葉輪的數字化建模和整體加工（1）

 葉輪是發動機的關鍵零件，其設計與制造的要求相當高，原材料為鋁合金(熱模鍛后進行熱處理)，但其結構復雜，設計開發周期長，其質量直接影響發動機的空氣動力性能和機械效率。
UG是CAD／CAM／CAE一體化軟件，它強大的功能提供了很好的實體建模和數控編程能力，甚至檢驗和產品數據管理的全過程。給復雜曲面的數控加工帶來了很大的方便。保證了加工精度和加工效率。 

    1 引言 

    葉輪的精密幾何實體造型是葉輪加工的必要前提，隨著對發動機性能要求的提高，轉子的形狀更趨復雜，研究整體轉子的三維CAD造型越來越重要．轉子葉片數據的獲取主要有兩種方法，一種是通過逆向下程獲取數據點，一種是通過理淪計算獲取數據點。逆向工程是把原型的幾何尺寸通過各種測量方法(如：三坐標測量機、激光跟蹤儀、三坐標測頭等)轉化成一個數據文件，然后重新建立此零件的CAD模型的。重建零件的過程為：通過每一個截面內的型值點采用i次樣條曲線進行插值計算，然后進行光順處理。對于拐點較多的曲線進行光順時，可用最小能量法。光順的標準是只保持時型有規律的拐點，去除其它多余的拐點，對葉型線曲率變化率未作規定。這種方法可以降低設計零件的周期，但是加jrm的零件性能并不能高于原型。理論計算足根據流體力學原理計算出來的葉片的葉型數據。 

    2 葉片的模型建立 

    創建了UG支持的數據文件后，打開UG系統，建立一個新的part文件，進入建模狀態。 

    2．1葉片，的樣條曲線的創建 

    從菜單欄中選擇命令，系統彈出對話框，選擇曲線里的樣條，把已生成的dat格式文件導入，系統將按照數據繪制封閉的樣條曲線。如圖1。



    2．2葉片實體的創建 

    從菜單欄中選擇插入命令里的網絡曲面選項。系統將彈出對話框，分別選取已建的樣條曲線串，注意統一起始元素。如圖2：




    葉輪的數字化建模和整體加工（2） 

圖為帶有樣條曲線串的葉片實體，隱藏樣條曲線串后生成的葉片實體如圖3，



   2．2．1創建輪轂 

   (1)繪制輪轂的截面 

   在建模方式下的草圖里，繪制輪轂的截面。建立回轉軸線。 

   (2)建立輪轂回轉體 

   在菜單欄中選擇命令，選擇同轉讓截面繞回轉軸回轉一周，建立輪轂回轉體，如圖4輪轂。



   2．2．2建立其他的葉片 

   把單個葉片加載到輪轂后行成單個葉片的轉子如圖5。



   又因為葉片是圓周均布的，所以從菜單欄中選擇命令，選擇要復制的葉片，在文本框中輸入參數值360／n(n為葉片個數)，連續復制n-1次，這樣就完成了n個葉片在輪轂上的均勻分布，如圖6輪轂與葉片。如圖7轉子實體。

   葉輪的數字化建模和整體加工（3） 



   2．3歸納總結 

   本章是基于UG的自由曲面造型功能，進行轉子的三維實體建模。先把葉片原始的數據文件進行處理，建立葉片型面的樣條曲線，構造葉片空間型面，更加精確的反映出葉片的曲面形狀，有利于葉片的實際加工。



   3 葉輪的整體加工 

   葉輪加工應當使用5坐標數控加中心完成111。5坐標是指在3個平動坐標軸基礎上增加2個轉動坐標軸(A，B或A，C或B，C)且5個軸可以聯動。由于具有2個轉動軸，導致5坐標機床有很多種運動軸配置方案。當建模完成后在UG軟件中的加工模塊，可以自動產生數控機床能接受的數控加T指令。傳統的葉輪加工方法是葉片與輪廓采用不同的毛坯，分別加T成形后將葉片焊接在輪廓上。此方法不僅費時費力，且葉輪的各種性能難以保證。 

   UG系統自帶有三種類型的五軸機床，本論文選用其中的回轉／擺動型機床進行虛擬仿真加工說明，擺頭旋轉軸是B軸，轉臺旋轉軸是C軸。通過機床導航器調入機床組件和刀具組件，葉輪零件安放在轉臺上面即可進行加工仿真。葉輪用5坐標數控機床加T，由于葉片的扭曲很大，流道比較窄，刀具在葉片上及流道內要合理擺動，才能防止葉輪過切，并得到光順的刀紋。從圖6葉輪的三維模型可以看到，加丁葉片重霍的底面時，刀具軸必須在兩個相鄰葉片之間擺動，不能與葉片相碰，也就是說，葉片是流道加工的邊界條件。UG中提出了一種刀具軸迭代方式一插補刀具軸(Interpolated M Axis)，這種方式可以通過在指定的點定義矢量方向來控制刀具軸，從而生產出完整高質量的葉輪。 

   根據葉片型面特征，依刀具與曲面接觸的方式分類，五坐標數控銑削加工葉片型面可分為"線接觸"(側刃銑)和"點接觸"兩類成形方式。但對于側刃銑來說刀具的整個側邊與葉片相接觸，對薄葉片加工時的回彈影響大。所以側銑加工該類葉片只是近似的加工方法。對于點接觸，這種方法有一些不可避免的缺點：對于彎曲程度較厲害的葉片，由于葉片空間距離較近，加工過程中與相鄰葉片間的干涉很難避免；但"點加工"要比"線加工"在加工薄葉片時產生的回彈小，故在加T邊圓角時，采用的是"點加工"方式。所以在葉輪的整體加工中加工方式是采用"點加工"與"線加工"相結合。 

   4 結束語 

   實踐表明，采用CAD／CAM技術，應用五坐標數控機床，針對葉輪零件的結構特點進行轉子的三維實體建模，有利于更形象的對所設計的工件直觀觀察，大大減少了實際生產加工中的浪費，縮減了設計周期，降低了生產成本。