UG复杂曲面叶轮的三维造型及五轴加工技术

周升霞66

摘要：
以典型的深窄槽、大扭角、变根圆角的微型叶轮空压机转子应用为实例，基于UG建模、整体叶轮数控加工方案，包括整体叶轮的三维建模、数控加工工艺流程规划、数控加工编程等。并在五轴连动数控机床上进行实验验证，验证该整体叶轮数控加工方案、程序可行。
关键词：整体叶轮 三维造型 工艺 五轴联动
一 ：引言
整体叶轮的特点是：结构复杂、数量种类繁多、设计周期长、加工制造工作量大。目前较重要用途的叶轮都是由非可展直纹面和自由曲面构成的，叶轮叶片的型面非常复杂，使得叶片实体造型较一般的实体造型更为复杂繁琐。从整体叶轮的结构特点也可以看出：加工整体叶轮时加工轨迹刀轴限制约束比较多，相邻叶片空间狭小，叶片又很高，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉的刀位轨迹很困难。目前国外一般应用整体叶轮的五轴加工专用软件，主要有美国的NREC公司的MAX-5,MAX-AB叶轮加工专用软件，德国的HYPERMILL，还有PAWERMILL等专用软件，此外一些通用的软件如：UG、CATIA、PRO/E等也可以用于叶轮的加工，目前国内只有少数企业可以加工叶轮，国内不少厂家在研究摸索加工过程，但工艺水平据国际先进水平上有很大差距。UG功能强大，从概念设计到加工、装配可无缝连接，在国内应用广泛，所以本文基于UG软件应用。
二： 整体叶轮的CAD、CAM系统流程图
1， 叶轮的加工一般是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮的回转体的基本形状，在五轴联动加工中心上将轮毂与叶片一次加工完成，它可以满足压气机叶轮的强度要求，曲面误差小，动平衡稳定，因此是比较理想的加工方法，五轴数控设备的加工技术成熟，使这种原来靠手工打磨制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用的数控加工方法结构图如上图。
2，叶轮的结构特点及加工难点
国内的大多数叶轮都是根据国外的叶轮缩比仿制的，本文中的叶轮是个有17片的一级叶片图B， 叶片厚度3mm，出口叶片高度30mm，进口叶片高度65mm，相邻叶片间最小间距8mm。
为了使压气机的气动性达到国际先进水平，转子采用了大扭角，根部变圆角结构，这给加工提出了很高的要求，具体难度如下：
A，叶片较长、相邻空间有大变窄、形状扭曲，刀轴角度容易干涉，刀路复杂。
B，刀具直径为¢6MM的情况，刚性差、容易断刀，控制切削深度很关键，加工效率低。
C，叶片曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲严重，有后仰的趋势，加工时极易干涉，为了避免干涉有时需要分段加工因此很难保证曲面的一致性。
D，前缘圆角曲率半径变化大，加工过程中机床旋转轴运动角度变化幅度大，并且速度不均匀。这个运动特点对设备柔性、精度、灵敏度要求很高。

