淺談基于UG的復(fù)雜曲面葉輪三維造型及五軸數(shù)控加工技術(shù)

摘要：整體葉輪是能源動力、航空航天、石油化工等行業(yè)廣泛使用的關(guān)鍵零件，也是一類典型的難加工零件。本文以UG軟件為背景，提出了一套從葉輪造型到應(yīng)用五軸數(shù)控加工技術(shù)對其進(jìn)行加工的數(shù)控加工方案，希望對葉輪的設(shè)計制造工作能夠有所借鑒。

關(guān)鍵詞：葉輪，復(fù)雜曲面，三維造型，五軸數(shù)控加工

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1前言

葉輪是由復(fù)雜空間曲面構(gòu)成的非常有代表性的典型零件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多、設(shè)計周期長、加工工作量大的特點(diǎn)，它可以被認(rèn)作是很多機(jī)械的“心臟”，其造型質(zhì)量和加工方案的選取將會對機(jī)械的使用性能和效率造成直接影響。UG軟件是西門子公司旗下的一個集CAD/CAM為一體的三維機(jī)械設(shè)計平臺，它對曲面曲線的造型有著一套成熟完整的方法和理論體系，并且因?yàn)槠溥€具有功能強(qiáng)大的加工制造模塊，能夠?qū)σ呀⒌娜~輪CAD模型作加工工藝分析，并通過后處理程序直接生成加工代碼，是同類軟件中的佼佼者。因此，本文采用UG 平臺對葉輪的造型及加工技術(shù)進(jìn)行分析。

2葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)方案

為了保證整體葉輪的強(qiáng)度，使加工得到的葉面曲面誤差較小，宜采用整體銑削加工的方法。整體銑削加工的步驟為：（1）將鍛壓好的毛坯件車削成葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀；（2）用五軸數(shù)控加工中心在毛坯上一次性完成對輪轂和葉片的加工。

近年來，伴隨著CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的發(fā)展以及五軸數(shù)控加工設(shè)備的普及，傳統(tǒng)的依靠手工對葉輪進(jìn)行加工的方法已經(jīng)遭到淘汰，而采用CAD/CAM系統(tǒng)的葉輪整體加工方案已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。整體葉輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)方案如圖1。

圖1 整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)方案

3葉輪的三維造型

3.1葉片數(shù)據(jù)的獲取

現(xiàn)階段獲取葉片數(shù)據(jù)的方法主包括測量現(xiàn)成葉片和理論計算兩種類型。前者主要應(yīng)用于逆向工程領(lǐng)域，一般是利用CMM（三坐標(biāo)測量機(jī)）或激光掃描儀對現(xiàn)成葉輪進(jìn)行測量，生成iges等通用格式的數(shù)據(jù)文件，然后將這些文件導(dǎo)入UG中進(jìn)行模型建立；后者主要通過有限元分析和流體力學(xué)的原理來完成對葉片數(shù)據(jù)的計算。本文的葉片數(shù)據(jù)是采用理論計算得到的。

將計算或采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維坐標(biāo)輸入到UG軟件中，然后利用UG軟件的自由曲面功能，先將這些點(diǎn)擬合生產(chǎn)光滑、準(zhǔn)確的閉合曲線，再通過這些曲線生產(chǎn)高質(zhì)的曲面。

3.2葉片造型

葉片的基元線不同，則葉片的造型方法通常也不同。對于葉片基元線是平面曲線的情況而言，選取已經(jīng)擬合建立的樣條曲線串后，直接通過UG的“通過曲線”命令即可得到葉片實(shí)體；而對于葉片基元線是空間曲線的情況而言，一般先是通過曲線串生成片體，然后再通過UG的“縫合”命令生產(chǎn)最終的葉片實(shí)體。

3.3輪轂造型

對于輪轂造型，UG軟件提供了兩種方式：（1）直接利用UG的實(shí)體造型功能進(jìn)行輪轂造型，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是個體零件的特征信息較少，利于系統(tǒng)存儲；（2）建立草圖，然后對草圖執(zhí)行回轉(zhuǎn)操作，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是便于參數(shù)化?？紤]到方便編輯和修改，建議采用第二種方式。

3.4建立整體葉輪

在完成單個葉片和輪轂的造型后，我們要建立整個葉輪的CAD模型，建立步驟如下：（1）因?yàn)槿~片是沿圓周均布的，所以需要根據(jù)葉片的數(shù)量確定葉片沿圓周分布的角度，然后再通過UG的“復(fù)制”命令將每個葉片復(fù)制到位；（2）當(dāng)所有葉片建立完畢后，需要對它們和輪轂執(zhí)行“布爾和”操作，將它們組合成一個實(shí)體，從而完成葉輪的三維造型工作（如圖2所示）。

圖2 某葉輪的CAD模型

3.5光順曲線

實(shí)際工作中，生成葉片的曲線和曲面可能存在一些不需要的拐點(diǎn)，即出現(xiàn)不光滑的凹凸現(xiàn)象。因此，為了保證葉片的后續(xù)加工質(zhì)量，我們有必要利用UG軟件的曲線分析工具對葉片的曲線和曲面進(jìn)行光順檢查，并通過UG軟件中的“光順曲線”命令來完成對不光順情況的處理。

4葉輪的五軸數(shù)控加工流程

（1）鍛壓毛坯：毛坯采用高強(qiáng)度的鍛壓件，并車削加工出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。

（2）葉輪的氣流通道加工：在氣流通道的中間位置設(shè)置開槽加工槽，銑刀應(yīng)沿平行于氣流通道的方向進(jìn)行走刀。具體加工時，槽底與輪轂表面要留有一定的加工余量。

（3）葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工及葉片的粗加工：經(jīng)過上一個程序后，葉輪的氣流通道僅剩小部分余量，但為了提高最終的表面加工質(zhì)量，有必要在精加工前進(jìn)行擴(kuò)槽和葉片粗加工。此時葉片的粗加工過程要保證葉型留有一定的精加工余量，且這個余量應(yīng)盡可能的均勻。通常來說，輪轂的表面精銑也可以在此過程中一并完成。

（4）葉片、輪轂的精加工：在一定均勻余量下進(jìn)行葉片、輪轂的精加工。為保證良好的表面加工質(zhì)量，刀具宜采用球頭銑刀。

為保證應(yīng)力釋放均勻，并最大限度的減少加工過程中帶來的變形誤差，以上加工程序都應(yīng)經(jīng)過分度和旋轉(zhuǎn)，且在輪轂和葉片沒有全部加工完時，不應(yīng)進(jìn)入下一個程序。圖3和圖4是對葉片和輪轂的五軸數(shù)控加工仿真過程。

圖3 葉片的加工仿真

圖4 輪轂的加工仿真

為提高葉輪的加工質(zhì)量，在進(jìn)行五軸數(shù)控加工編程時，需要根據(jù)葉輪的CAD模型選擇合理的驅(qū)動面和進(jìn)退刀方式。

5結(jié)語

作為一款功能強(qiáng)大的三維設(shè)計平臺，UG以復(fù)雜曲面造型和數(shù)控加工見長，能夠比較完美地完成對整體葉輪的三維造型。但它作為一款通用的CAD/CAM軟件，在應(yīng)用UG軟件對整體葉輪進(jìn)行五軸加工的數(shù)控編程時，還是需要設(shè)置一些輔助的點(diǎn)、線和面，且在實(shí)際應(yīng)用過程中往往需要對刀位軌跡進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，這還需要我們作進(jìn)一步的研究。

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