120帧和24帧的差别,你真的知道在哪里吗?

张荣博士

本科在清华大学学习汽车工程;硕士在加拿大McMaster大学学习实验流体力学,独立进行了柴油机EGR积灰的实验研究;博士在加拿大西安大略大学学习计算流体力学和控制。曾在博格华纳北美技术中心从事多种新增压概念研究,其工作已经产品化。现在霍尼韦尔汽车零部件部门,历经新型本土汽油增压器研发、产品线开发、应用工程等工作。

华人影坛的骄傲,李安导演在新片《比利·林恩的中场战事》中又尝试了新的拍摄技术,用120帧的超高清动态捕捉的镜头,以近乎“纪录片”的情绪,让你无限的逼近主人公的感官,体验“创伤人群的特别一日”。虽然和呈现所有细节的超高清4K画面相比,略微平淡的剧情让有些人失望,但120帧的清晰影像无疑刻录在每个观看了巨幕的观众脑海中。以极限的技术手段无限逼近真实,这个道理和我们今天聊的“机加工设计”,有异曲同工之处。


作为涡轮增压器的核心部件,叶轮的设计至关重要。从设计图纸到制作成品,每个轮片上的曲线截面、扭曲角度,是否和设计状态完全吻合,都会影响一台增压器的性能表现。

传统的叶轮制造采用的是成熟的铸造工艺。压轮的材料一般都是用铝,铸造工艺跟大宝一样,“价格便宜量又足,我们一直都用它”。缺点也很明显,产品需要逐件检查,既费人工,不良品率又高,生产环境还非常脏,因为有大量的粉尘产生。

生产过程大概是这样几步:

  1. 捏泥巴,里面的空腔就是叶轮的形状(会用到很多水,排出去的水很脏。准备泥巴会有大量的粉尘)

  2. 烧泥巴,烧硬

  3. 把金属浇进去

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  4. 冷却,把泥巴敲碎(粉尘极其极其多)

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  5. 逐个检查(真的是一片一片叶子检查,有缺陷的都不能要)

近年来,随着数控机床的普及,开始出现了全机加工的叶轮,就是用棒料硬切出来一个一个的叶片来。

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这样加工出来的叶轮和铸造叶轮相比,有很多明显的优点:

1.寿命更长:全机加使用的材料规格更高;

2.噪音小:机加的精度比铸造高很多,叶轮的对称性非常好,平衡更好;

3.性能稳定:加工出来的叶轮,每一个几乎都完全相同,所以在每一台发动机上的表现都几乎完全一样

 另外从生产过程来说,至少取消铸造过程,极大地降低了对空气的污染,也降低了生产(高温环境)的危险。但是,这个技术也受到到限制。大致说来,就是切削的每一个瞬间,切出来的都只能是一条直线。并且通过这个直线在空间连续运动形成曲面、可以用多次切削叠加多个曲面。

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如何能大规模切割出满足设计标准的理想曲面呢?

对这个问题,很多公司是先设计铸造叶轮,然后作一些工艺上的适应性修改,使得用全机加也可以生产出来,最后再考核一下,看看到底行不行。这就相当于电影拍摄的依然是24帧画面,哪怕用4K的分辨率,也并没有让画面的流畅性有本质的改善。


要达到120帧的效果,必须用不同的设备!用机加工的话来说,需要有一套针对全机加工的设计准则


什么叫设计准则? 举个例子,一个平面肯定是可以加工出来的,铸造也没问题。但是一个小圆角就不一样了,如果太小的话,是没有那么小的刀具可以切的;而铸造往往可以铸出更小的圆角。另一方面,只要是可以切出来的圆角,那每一件几乎都是一样的;但是铸出来的圆角,每一件的差异就会大一些。而所谓设计准则,就是告诉工程师,最小的圆角可以做到多大,这些圆角在最坏的情况下会偏离设计多少(计算强度要用)。叶片的曲面比圆角要复杂很多,不过这个原理是一样的。


一套设计和工艺一体化的法则,帮助工程师在一开始就知道什么是可以加工出来的,什么不可以,而加工出来的东西与设计状态会符合的多好,将成品和设计之间的不确定性降到最低,“最大程度的逼近真实”


对全机加叶轮而言,如果没有这个设计准则,那就要先做铸造的叶轮设计,再作工艺修改,那么实际上修改的就是叶片的曲线。虽然修改的幅度不大,但毕竟偏离了原来的设计状态,所以,轮子的性能、可靠性,都会有变化。而针对全机加的设计准则就不一样了。只要使用这个准则指导设计,最终的结果就是可以直接拿到数控机床上生产的,完全和设计状态一样!


《比利林恩》上映后,很多人操心的问题是为什么是李安而非其他人率先做出了120帧的电影。其实答案显而易见 : 投资人对大牌导演有100%的信心,成本压根儿不是问题。


霍尼韦尔能率先掌握全机加的设计准则,得益于它在航空航天技术的深厚基础。霍尼韦尔一直都在航空动力领域颇有建树,开发空中交通现代化领域的各类先进技术,包括飞机发动机、驾驶舱和客舱电子设备、空中无线网络连接、物流等技术和产品。而全机加工叶轮是很早就在航空领域应用的技术,全机加的初期成本在霍尼韦尔是用航空航天来吸收的。

众所周知,涡轮增压是一项绿色环保的技术,能够提高20%-40%的燃油效率,并降低温室气体、氮氧化物和PM2.5等有害物质的排放。全机加工艺让生产涡轮增压器的过程,也尽可能做到环境友好。源自航空航天技术的涡轮增压,成果之一就是设计与工艺的融合,成为今天这样一个设计法则,把设计和成品间的不确定性、工艺不兼容统统消除掉了。小小压轮,绿色生产,秀外慧中。