風扇葉片及其模具的快速反求設(shè)計與制造分析

朱 蓓

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建福州350000）

0 引言

反求設(shè)計是指結(jié)合物品的實物模型，獲取物品的各項參數(shù)信息，借鑒國內(nèi)外先進技術(shù)，進行物品的優(yōu)化設(shè)計與制造。在風扇葉片的反求設(shè)計與制造中，應(yīng)圍繞如風扇葉片斷裂等問題，在設(shè)計與制造環(huán)節(jié)進行關(guān)鍵控制點排查，優(yōu)化風扇葉片的模具，提高葉片生產(chǎn)質(zhì)量。

1 風扇葉片的參數(shù)測量

在風扇葉片失效分析中，測量工作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可了解風扇葉片的失效原因，明確關(guān)鍵控制點，為風扇葉片及模具的設(shè)計與制造提供指導(dǎo)。在本文制定的方案中，風扇葉片的測量選擇3D Scanners高速激光系統(tǒng)，該設(shè)備可在非接觸情況下獲取風扇葉片的各項參數(shù)，使失效分析結(jié)果更為精準。具體來說，3D Scanners高速激光系統(tǒng)通過以下功能完成測量：

（1）Reversa激光掃描頭，可將掃描的風扇葉片參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦袷交瘷n案。在實踐應(yīng)用中，可將Reversa激光掃描頭和Surfacer、CAD及CAM軟件配合使用，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、模具制造等優(yōu)化工作。Reversa激光掃描頭的解析度可達10 μm，高精度掃描速度可達15 000點/s，可顯著提高風扇葉片數(shù)據(jù)采集效率。

（2）Replica獨立掃描臺，可將X、Y、Z作為風扇葉片測量的工作軸，測量范圍在1 000 mm×1 000 mm×475 mm內(nèi)，測量精度可達100 μm。在實際應(yīng)用中，該設(shè)備掃描便捷，可與4軸或5軸轉(zhuǎn)盤配合使用，全面掃描復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各項數(shù)據(jù)，如倒角數(shù)據(jù)、直角數(shù)據(jù)等，其解析度可達0.001 m，具備轉(zhuǎn)軸選配功能。

（3）RISCAN操作軟件，軟件內(nèi)置程序可進行測量數(shù)據(jù)的智能處理。本文分析的風扇結(jié)構(gòu)本質(zhì)上屬于電機，風扇馬達內(nèi)配置PCB+電子元器件，可通過電子元器件的轉(zhuǎn)速，判斷風扇葉片是否失效。RISCAN操作軟件結(jié)合風扇葉片失效原理和測量結(jié)果，分析風扇葉片設(shè)計與制造的關(guān)鍵控制點[1]。在實際應(yīng)用中，RISCAN操作軟件支持不同格式文件的輸出，如ASCⅡ格式、IGES格式等，且支持數(shù)據(jù)調(diào)整功能，如跳動消除、內(nèi)差值修整、限制閾值等，使測量數(shù)據(jù)更為精準可靠。需要注意的是，在應(yīng)用上述設(shè)備測量風扇葉片參數(shù)時，可根據(jù)風扇葉片的對稱性能，將同樣結(jié)構(gòu)的風扇葉片進行統(tǒng)一測量，即只需測量一個同類葉片即可。

2 風扇葉片的建模

在明確風扇葉片設(shè)計與制造的關(guān)鍵控制點后，選擇帶有反求功能的軟件程序，進行風扇葉片的建模。本文選擇UGⅡ作為建模平臺，該軟件可支持NURBS曲面建模，且具備3D建模延伸、縫合等功能，適用于風扇葉片的設(shè)計工作。具體來說，風扇葉片的建模流程如下：

（1）曲面與葉背設(shè)計。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)參數(shù)，設(shè)計一組點數(shù)較低的參數(shù)，通過建模平臺的Free FACE功能，完成風扇葉片的曲面與葉背設(shè)計。

（2）曲面與葉背耦合。在測量環(huán)節(jié)獲取風扇葉片不同角度的測量數(shù)據(jù)，建模時需將某一組數(shù)據(jù)固定，進行曲面與葉背的耦合，確保實際設(shè)計參數(shù)與測量參數(shù)相符。首先，固定一組葉片數(shù)據(jù)，再將第二組數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)180°，獲取此時葉片中心孔的厚度，調(diào)整兩組數(shù)據(jù)建成葉片的距離，調(diào)整規(guī)則，參照兩組數(shù)據(jù)的平面數(shù)值，完成葉片距離參數(shù)矯正；然后，在兩組數(shù)據(jù)建成葉片中選擇一個小孔，計算該孔上隨機3個點的圓心，進而明確兩組數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角，完成方向矯正。

