1概述 压气机叶轮是车用涡轮增压器的核心零件之一,它也是增压器的设计和制造过程中技术含量最高的零 件之一。压气机叶轮对增压器的性能影响极大,因为它的叶型复杂,又处在叶轮高速旋转状态下工 作,其轮缘切线速度高,对强度的要求也非常高。另外叶片损坏多为振动断裂,因此对叶片的振频 及振频的分散度也有很严格的要求。成功的叶轮设计应是在保证结构可靠的前提下获得最佳性能。 随着涡轮增压技术向高增压方向的发展,对压气机叶轮的性能和强度要求也越来越高,压气机叶轮 的设计和制造技术正朝着高压比、高效率、使用流量范围宽的方向发展。压气机叶轮传统的分片模具制造方法已不适用,因此压气机叶轮整体模具的研究设计已成为必要。压气机叶轮成型方法有很多种,根据叶轮的不同用途和工作条件可以采用不同的成型方法,在此主要就快速成型法进行研究。2
快速成型技术(RP技术)简介 RP技术是八十年代末发展起来的一门先进制造技术,它集合了计算机技术、数控技术、激光光学、 材料科学和(;AI)/CAM技术,采用材料堆积法在计算机的控制下直接将CAD三维模型数 据快速成型为三维实体模型。RP技术的基本原理是分层堆积成型原理,根据三维CAD模型,对 其进行分层切片,从而得到各层截面的轮廓。依照这样的截面轮廓,用计算机控制激光柬烧结一层 层的粉末材料,或利内燃机工程200年第1期用某种热源有选择性的喷射出一层层热熔材料,从 而形成零件各不同截面并逐步叠加成三维产品,即材料累加法制造技术。在压气机叶轮模具的成型过程中主要是利用SLS(SelectedLaser Sintering)方法,利用树脂、蜡、塑料、陶瓷或金属等的粉末通过激光束的照射使之烧结、熔化、固化而层积成立体模型。它的成型原理如图1所示:图l快速成型原理示意图 由图示可知:在计算机中将压气机模型建立之后,用分层软件将计算机三维实体模型进行处理,分割 成一系列二维截面,对这些二维截面进行进一步的数据处理,可获得激光扫描的轨迹和粉末层厚度 等数据。然后,在计算机的控制下,铺粉机构铺设一层很薄的粉末,激光束根据切片截面的信息对 这层粉末进行二维扫描。被激光束扫描到的粉末烧结固化,形成二维的固化层。重复该过程,二维固化层逐渐叠加堆积成三维实体零件。3压气机叶轮整体模具设计及制造过程3.1前倾后弯压气机叶轮成型法 对于小型车用涡轮增压器的压气机叶轮,一般采用前倾后弯叶片,它的成型方法有各种形式,作者利 用几何设计法来进行叶片造型参数的初步设计,然后再进行性能仿真和模拟,并利用三元流分析和 叶片强度的优化最终决定设计参数。在初步设计中,设计的关键在于解决三维空间里截面曲线的交 互问题。因此对于初始模型的描述,利用降维法来设计叶片曲面,将三维的空间曲面简化为二维的 平面,在二维平面上进行叶片所有截面曲线的设计。再利用一条脊线引导截面曲线变换到三维空间,接着依次生成插值这些截面曲线的曲面。叶片叶型曲面设计包括:后弯曲线的设计、前倾曲线的设计、子午面的设计,以及叶片厚度的确定等。叶片成型原理图见图2所示。图2叶片成型原理图 (a)后弯曲线的设计: 后弯曲线都是平面曲线,可在设计平面的x0Y坐标系里定义所有截面曲线。它可以用下式来表示: m+^一1 s,(M)一∑五_NⅢ(“),(J—o,1,…,”) f=0 具体在设计中可用下面两式简单来表示。 z一,(2) y一-厂(z) (b)前倾曲线的设计: 前倾曲线的形状反映曲面沿纵向的形状,前倾曲线的参数化应与各后弯曲线沿纵向的节点矢量与前倾曲线的节点矢量相一致。因此它们的节点矢量是相同的。 在设计中可用下式表示: 口一厂(z)式中 口——以叶轮几何中心O为回转中心的圆 周角 (c)厚度的变化规律为: 艿z一/‘(z) dR一-厂(R,Z)式中 艿z——叶片轮毂直径上的叶片厚度 d。——在相同Z截面上随叶片半径变化的 厚度3.2压气机叶轮制造过程传统压气机模具的制造过程中,一般采用的叶轮毛坯生产工艺过程是 :制造金属母模一低熔点金属模一树脂模。其中的金属母模一般采用的方法是分片模具,用分片模 具制造出的叶轮叶片厚度不均,使其振频分散度过大,容易发生叶片共振断裂,并且尺寸精度也难以保证。利用快速成型技术直接制造压气机模具,浇铸新产品制件,进行叶轮毛坯生产的工艺过程是:由树脂 模一橡胶模一石膏模一产品毛胚。利用此方法可直接将产品三维造型设计完成,利用高级CAD软 件的功能模块设计模具造型,将其切片处理传送给成型机,然后再根据所需的材料,直接加工出树脂模,经增强和表面抛光后,可用该模具浇铸成产品毛胚。利用这种快速成型法制造压气机整体模具,特别适合在叶轮新产品研制完后正式投产进入市场前的小 批量样件或针对某种叶轮的改型设计试制等。它的最大优点在于速度快、周期短。也可以成品生产,但用于普通生产成本稍高。4设计实例 根据本文研究的压气机叶轮设计与制造系统,以直径为120mm的压气机叶轮为实例,最终实现了压气机叶轮的CAD造型设计和快速成型模具加工。