三：创建叶轮的三维模型
通常是有两种办法获得数据：一是通过理论（数学公式）计算，二是通过逆向工程，把原型的几何尺寸通过各种测量方法（三坐标测量机、激光跟踪仪等）转化成数据点文件，然后重新建立此零件的模型。数据文件以DAT格式（XA,YB,ZC）与UG对数据的要求一致，在UG的自由曲面模块中，由叶片离散数据点拟合生成光滑，准确的闭合曲线，从而通过这些曲线生成叶片曲面。
1，创建叶片
从菜单栏中选择样条命令，根据需要选择其中的一种拟合方式，把已生成的数据文件导入，系统将按照数据绘制样条曲线。由于原实物的磨损、自身精度、数据的测量误差等原因，这些数据拟合的曲线会出现出现不光滑的凹凸现象，这会直接影响后续的刀路流畅、及加工效果，因此要对数据点修饰、赛选，对建模过程中的曲线曲面进行光顺检查分析。
1.1曲线分析
首先要分析叶片的每一条基线的曲率分布情况，有无断点、尖点、交叉点、重叠、突变等情况，如图C：上面是直接数据生成的原始曲线曲率，曲率梳可以反映曲线的曲率变化规律并由此发现曲线的问题。原始曲线曲率变化不规则，用光顺手段后光顺后曲率变化很均匀，并且有规律。光顺是个很有技巧含量工作，需要根据经验依据工件的特点增加、减少、移动局部点，既要使曲线光顺，又不至于模型失真太多，与理想模型的误差过大。图C下面是广顺过比较理想的曲线。
1.2叶片
曲线的的光顺是叶片光顺的基础，但是曲线是逐条光顺的，在空间的变化是孤立的，与相邻的曲线并无联系，因此这些（光顺）曲线拟合成曲面，表面是有缺陷的，面的变化并非顺畅光滑。因此需要对叶片表面也要采用同样的光顺手段。
面光顺后，用“加厚”“延伸”“裁剪”等命令，把面生成叶片实体。如图D
2，实体曲面分析
主要是前缘圆角处的半径设置是否合理？只要对前后缘的数据进行修改就可以了。先用桥接命令将曲线连接再调整曲率，及是否相切，保证形状不变。加工时就没问题了，此项工作若是太过复杂、繁琐或者不理想，则在实际加工时单独就加工创建轮毂。
为了便于参数化在草图中建立了轮毂的曲线，利用回转命令选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建回转体，当然也可以采用三维模型建立。
3，整体叶轮的造型
通过定义基准面和裁剪体，裁掉多余的部分。因为叶片是圆周均布的，利用变换命令选择要复制的叶片，在角度文本框中输入参数值360/n（n为叶片的个数），连续复制n-1个，这样就完成了多个叶片在轮毂上的均匀分布。每个都是独立的实体，因此通过布尔运算组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型，如图E。
四  CAM数控加工工艺流程
1 刀具的选择
为了提高效率，在进行流道的粗加工，半精加工时，尽可能的选择大直径的球头铣刀，但必须保证刀具直径小于叶片间的最小距离，这样才能保证不过切，这个最小距离可以作为选取刀具的重要依据。在精加工叶片时要保证刀具半径不大于流道和叶片相接处的最大圆角半径，同样叶片清根时也要注意流道和叶片相接处的最小圆角半径，这是三种不同的概念。
2加工路线
     锻压毛坯---进行车削加工成基本回转体---叶轮的流道粗开槽加工---扩槽加工---叶片的半精加工----叶片精加工----流道的精加工----圆角的精加工。
3 刀路
在UG NX7.5版8.0版，有了傻瓜式的叶轮加工模块，能很容易的做出刀路，大大简化了刀路难度。但是这种刀路有明显的缺陷，① 是效率不高，切削过程中切削量不均匀，局部刀路无法调整，旋转轴的变化角度、速度不好控制，只能依靠其内部算法。② 因为切削参数的细微差别、模型自身不明显缺陷的原因，所以精加工刀路精度不高、或者不顺畅，这就严重影响到叶轮的加工效率、精度、及刀具的使用寿命。因此对比参数的细微差别，参数的组合，参数之间的彼此制约，其刀路难度、复杂程度并不低，而且参数对加工的影响，则是需要实际上机实践的。
4  刀路验证，生成程序  
刀路生成后，需要仔细模拟演示，分析可能的碰撞、干涉。刀路的确认无误后，需要机床定制的后处理生成程序（机床执行代码）。生成程序需要后处理文件，这是五轴相邻的另外一个领域，需要相关的专业知识，也需要专门讲解，本文不做延伸。
五  结论：
本文利用UG软件，对复杂曲面叶轮的三维造型、刀具选择、加工、工艺流程等介绍，并在五轴连动数控设备上进行的实际加工验证。希望能对其他同行有些借鉴。