（3）生成葉片，根據(jù)風扇葉片的輪廓投影，應(yīng)用剪裁、縫合等功能處理矯正后的葉片，完成一個葉片的建模。

（4）生成風扇，通過陣列方法生成所有葉片，通過布爾運算創(chuàng)造葉片中心軸，完成風扇結(jié)構(gòu)建模[2]。在葉片中心軸建模中，選擇圓柱實體功能與楔塊實體功能，利用有限元軟件仿真模擬風扇馬達內(nèi)的PCB+電子元器件，調(diào)整其轉(zhuǎn)速，使其滿足風扇葉片高效運行需求，解決風扇葉片失效問題。

3 風扇葉片模具的快速反求設(shè)計與制造

3.1 風扇葉片模具的設(shè)計

在風扇葉片模具設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合風扇葉片的建模參數(shù)要求，明確風扇葉片模具的要求，確保風扇葉片模具制造的風扇葉片滿足設(shè)計要求，避免風扇葉片出現(xiàn)失效問題。在本文設(shè)計的風扇葉片模具中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為400 mm×400 mm×150 mm，一個風扇葉片模具的制造，需2個上述大小的坯料。

在風扇葉片模具設(shè)計時，選擇UGⅡ作為建模平臺進行建模，不斷調(diào)整優(yōu)化設(shè)計方案，使風扇葉片模具設(shè)計參數(shù)滿足要求。在風扇葉片模具建模前，首先分析風扇葉片的中心面，并將其作為風扇葉片模具的分模面，再附加風扇葉片模具的其他面；在風扇葉片模具建模時，首先構(gòu)建風扇葉片模具的凸模，通過布爾運算處理各項參數(shù)，在平臺上初步構(gòu)建風扇葉片模具的型腔，在該過程中，需根據(jù)風扇葉片的設(shè)計要求，設(shè)定型腔的收縮率。同時，在本文設(shè)計的風扇葉片模具中，為便于后續(xù)加工，在建模設(shè)計中去除風扇葉片模具的中間孔洞。經(jīng)倒角處理后構(gòu)建風扇葉片模具的凸模。然后，根據(jù)風扇葉片模具凸模的建模設(shè)計過程，進行風扇葉片模具凹模的建模設(shè)計，完成整個風扇葉片模具的設(shè)計。

3.2 風扇葉片模具的制造

根據(jù)風扇葉片模具的建模設(shè)計方案，本文選擇MV-610數(shù)控中心與NC數(shù)控代碼進行風扇葉片模具的制造，具體流程如下：

（1）生成NC數(shù)控代碼。在制造系統(tǒng)中設(shè)置400mm×400mm×150 mm的毛坯料，利用UGⅡ平臺的Manufacturing模塊，自動生成NC數(shù)控代碼，該代碼符合FANAC的要求。具體來說，在生成的NC數(shù)控代碼中，明確風扇葉片模具制造的各項參數(shù)，如風扇葉片模具的粗加工選擇R10規(guī)格的銑刀；風扇葉片模具的精加工選擇R5規(guī)格的銑刀。

（2）生產(chǎn)加工制造。結(jié)合風扇葉片模具的各項參數(shù)，制作同樣規(guī)格的蠟?zāi)?，將蠟?zāi)Ｖ糜贛V-610數(shù)控加工中心進行加工，獲取風扇葉片模具的凸模結(jié)構(gòu)；再按照同樣的參數(shù)，將毛坯料置于MV-610數(shù)控加工中心，獲取風扇葉片模具的凹模結(jié)構(gòu)。

3.3 風扇葉片及其模具的設(shè)計與制造成果分析

在上述風扇葉片及其模具設(shè)計與制造方案中，設(shè)計人員應(yīng)用機械專業(yè)與電子專業(yè)學(xué)科知識，通過快速反求設(shè)計與制造，高效完成了風扇葉片及其模具的優(yōu)化設(shè)計與加工，可縮短風扇葉片及其模具的設(shè)計、生產(chǎn)時間，保障風扇葉片及其模具的質(zhì)量。具體來說，在本文制定的方案中，首先獲取風扇葉片的各項參數(shù)，對風扇葉片失效問題進行分析，明確風扇葉片的關(guān)鍵控制點，在后續(xù)設(shè)計與制造中通過參數(shù)調(diào)整確保關(guān)鍵控制點的質(zhì)量[3]。本文設(shè)計與制造的風扇葉片及其模具可規(guī)避傳統(tǒng)問題，延長風扇葉片使用壽命，提高風扇葉片模具精度，為風扇葉片及模具制造企業(yè)提供技術(shù)支持。

4 結(jié)語

綜上所述，在風扇葉片及其模具的快速反求設(shè)計與制造中，設(shè)計人員應(yīng)對風扇葉片結(jié)構(gòu)進行全面測量，分析風扇葉片失效原因，明確設(shè)計與制造的關(guān)鍵控制點，在風扇葉片建模與模具設(shè)計制造中調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)風扇葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標，解決風扇葉片失效問題。