叶轮的数字化建模和整体加工

HEATS

叶轮是发动机的关键零件，其设计与制造的要求相当高，原材料为铝合金(热模锻后进行热处理)，但其结构复杂，设计开发周期长，其质量直接影响发动机的空气动力性能和机械效率。UG是CAD／CAM／CAE一体化软件，它强大的功能提供了很好的实体建模和数控编程能力，甚至检验和产品数据管理的全过程。给复杂曲面的数控加工带来了很大的方便。保证了加工精度和加工效率。

    1 引言
   
    叶轮的精密几何实体造型是叶轮加工的必要前提，随着对发动机性能要求的提高，转子的形状更趋复杂，研究整体转子的三维CAD造型越来越重要．转子叶片数据的获取主要有两种方法，一种是通过逆向下程获取数据点，一种是通过理沦计算获取数据点。逆向工程是把原型的几何尺寸通过各种测量方法(如：三坐标测量机、激光跟踪仪、三坐标测头等)转化成一个数据文件，然后重新建立此零件的CAD模型的。重建零件的过程为：通过每一个截面内的型值点采用i次样条曲线进行插值计算，然后进行光顺处理。对于拐点较多的曲线进行光顺时，可用最小能量法。光顺的标准是只保持时型有规律的拐点，去除其它多余的拐点，对叶型线曲率变化率未作规定。这种方法可以降低设计零件的周期，但是加jrm的零件性能并不能高于原型。理论计算足根据流体力学原理计算出来的叶片的叶型数据。
   
    2 叶片的模型建立
   
    创建了UG支持的数据文件后，打开UG系统，建立一个新的part文件，进入建模状态。
   
    2．1叶片，的样条曲线的创建
   
    从菜单栏中选择命令，系统弹出对话框，选择曲线里的样条，把已生成的dat格式文件导入，系统将按照数据绘制封闭的样条曲线。如图1。

( R5 W |. b" h

4 } {- x& i+ a1 G1 S; o1 Z

    2．2叶片实体的创建
   
    从菜单栏中选择插入命令里的网络曲面选项。系统将弹出对话框，分别选取已建的样条曲线串，注意统一起始元素。如图2：

4 R8 T0 k4 B+ z

% ^% p& L1 c% c4 v2 K) m

    图为带有样条曲线串的叶片实体，隐藏样条曲线串后生成的叶片实体如图3，

A# G8 G( r& N2 `' W

2 T3 ]* h0 j, C, |0 }2 @- N

    2．2．1创建轮毂
   
    (1)绘制轮毂的截面
   
    在建模方式下的草图里，绘制轮毂的截面。建立回转轴线。
   
    (2)建立轮毂回转体
   
    在菜单栏中选择命令，选择同转让截面绕回转轴回转一周，建立轮毂回转体，如图4轮毂。

- V @. K9 d. W7 U

    2．2．2建立其他的叶片
   
    把单个叶片加载到轮毂后行成单个叶片的转子如图5。

( d' Q$ f+ |: g. c

    又因为叶片是圆周均布的，所以从菜单栏中选择命令，选择要复制的叶片，在文本框中输入参数值360／n(n为叶片个数)，连续复制n-1次，这样就完成了n个叶片在轮毂上的均匀分布，如图6轮毂与叶片。如图7转子实体。

; v/ r* G' k% T$ x$ D# n

    2．3归纳总结
   
    本章是基于UG的自由曲面造型功能，进行转子的三维实体建模。先把叶片原始的数据文件进行处理，建立叶片型面的样条曲线，构造叶片空间型面，更加精确的反映出叶片的曲面形状，有利于叶片的实际加工。

4 `( X, n: V1 c

    3 叶轮的整体加工
   
    叶轮加工应当使用5坐标数控加中心完成111。5坐标是指在3个平动坐标轴基础上增加2个转动坐标轴(A，B或A，C或B，C)且5个轴可以联动。由于具有2个转动轴，导致5坐标机床有很多种运动轴配置方案。当建模完成后在UG软件中的加工模块，可以自动产生数控机床能接受的数控加T指令。传统的叶轮加工方法是叶片与轮廓采用不同的毛坯，分别加T成形后将叶片焊接在轮廓上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。
   
    UG系统自带有三种类型的五轴机床，本论文选用其中的回转／摆动型机床进行虚拟仿真加工说明，摆头旋转轴是B轴，转台旋转轴是C轴。通过机床导航器调入机床组件和刀具组件，叶轮零件安放在转台上面即可进行加工仿真。叶轮用5坐标数控机床加T，由于叶片的扭曲很大，流道比较窄，刀具在叶片上及流道内要合理摆动，才能防止叶轮过切，并得到光顺的刀纹。从图6叶轮的三维模型可以看到，加丁叶片重霍的底面时，刀具轴必须在两个相邻叶片之间摆动，不能与叶片相碰，也就是说，叶片是流道加工的边界条件。UG中提出了一种刀具轴迭代方式一插补刀具轴(Interpolated M Axis)，这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具轴，从而生产出完整高质量的叶轮。
   
    根据叶片型面特征，依刀具与曲面接触的方式分类，五坐标数控铣削加工叶片型面可分为"线接触"(侧刃铣)和"点接触"两类成形方式。但对于侧刃铣来说刀具的整个侧边与叶片相接触，对薄叶片加工时的回弹影响大。所以侧铣加工该类叶片只是近似的加工方法。对于点接触，这种方法有一些不可避免的缺点：对于弯曲程度较厉害的叶片，由于叶片空间距离较近，加工过程中与相邻叶片间的干涉很难避免；但"点加工"要比"线加工"在加工薄叶片时产生的回弹小，故在加T边圆角时，采用的是"点加工"方式。所以在叶轮的整体加工中加工方式是采用"点加工"与"线加工"相结合。
   
    4 结束语
   
    实践表明，采用CAD／CAM技术，应用五坐标数控机床，针对叶轮零件的结构特点进行转子的三维实体建模，有利于更形象的对所设计的工件直观观察，大大减少了实际生产加工中的浪费，缩减了设计周期，降低了生产成本。【MechNet】