4.1设计、建模过程 压气机叶轮是用几何成型法及三元流计算优化设计的具有后弯叶片的叶轮。其叶型数据给出的是各条 后弯曲线上若干点的坐标值及该点处的壁厚。同时还给出了叶顶和叶根等外形尺寸。有了几何参数后,利用CAD软件参数化建模系统来建立叶轮的三维参数化实体模型。压气机叶轮的造型包括叶片的曲面造型和叶轮整体的实体造型两部分。其中压气机叶轮的叶片部分的 形状是自由曲面。叶轮的其余部分可看成回转型实体,叶顶曲线和轮径等尺寸决定了其整体外形轮廓,叶根曲线决定了轮毂部分的造型。在本建模过程中,利用PRO/E软件,以参数化实体建模方式,完成叶轮的外型设计以及叶轮叶片 的凸面及凹面的实体建模。叶轮曲面形状的修改在数据文件中完成,叶轮整体尺寸的修改在参数化实体造型模块中通过修改参数完成。4.2快速成型加工快速成型加工法步骤如下: (1)在PR()/E软件中进行压气机叶轮的CAD的实体建模之后,进而可得其STL文件。 (2)加工实体时,首先进行“削片降维”。按指定精度将STI。小平面的描述离散化成为一系列 的“薄层片”(实体横截面)的数据。并且对每个这样的薄层片,用扫描算法来生成材料片层堆积的路径(快速成型机的加工轨迹)最后叠片成型。(3)再直接制造树脂模具,浇铸压气机树脂模。 (4)通过树脂模一橡胶模一石膏模一产品毛胚,加工出压气机叶轮成品。4.3 实验结果 利用快速成型方法加工的直径120ram的压气机叶轮用于J120型涡轮增压器,进行了压气机 性能台架试验,实验结果为:压气机最高效率'7。为O.76,最高压比丌。为3.O,流量M c范围为O.24kg/s～O.7kg/s(压比丌。:2时)。与同类型的进口机型的压气机 性能曲线相比较,压比、流量、效率都较好达到了要求。经过压气机性能试验后,在WR36D柴 油机上试用了此涡轮增压器,从实际装车运行的效果来看,柴油机运行效果良好,各项技术指标通过了鉴定,已批量投入到使用。5结论 对车用涡轮增压器压气机整体叶轮模具的快速成型加工方法进行了研究,重点研究了小直径的前倾后 弯叶轮的设计和快速加工过程。利用这种快速成型方法进行压气机叶轮整体模具的加工,克服了以 往分片模具带来的尺寸精度和振频的问题,具有周期短,速度快的特点。同时以高级CAD软件为 平台,构造了车用增压器压气机整体叶轮模具的设计加工一体化系统,满足了车用增压器产品系列 化对造型和编程系统参数化的要求。并最终利用快速成型方法加工出直径为120mm的压气机叶 轮,实际投入使用效果良好。证明此方法的可行性和实用性。利用快速成型技术制造压气机叶轮整体模具研究@张虹$北京理工大学!北京100081
@马朝臣$北京理工大学!北京 100081
@杨长茂$北京理工大学!北京 100081涡轮增压器;;压气机叶轮;;
整体模具;;快速成型技术作者论述了车用涡轮增压器 压气机整体叶轮模具的设计和快速成型加工技术。它们满足了车用增压器产品系列化对造型和编程 系统参数化的要求。利用该技术成功的进行了直径120mm的压气机叶轮整体模具快速成型加工,并通过了试验测试,投入实用。1朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器.机械工业出版社,1992
2 王延生,黄佑生.车辆用涡轮增压器.国防工业出版社,1984
3 卢秉恒.RP技术与快速模具制造.陕西科学技术出版社,1998
4 施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条.北京航空航天大学出版社,1994的壁厚。同 时还给出了叶顶和叶根等外形尺寸。有了几何参数后,利用CAD软件参数化建模系统来建立叶轮的三维参数化实体模型。压气机叶轮的造型包括叶片的曲面造型和叶轮整体的实体造型两部分。其中压气机叶轮的叶片部分的 形状是自由曲面。叶轮的其余部分可看成回转型实体,叶顶曲线和轮径等尺寸决定了其整体外形轮廓,叶根曲线决定了轮毂部分的造型。在本建模过程中,利用PRO/E软件,以参数化实体建模方式,完成叶轮的外型设计以及叶轮叶片 的凸面及凹面的实体建模。叶轮曲面形状的修改在数据文件中完成,叶轮整体尺寸的修改在参数化实体造型模块中通过修改参数完成。4.2快速成型加工快速成型加工法步骤如下: (1)在PR()/E软件中进行压气机叶轮的CAD的实体建模之后,进而可得其STL文件。 (2)加工实体时,首先进行“削片降维”。按指定精度将STI。小平面的描述离散化成为一系列 的“薄层片”(实体横截面)的数据。并且对每个这样的薄层片,用扫描算法来生成材料片层堆积的路径(快速成型机的加工轨迹)最后叠片成型。(3)再直接制造树脂模具,浇铸压气机树脂模。 (4)通过树脂模一橡胶模一石膏模一产品毛胚,加工出压气机叶轮成品。4.3
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