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某汽车涡轮增压叶轮整体数控加工工艺设计与编程

一、选题的目的和意义

汽车涡轮增压器叶轮在涡轮增压器中起到了及其重要的作用，而涡轮增压器实际上 是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力 来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空 气，使之增压进入气缸。 当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶 轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加 燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。

本课题设计汽车涡轮增压叶轮的数控加工工艺与编程，实际上是为了让叶轮能够按 照设计的图纸加工出来，加工出来的成品能够符合所要求的设计规范，包括表面粗糙度、 尺寸公差、形状和位置公差等。同时，在保证质量的前提下，叶轮的加工速度也要保证， 至少不能低于市面上加工叶轮的一般速度，所以设计叶轮的工艺流程以及程序设计也是 非常重要的。按照本课题数控加工工艺设计出来的产品，不仅仅能够满足社会上的需求， 在设计的规范下，还可以节约时间，保证质量，增加使用年限，这样可以大大减少资源 的浪费，是具有很重要的意义。

二、相关文献综述

王钰斌于 2021 年 4 月在《我国车用涡轮增压器压气机的现状研究》中提到，涡轮  增压技术是发动机增压的一种方式， 目前已被广泛采用。涡轮增压器本质上是一种空气 压缩机，其可以通过提升进气压力，来达到增加进气量的目的。其往往是利用发动机排 气惯量。一般利用发动机排出废气的惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮随即带动与 之同轴的叶轮，叶轮将经过空气滤清器送来的空气增压后送入气缸，增加了进气总量， 故而它可以向发动机燃烧室内注入更多的燃油。随之提高了发动机的机械功率，并能够 显著提升燃烧效率。采用涡轮增压技术可以更充分的利用发动机燃烧室，带来减轻重量、 提升燃油经济性的同时，有效降低排放。

在我国，从 20 世纪 50 年代末开始生产增压器，但受多种原因限制，我国涡轮增压 技术此后经历了较长的停滞期。 自 20 世纪 90 年代开始，涡轮增压器作为一种节能、高 效、科技含量高的环保型汽车发动机零部件产品，在柴油机市场受到广泛应用，而随着 国六排放法规的实施，越来越多的汽油机也纷纷采用涡轮增压技术。未来涡轮增压技术 应用前景还有机会进一步扩大。

王小旭于 2021 年 6 月在《车用涡轮增压器叶轮的五轴数控加工方法研究》中写道， 涡轮增压器属于流体机械的一类，具有降低汽车污染排放量、提高发动机燃油效率及降 低燃油使用量等功能，其制造质量的优劣直接影响着汽车发动机的整体性能。叶轮作为 涡轮增压器的关键零部件，其加工质量能够直接影响着旋转式流体机械的性能，进而影 响发动机的工作效率。 因其自身存在着加工精度要求高、曲面复杂等特点，故此铣削加 工难度较大，当前车用涡轮增压器叶轮多数采用铸造方法加工，不可避免地存在材料偏 析、动平衡差等缺点，直接影响其使用性能。如何通过合理规划加工工艺、选择加工参 数来实现叶轮的铣削加工，对提高涡轮增压器叶轮的加工水平和使用性能有着十分重要 的意义。

徐铭骏的《车用涡轮增压器叶片材料的发展概述》中说到，涡轮增压器技术在汽车 工业中的广泛应用已成为提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段。 涡轮增压器能够增加空气密度，增加气缸内的进气量，提高发动机热效率，从而提高发 动机的输出效率。但是它还有不可忽略的缺点，其中最重要的一点为动力输出反应滞后。 特别是，具有不断变化的负载的涡轮增压器响应特性并不令人满意。这是涡轮增压技术 中常见的问题。为了提高加速性能并减少涡轮滞后带来的影响，应减少旋转体的惯性矩 （转动惯量），最有效的方法是减少旋转体的质量。使用新的涡轮机制造材料，并降低  涡轮质量是降低惯性矩并提高涡轮增压器响应特性的重要手段。 当涡轮机运转时，涡轮 机具有较高的瞬时速度和工作环境温度，因此对涡轮机材料有很高的性能要求。近年来， 许多国家正在研究开发新材料。 目前，用于制造涡轮增压器的材料主要是镍基超合金、 陶瓷材料和钛铝合金。

