直纹面叶轮设计注意事项

作者：Peter Klein / 何道贵 译

通常，离心压缩机叶轮都设计为直纹面，目的是为了便于在5轴数控加工叶轮的时候可以采用侧刃铣的方法精加工叶片，这种精加工方法简单而且速度更快。虽然有些非直纹面也可以用侧刃加工方法达到可以接受的加工精度，侧刃铣编程和加工工艺更多是基于直线元数据来进行的。因此，在设计和构造直纹面过程中，设计者不能随心所欲，需要避免如下几个潜在问题：

前后橼的构造是整个直纹叶片表面定义过程中很重要的一环。如果构成叶片的两个侧面是直纹面，而前橼由侧面直线元外延并光顺过渡构造成半圆形状，这样形式的叶片可以用刀具侧刃一次性精加工整个叶片侧面和前橼。然而有些尾橼位于叶片表面形成的山谷之间，这些被称作“内缩型”、“扫掠型”或“后切型”橼与多条叶片表面直线元相交，从而形成非直纹前后橼。这种情况下，叶片侧面可以用侧刃加工，而前后橼需要单独采用点铣的方法加工，这样会增加加工时间。

图1  非直纹后切式前橼

         一个经常遇到的情况是：定义直纹面的有关信息在设计处理时“丢失”了。例如，设计之初叶片是按照直纹面来设计的，但是所选择的前橼和尾橼对叶片进行了剪切。编程人员拿到剪切后的叶片之后需要对其进行再次离散，却发现只有定义多个截面即自由曲面才能逼近设计人员所提供的叶片形状。这种情况下，设计人员需要将原始直线元定义数据连同剪切后的叶片数据一起提供给加工编程人员，包含那些超出实际叶片的直线元数据。

图 2  多截面定义剪切后的直纹面

         直纹面设计时另一个经常出现的问题是叶片两个侧面与前后橼非光顺过渡，例如在叶片前后橼附近强制叶片侧面直线元快速向尾橼定义方向偏转。特别是前橼为圆弧形扫掠边或者出口尾橼为钝边时，直纹面在过渡区域变得不光顺。由于侧刃加工时候刀轴方向近似遵从直线元排列，因此在不光顺区域会发生刀轴偏摆引起振动和加工误差增大、表面质量差等问题。因此，从工艺角度出发，希望在采用扫掠边橼时，叶片侧面直纹面部分能光顺延伸，甚至超过叶轮外径。对叶轮叶盘几何设计系统来说，需要具备调整线元分布的功能，使叶片侧面和前后橼线元平滑过渡。

图3 边橼附近非光顺过渡

 大部分直纹面叶片都是非可展直纹面，盖侧线和盘侧线之间存在不同程度的“扭曲”现象。这种“扭曲”在设计时也应当充分重视。当采用柱型刀或锥度球头刀的侧边加工这种扭曲叶片时候，过切误差不可避免。扭曲特别厉害的情况下，加工误差无法降低至可接受的公差范围之内。

MAX-PAC™ CAM 系统可以将过切误差降至最小，并且能够编程过程中报告量化的过切误差及其分布。

图 4 侧刃加工扭曲直纹面引起过切误差

 叶轮尾橼位置也会给侧刃加工带来问题。如果尾橼的直线元与叶轮旋转中心轴近似平行，加工至此区域附近时刀轴运动异常，导致机床工作台转动不稳定。MAX-PAC有方法解决该问题，但是不排除某些极端情况下无法保证在限制工作台转动角度情况下同时满足加工精度要求。其实气动设计人员稍做处理：将直线元设计成斜线，即与中心旋转轴成一定角度，给编程人员控制刀具和机床运动带来极大的方便。这种直线元方向的改变会带来叶片几何上的变化，但是这种变化是很微小的。

图 5 调整尾橼直线元

当直线元数据被导入 CAD系统进行详细建模的时候也需要特别小心。通常情况下气动设计工程师提供的数据是两条流线上的XYZ坐标点。这些点沿流线的分布情况是非常重要的，而且往往不是均匀分布。CAD系统采用这些点构造叶轮3D形状时候，往往提供了多种放样曲面生成方法，CAD工程师需要找到其中一种正确的方法使得所生成的曲面在再次离散的时候能够保持原始点的分布规律。

图 6曲面放样方法错误导致较大的形状误差

 为了避免这些隐患，最好在设计过程中用CAM软件快速验证所设计叶轮叶片的加工工艺性。

Concepts NREC 的叶片3D设计软件 AxCent® 与CAM编程软件 MAX-PAC 无缝衔接，意味着一个新的叶片设计方案可以快速切入加工验证，以保证最终的叶轮能够采用侧刃加工同时实现高加工质量。 

关于Concepts NREC

Concepts NREC是世界领先的为叶轮机械设计与开发提供全方位解决方案的技术咨询公司。

60多年以来，Concepts NREC的工程服务和软件产品广泛应用于航空航天、能源化工，通用机械、石油天然气、交通运输和大众消费品等行业，在叶轮机械行业享有极高的声誉。Concepts NREC在全球拥有超过1,200家客户，全球绝大多数离心压缩机、透平膨胀机、工业轴流压缩机、航空发动机、燃气轮机、汽轮机、涡轮增压器、泵和风机等产品领域的知名制造商均是Concepts NREC的合作伙伴。