的1/2。等距偏置法不仅可用于加工直纹面，也能用于加工自由曲面。

等参数线法是指参数曲面的一个参数保持不变而另一个参数有规律地变化来生成刀路轨迹的方法(见图6c)。等参数法的特点：一是刀具的进、退刀均位于工件轮廓以外，过切的可能性低；二是刀轨与叶轮型线不相交，与工作时工质流动方向吻合很好，流动损失小，只是刀轨明显长于等距偏置法，加工效率偏低。

J45叶轮进行加工编程时，选择等参数法。主要考虑刀痕对气流的影响，刀路沿着气流流线的方向, 对叶轮气动性能影响较小。

图7示出三种子午面走刀法的加工仿真，切削层数均为三层，从图7a可明显看到外轮廓等距偏置法的退刀轨迹位于叶轮工件轮廓内，从图7c可看到等参数法的刀轨由叶轮进口一直延伸到出口。

叶轮B2B面的刀路轨迹编程可以有多种方法：根据开槽位置的不同可以分为中间流道开槽和叶片型面开槽；根据起刀位置的不同可以分为由进口至出口和由出口至进口；根据切削路线的不同可以分为单程切削和之字形往复切削。

中间流道开槽有利于将内应力均匀地释放到两侧叶片，是叶轮粗加工的首选；本次对J45的加工选择从进口起刀；虽然之字形切削减小刀具移动距离进而缩短空行程时间，加工效率高，但需要刀具既能顺铣也能逆铣，影响刀具寿命，本加工选用单程切削。

2.4 加工参数及加工结果

J45叶轮加工编程中设置的加工参数见表2。

表2 J45叶轮加工参数

为了提高叶轮加工效率，编程中考虑刀具路径轨迹总长度使加工时间尽量短、单个刀具路径轨迹长度尽可能长，同时为了保证最基本的加工精度，均匀分布走刀步长和进给速度，以减小加工残留误差。

编程完成后，进行三维加工仿真检查，生成代码文件，后处理转换成机床的NC程序。实际加工过程中需要注意的是，编程中所有的参数设置只是针对一组长短叶片的加工，在机床操作系统里只是一个子程序，在加工开始之前需要编制一个主程序，对子程序进行Z次调用(Z为主叶片数)。最后完成的两个叶轮实物加工件见图8。图8a为第一次加工件，粗加工采用外轮廓等距偏置法，轮廓上分层痕迹明显(图中箭头)；图8b为第二次加工件，粗加工采用等参数法，叶轮表面精度比第一次制品提高不少，而两次加工参数的设置相同。这验证了2.3小节中刀路轨迹对加工结果有显著影响。

3 提高叶轮加工质量的措施

3.1 J45加工中出现的问题及解决方法

通过加工仿真，编程人员能够及时观察到加工过程是否存在过切及刀具、夹具和工件的干涉等，可以修改调整加工参数来消除或减小这些不利因素的影响。图9示出加工结果的仿真示意，通过仿真真实反映了叶轮成品的部分特征，避免不合理的加工方法对叶轮表面质量造成的影响。

实际加工过程中会出现加工仿真难以发现的问题。例如J45叶轮加工试件，叶轮直径小，叶片很薄，在叶轮轮毂出口和叶片尾缘不同程度地出现了微小的加工痕迹(见图10)。这些不平滑的加工痕迹会对压气机的性能造成一定影响。

经过现场分析和研究，叶轮出口刀痕的出现与工件振动有一定的联系。工件振动的强弱与工件的固有频率和加工过程中切削力的变化有关：切削力的变化频率离叶片固有频率越近，越接近于共振，对叶片表面的破坏性越大，痕迹越明显。要克服这个问题，一方面要提高工件的固有频率，即提高工件的刚度，另一方面则要减小切削力，为此需要考察刀轴矢量在加工过程中的变化。

离心叶轮出口后弯可以提高叶轮效率，但后弯角过大会给叶轮加工带来麻烦，刀具相对起始点位移很小，转角却很大，刀轴矢量转角梯度定义为

gradθ=dθ/ds。

式中：θ为刀轴转角；s为弧长。过大的刀轴矢量转角梯度(见图11)意味着过大的切削力，使工件表面产生切痕。

传统上减小切削力的办法是降低进给速度，但是付出了时间成本，减小切削力的着眼点仍应放在减小刀轴矢量转角梯度上。

J45叶轮在设计阶段采用了贝塞尔曲线构建子午流道型线，保证曲率的连续性；在S2流面通流计算中创建连接轮缘和轮毂控制点的准正交线，来计算中间展向点的叶片几何参数。准正交线在应用于气动计算的同时，也控制着刀轴矢量的分布，因为加工过程中刀轴矢量保持与准正交线指向一致。本研究通过改变准正交线沿子午流道的分布，减小了刀轴矢量在子午面上的转角(见图12)。