三、研究内容

利用数控五轴加工铣床，按照图纸的要求进行加工，得到最佳的工艺流程和工艺程 序，并且得到的产品能够达到市面上汽车涡轮增压器叶轮的要求。

1  引  论

1.1  研究目的及意义

1.2  国内外研究的发展及现状

1.3  设计的主要内容

2  叶轮模型的造型及加工工艺分析

2.1  整体叶轮的概述

2.2  整体叶轮模型的造型

2.3  整体叶轮模型的工艺分析

2.4  整体叶轮加工工艺路线规划

3  基于 PowerMill 软件的加工处理

3.1  PowerMill 软件的公共参数设置

3.2  PowerMill 软件的加工参数处理

3.3  PowerMill 软件的程序输出处理

4  基于 VERICUT 软件的仿真验证

4.1  VERICUT 仿真软件的概述

4.2  VERICUT 仿真软件数据的选择和定义

4.3  VERICUT 软件仿真实验的过程和结论

5  结  语

5.1  总结

5.2  展望

参考文献

致  谢

附  录

附录一

附录二

附录三

四、研究方法、步骤及措施等

研究方法：

文献分析法：搜集大量的参考文献、期刊、专利等，仔细阅读，从中找到可靠数据、 研究方法以及实验结果，从而来辅助本课题去设计汽车涡轮增压器叶轮的整体数控加工 工艺设计与编程。

仿真实验法：通过 Solidworks 、PowerMill 、VERICUT 等软件去做仿真实验，看仿 真实验的结果和理论值是否相同，或者是否有出入，有出入的问题在哪里，最后通过仿 真实验去解决问题。

研究步骤：

(1)前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，汽车涡轮增器 及其叶轮的作用。议定论文提纲。

(2)撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，向指导老师咨询相关意见。

(3)论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合老师以及前人的研究成果进行  论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。需完成以下内容：本题 汽车涡轮增压三维图及工程图、工艺流程及工艺程序。

(4)论文评审及答辩。

将论文定稿提交指导老师、评阅教师评审，并准备答辩。

研究措施：

(5)利用学校图书馆的资源，查看相关书籍，查找相关文献；通过网络去学习相关 软件的操作；重视综合实验楼数控车床的使用与学习。

(6)利用 Solidworks建出汽车涡轮增压器叶轮的模型，用 Auto  CAD 设计出其标准二维图，利用 PowerMill 软件设计出整体叶轮的数控加工程序，最后使用 VERICUT 仿 真软件去模拟程序的正确性。

五、进度安排

1确定选题，下达任务书

2查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能， 论文写作大纲，撰写开题报告

3完成论文初稿

4修改初稿并形成定稿、论文查重

5开展毕业设计评阅

6答辩

7论文档案材料整理存档

六、主要参考文献

[1]  王钰斌,雷汝婧.我国车用涡轮增压器压气机的现状研究[J].科技风,2021(12):180- 181.  [2]  王小旭,付大鹏.车用涡轮增压器叶轮的五轴数控加工方法研究[J].机械工程师,2021(06):158- 159+162.

[3]  徐铭骏,王子扬,高宇.车用涡轮增压器叶片材料的发展概述[J].沈阳工程学院学报(自 然科学版),2019, 15(04):373-376+384.

[4] A.JOSHI,朱炳全.2020 年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(上)[J].汽车 与新动力,2021,4(05):11-22.

[5] A.JOSHI,朱炳全.2020 年全球汽车发动机效率提升和排放控制的发展动向(下)[J].汽车 与新动力,2021,4(05):23-33.

[6]  刘忠璐.典型叶片类零件数控加工方法优化设计[J].机械工程师,2021(08):152- 153. 
[7]  庄力寅,徐宝富.涡轮增压器精密零件自动装配研究[J].汽车科技,2021(05):106- 110.

[8]  王金博,王金业,高艳红.基于 ANSYS  Workbench 增压器叶轮结构有限元分析[J].科技 风,2017(10):171- 172+210.

[9]  王新星,任明强,梁尚锋,黄武杰, 张爱华, 曾旭升.基于 PowerMILL 的五轴数控机床仿真 与应用[J].模具工业,2022,48(02):63-66

[10]  王件华.基于 PowerMill 的螺旋桨叶片五轴加工应用[J].轻工科技,2021,37(11):57-58.

[11]  张永涛.  叶轮的车铣复合加工及工艺技术研究[D]. 陕西理工大学,2021.

[12]  王钰斌,雷汝婧.我国车用涡轮增压器压气机的现状研究[J].科技风,2021(12):180- 181.

[13]  张鹏.基于 PowerMILL 的涡轮增压叶轮五轴加工初探[J]. 中国新技术新产品,2019(08):45-46.