任务导入

根据涡轮式叶轮的3D 模型分析其加工工艺, 并根据加工工艺选择合理的数控机床、加工刀具、夹具等。

知识链接

涡轮式叶轮(以下简称叶轮) 是发动机的关键部件。 气体经进气管进入叶轮, 在叶轮中因受到叶片的作用力而压力升高, 速度增加。 因此, 对叶轮的要求有以下两点: 气体流过叶轮的损失要小, 即气体流经叶轮的效率要高; 叶轮形式能使整机性能曲线的稳定工况区、高效区范围增大。

涡轮式叶轮加工是提高发动机性能的一个关键环节, 但由于涡轮式叶轮结构具有的复杂性, 其数控加工技术一直是制造行业的难点。 所以, 复杂曲面的五轴加工技术一直是数控加工领域研究的热点。

任务实施

1. 工艺方案分析

涡轮式叶轮作为机械行业的关键零件, 经常应用于高速旋转的场合, 对制造的技术要求非常高, 而制造质量对叶轮的性能也有着重要影响。 为了获得理想的动力学特性, 叶轮叶片大都采用大扭角、根部圆角等结构, 铣削加工起来非常困难。

(1) 零件图纸及结构分析

零件的毛坯材料为铝合金6061, 是经热处理、预拉伸工艺生产的高品质铝合金, 其强度虽不能与2×××系或7×××系相比, 但其镁、硅合金特性多, 具有易焊接、易电镀、抗腐蚀性好、韧性高、加工后不变形、材料致密无缺陷、易于抛光等优点。 由于需要加工的数量一般比较少, 而且零件的尺寸不大, 因此选用锻压铝料, 经普通数控车床加工成叶轮回转体的基本形状。 零件需要加工的部位是涡轮式叶轮的叶片, 其曲面加工质量要求较高,主要定位基准面为底部; 所以, 可以根据其底部特征设计装夹方式。 涡轮式叶轮主要由叶片与轮毂两部分组成, 叶片与轮毂交界处称为叶根, 由于叶轮气动性能的需要, 常将此处加工为变圆角过渡。

(2) 叶轮加工难点分析

涡轮式叶轮加工槽道变窄, 而叶片相对较长, 刚性相对较低, 属典型的薄壁类零件,加工过程中易发生变形; 叶片间距小, 特别是最小处深度较大, 此时, 使用小刀加工的刚性差, 易折断; 叶轮曲面为自由曲面, 轮毂窄, 叶片扭曲严重, 加工时极易发生干涉; 叶片厚度较小, 最小厚度为1 mm, 在加工过程中容易引起振动, 影响表面加工质量。

(3) 叶轮加工技术要求

涡轮式叶轮的技术要求内容与常规零件相同, 包括形状、尺寸、位置、表面粗糙度等。 为了获得良好的气动性能, 叶轮叶片表面必须具有良好的光顺性, 精度要求集中于叶片、轮毂的表面与叶根处, 表面粗糙度要求小于Ra 0.8 μm。

(4) 工艺制定及工序安排(www.daowen.com)

1) 叶轮粗加工。 快速去除零件大部分多余材料, 在保证涡轮式叶轮制造质量的前提下, 效率是非常重要的指标。

2) 叶片半精加工。 实际加工测量表明, 叶轮在粗加工后, 往往由于粗加工过程中材料内部应力释放, 造成应力变形, 影响叶轮的外形尺寸, 因此, 为了严格保证叶轮尺寸精度及预留均匀的精加工余量, 必须在粗、精加工之间安排半精加工。

3) 轮毂面粗加工。 轮毂面粗加工与叶片半精加工相同, 都是为了严格保证叶轮尺寸精度及预留均匀的精加工余量, 特别是叶片底部圆角部分的余量。

4) 轮毂面精加工。 轮毂面精加工采用往复切削的方式, 使加工沿叶轮轮毂方向为双向往复加工, 在切削过程中顺铣、逆铣交叉进行, 加工效率较高。

5) 叶片精加工。 由于精铣加工存在不稳定切削状态, 应在某些工序合理选择切削参数, 选择合适的精加工刀具, 特别当小批量生产时, 要求加工的刀具切削性能稳定。

2. 叶轮加工夹具设计

(1) 设计步骤

夹具设计紧紧围绕叶轮下部的M10 螺纹以及直径为133.56 mm 的外圆进行。 零件图纸中有一个厚度尺寸为(30±0.02) mm, 基准是直径为133.56 mm 的端面; 所以夹具设计使用直径为133.56 mm 的端面做定位, 同时, 限制Z 轴方向上的自由度。 为了提高叶轮的定位精度, 保证(3±0.02) mm 的厚度尺寸, 设计的夹具中避开了大面定位, 采用3 块小面定位。 为了保证参与定位的3 个基准面与工作台的平行度, 这3 个基准面需要在机床上加工。 叶轮的夹紧主要依靠两个部分, 即叶轮下面的M10 螺纹、直径为133.56 mm 的外圆。 上述3 个基准面解决了叶轮Z 轴方向上的定位和限位。 为了使叶轮能够稳定加工,还要限制叶轮在X 轴和Y 轴上的移动自由度。 在夹具上设计了一个直径为133.58 mm 的圆形沉头, 深度为2 mm, 因为M10 的螺纹只在Z 轴方向上有锁紧功能, 没有定位功能, 更不能提供X 轴和Y 轴方向上的夹紧, 所以在夹具设计时设计了夹紧机构, 通过这个简单的机构可以实现直径为133.56 mm 外圆的夹紧。

(2) 夹具加工及安装

根据上述夹具设计内容、尺寸要求, 先在数控车床上完成夹具的车削加工, 再到五轴加工中心进行铣部分的加工。

任务实施

通过书籍、网络等形式选择与加工涡轮式叶轮的数控机床相类似的机床。

知识拓展

请根据所学知识查找类似零件进行工艺分析。