3.2 考虑加工的叶轮优化设计

减小刀轴矢量在子午面上的转角能够达到降低切削力的目的，本研究进一步考虑对原叶轮进行优化设计，意图在保持叶轮气动性能的同时提高其可加工性。

原设计时叶轮采用较大的后弯角虽然有利于提高效率，但是对机床铣削加工不利。由图13a可看出，优化前叶轮出口后弯角达到了48°，超出了一般离心压气机的参考值，叶轮尾缘的加工痕迹与此有很大关系。在叶片的三维设计阶段，将叶片出口后弯角限制在45°，最终获得的叶片角分布见图13b。

如图14的加工仿真示意，在调整子午面准正交线分布和叶型修改后，刀具在叶轮出口刀轴矢量转角梯度与图11相比明显减小，表面加工质量得到明显改善(见图15)。

4 结论

a) 与内轮廓偏置法和外轮廓偏置法相比，等参数法因为刀路轨迹与气流方向一致，在轮毂流道上不产生痕迹，更适用于小型离心压气机叶轮的叶片精加工；

b) 对后弯叶轮的五轴铣加工会遇到叶轮尾缘部分刀轴矢量转角过大的问题，导致该部分出现加工痕迹；对子午面准正交线进行调整可以减小刀轴矢量转角，提高加工质量；

c) 在叶轮的三维造型设计阶段对叶片型面作些许调整可以在不影响叶轮气动性能的前提下提高叶轮的可加工性，避免了通过降低进给速度而造成的加工成本上升，在叶轮设计与加工的统筹考虑方面具有借鉴意义。

[1] 陈长明,黄宏伟,王海平.蜡模制造后掠式压气机叶轮[J].内燃机工程,1982,3(4)：75.

[2] 张虹,马朝臣,杨长茂.利用快速成型技术制造压气机叶轮整体模具研究[J].内燃机工程,2002,23(1)：13-15.

[3] 耿强,刘晓哲,程卫祥.航空精密小叶轮数控加工技术[J].硅谷，2012(18)：67-68.

[4] 赵世田,赵东标.自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究[D].南京：南京航空航天大学,2011.

[5] 蔡永林,席光,樊宏周,等.任意曲面叶轮五坐标数控加工刀具轨迹生成[J].西安交通大学学报,2003，37(1)：77-80.

[6]LiangQ,WangYZ,FuHY,etal.Cuttingpathplanningforruledsurfaceimpellers[J].ChineseJournalofAeronautics，2008(21)：462-471.

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[8] 孙全平,廖文和,何宁. 叶轮流道5轴高速铣加工刀轨计算[J].南京航空航天大学学报,2006，38(5)：639-643.

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[10]CONCEPTSNREC.MAX-PACUserGuide:TheTurbomachineryCutter-PathGenerationSystemwithMAX-5,MAX-AB,andMAX-SI[M].[S.l.]：ConceptsETI,2008.

[编辑： 潘丽丽]

Machining Strategy of 5-Axis Milling and Design Considerations for Small Centrifugal Compressor Impeller

GAO Yubin1，2， ZHANG Hong1， BI Jinguang3

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081， China；2. National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China；3. Ningbo Weifu Tianli Turbocharging Technology Co.， Ltd.， Ningbo 315032， China)

The machining method of complex blade was researched with 5-axis milling machining technology by taking J45 turbocharger compressor impeller used in small vehicle as the research object. The planning of machining parameters such as cutter path was completed, the machining procedure was compiled and the impeller machining was conducted. The machined impeller verified that the method was simple and easily realized and met the precision requirements. For the problems and difficulties in the milling process, the geometry parameters of compressor were adjusted to improve the machining quality on the premise of better aerodynamic performance. Accordingly, the method brought the reference for the multi-disciplinary optimization strategy of compressor impeller.

centrifugal compressor； impeller; arbitrary surface; 5-axis milling; machining strategy

2014-09-29；

2015-01-08

国家自然科学基金资助项目(51375048)

高宇彬(1990—)，男，硕士，主要研究方向为叶轮机气动力学及增压技术；gaoyubin4330700@163.com。

张虹(1971—)，女，副教授，博士，主要从事内燃机技术的研究；zhanghong@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.018

TK412

B

1001-2222(2015)03-0087-06