基于UG的風(fēng)力推料機(jī)葉輪的多軸加工及模態(tài)分析

張海偉， 李 茹

（天津職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300410）

0 引言

風(fēng)力推料機(jī)是一種新型低碳環(huán)保的物料傳送裝置，主要由底座、傳動(dòng)軸、葉輪、錐齒輪、推桿和物料臺(tái)等六部分組成，如圖1所示，其工作原理主要是葉輪接收的風(fēng)能通過傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)化為推桿的機(jī)械能，最終完成風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和圓周運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的推送。而其中的葉輪是整個(gè)裝置的能量接收部件，是核心零部件。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的動(dòng)力性能和機(jī)械效率，而葉輪在使用過程中要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪音，避免共振。UG是美國 Unigraphics Solutions 公司的一個(gè)集 CAD、CAE和CAM于一體的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，其數(shù)控加工模塊功和結(jié)構(gòu)分析模塊功能極強(qiáng)。本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的UG NX7.0對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究，并使用 UG的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)葉輪進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了該葉輪的固有頻率和相應(yīng)的振型，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，為該葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化和振動(dòng)安全性檢驗(yàn)提供數(shù)值依據(jù)。

圖1 風(fēng)力推料機(jī)組成

圖2 葉輪外形組成

1 葉輪的多軸加工

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析與工藝流程制訂

葉輪屬于回轉(zhuǎn)類型零件，其外形表面主要由葉片面和流道面兩部分組成，如圖2所示。由于葉片之間的間隔距離小，而葉片的扭曲程度決定了加工時(shí)刀具軸的擺動(dòng)范圍，刀具軸必須在兩葉片之間的范圍內(nèi)擺動(dòng)，刀具才不會(huì)與葉片發(fā)生干涉。葉輪的毛坯外形可通過數(shù)控車床車削成型，而流道和葉片的成型加工則需要在五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上完成。其基本加工工藝流程為：1）在數(shù)控車床上車削加工毛坯的基本形狀；2）粗加工葉輪流道曲面；3）粗加工葉片曲面；4）葉片精加工；5）葉輪流道精加工。

1.2 定位與夾緊方案的確定

葉輪中間的圓孔用于加工時(shí)的裝夾定位，只需將毛坯放入與之配合的圓柱上，再利用螺母壓緊毛坯便可實(shí)現(xiàn)零件的裝夾定位，毛坯需要在數(shù)控車床上車削成型。

1.3 五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與選擇

葉輪的毛坯外形可通過數(shù)控車床車削成型，而流道和葉片的成型加工則必須在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上才能完成。由于本文中葉輪的尺寸不大，重量較輕，選用立式五軸加工中心即可完成機(jī)床模擬加工仿真。

1.4 刀具的選擇與刀具半徑的確定

為提高加工效率，在進(jìn)行流道開粗和流道半精加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，但是也要注意使刀具直徑小于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過程中，應(yīng)在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑大于流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在對(duì)流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí)，選擇的刀具半徑小于流道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

1.5 葉輪的數(shù)控加工

1.5.1 粗加工流道面和葉輪面

通過可變輪廓銑程序控制驅(qū)動(dòng)方法和刀具軸，根據(jù)葉輪流道面的加工要求創(chuàng)建多軸聯(lián)動(dòng)粗加工程序。設(shè)定合適的參數(shù)，即可生成的葉輪流道粗加工刀具軌跡如圖3所示。葉片面的粗加工創(chuàng)建類型、刀具、幾何體均與粗加工葉輪流道面設(shè)置相同；考慮到葉片曲面空間比較復(fù)雜，提高加工效率應(yīng)允許刀具側(cè)刃參與切削，生成的葉輪葉片粗加工刀具軌跡如圖4所示。

圖3 流道面粗加工刀具軌跡

圖4 葉片面粗加工刀具軌跡

1.5.2 精加工流道面和葉片面

與葉片面和流道面的粗加工相比，精加工刀具的路徑規(guī)劃一致，只需要修改相關(guān)參數(shù)即可，因此先復(fù)制粗加工創(chuàng)建的操作，然后再修改有關(guān)參數(shù)和設(shè)置。

1.5.3 后置處理

后置處理最重要的是將UG軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)化為適合數(shù)控系統(tǒng)加工的 NC 程序，通過讀取刀位文件，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換和指令格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)程序模擬仿真，如圖5所示。

圖5 程序模擬仿真操作

2 模態(tài)分析

2.1 葉輪有限元模型的建立

將葉輪的三維實(shí)體圖導(dǎo)入到UG的結(jié)構(gòu)分析模塊環(huán)境中，分別設(shè)置葉輪材料為鋁合金6061，彈性模量76 Gpa，泊松比0.33，密度2800 kg/m3。網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分，選用CTETRA(10)單元，劃分精度為3級(jí)。在葉輪的有限元模型中，共有259367個(gè)節(jié)點(diǎn)，198752個(gè)有限單元。

2.2 邊界條件及求解方法

葉輪中心為圓柱形內(nèi)孔，約束條件采用柱坐標(biāo)系，固定前三個(gè)自由度。求解方法為使用SEMODES 103求解器，基于 Lanczos 特征值提取法則進(jìn)行模態(tài)分析。

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

UG 結(jié)構(gòu)分析模塊有強(qiáng)大的后處理能力，可輸出分析結(jié)果報(bào)告和節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力和應(yīng)變等各種云圖。表 1 和圖6至圖 9顯示了該葉輪的前4階固有頻率和振型。

表1 葉輪的前4階固有頻率及其最大變形量

從表1可以看出，不同階次的模態(tài)葉輪體具有不同的固有頻率，而且隨著階數(shù)的增大，固有頻率也在增加。在對(duì)各階模態(tài)的振型云圖的分析當(dāng)中可以得出在不同階次的模態(tài)仿真中，葉輪表面的最大位移量均有變化，而且隨著階次升高呈擴(kuò)大趨勢(shì)。換言之，倘若外界施加在葉輪上的干擾頻率越高，那么葉輪在這種頻率的作用下一旦出現(xiàn)共振，則越容易產(chǎn)生最大變形。此外，在振型云圖中還可以看出在有葉輪根部的葉片產(chǎn)生最大變形量，因而可以斷定這部分屬葉輪的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 一階模態(tài)振型

圖7 二階模態(tài)振型

圖8 三階模態(tài)振型

圖9 四階模態(tài)振型

3 結(jié)論

1）本文為葉輪類零件的仿真加工提供了一般方法和步驟，成功得到正確的刀具軌跡仿真結(jié)果，并輸出可用于真實(shí)五軸數(shù)控加工的NC程序，對(duì)葉輪類零件的五軸編程和制造具有一定的參考價(jià)值。

2）利用UG多軸數(shù)控加工，使葉輪的設(shè)計(jì)和加工編程基于同一個(gè) CAD/CAM環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程信息模型的無縫連接，大大減小了編程出錯(cuò)概率，提高了編程效率和可靠性，可有效地保證數(shù)控加工的質(zhì)量和效率。

3）經(jīng)模態(tài)分析得到了該葉片的前4階固有頻率及相應(yīng)的振型，能夠預(yù)測(cè)與其他部件之間相互干擾的可能性，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避開共振，這為葉輪的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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