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叶轮逆向设计及如何提高数控加工

2018-07-30 14:38:10 23

摘要 :以UG NX为工作平台,简单介绍了叶轮的逆向设计过程。分析了叶轮加工的难点,并且从加工刀具、工装及加工方法入手简要阐述了提高叶轮加工效率的思路。

关键词:离心式压缩机;叶轮;逆向工程;UG NX

1.1  三坐标测量要求

  逆向工程(Reverse Engineering)也称反求工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法,重构实物的CAD模型,从而实现产品设计与制造的过程[1] 。与传统的设计制造方法不同,逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整,而有样品的情况下,利用三维扫描测量仪,准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形,加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构。然后通过CAM系统进行数控编程,直至利用CNC加工机床或快速成型机来制造产品。

  逆向工程技术为快速制造提供了很好的技术支持,它已成为消化吸收和二次开发的重要途径之一。逆向工程技术主要包括两方面内容:数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据。曲面重建技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据,构造出型体曲线、曲面,最终重构三维模型。

  在对直纹面叶轮进行造型的过程中,为了快速正确地测量叶片形状,需要在叶片表面预先描出创建直纹面的曲线,数据按照直线进行测量,见图1。叶轮进气边圆角需要用点的方式表现出来,这样可以保证进气边圆角的正确性,见图2。

1.2  叶轮逆向测量的工艺要求

  首先要确定叶轮基本形状的曲面类型,然后采用UG NX软件来做逆向处理。处理数据的流程遵循“点—曲线—曲面”的原则。为了使造型设计人员能够准确、快速地对现有的点数据进行造型,这就对三坐标的测量提出了一定的要求。首先叶轮的点数据要充分,要能够最实际化的体现出叶轮的形状。叶轮的最大外形可以通过图纸的尺寸反映出来,但内外子午线的提取,叶轮长短叶片的形状及高度等必须用点数据的格式表现出来。叶轮的进气边圆角也要用点数据的格式表现出来,这样造型出来的形状才能够和实际的叶轮相吻合,满足工艺的要求。叶轮的不同特征需要用不同的颜色进行区分,这样可以让造型设计人员快速高效地对叶轮进行逆向设计,见图3。

1.3  叶轮逆向造型的技巧

1.3.1  优化数据

  叶轮的点云数据中含有许多杂点,因此需把杂点过滤掉,并对点云数据进行优化,删除不必要的数据点。适当降低点云的密度,可以加快计算机处理的速度。

1.3.2  特征线的提取

  特征线的提取是整个曲面重构的关键。根据叶轮外形特点,划分出二次曲面的区域,如:平面、圆柱面等。并对叶轮点云进行分割,把这些二次曲面拟合构造平面或圆柱面,或直接做出特征。平面可以用三点或两相交直线来确定,圆柱面则以截面线和矢量来确定。对于自由曲面,需构造出曲面的特征线。先对叶轮点云做出必要截面线;然后剔除截面点云的杂点进行必要的光顺;最后把截面点云拟合成曲线,以便构造自由曲面,见图4。

1.3.3  构建曲面模型

  把在三坐标测量仪中得到的点数据导入到UG NX中,要保证坐标系的一致性。使用调入的点数据进行曲线的创建,然后对创建的曲线进行分析,并对曲线进行光顺处理,或对曲线进行重构和编辑。使用UG NX的特征造型和曲面造型功能,最终完成三维造型,见图5。

1.3.4  叶轮进气边圆角的处理

  叶轮进气边的圆角特征在测量时已经用点数据的方式表达出来了,但如何做到与两边的叶片相切,这就需要使用到NX软件的三边倒角功能。否则做出来的圆角会含有尖角,不符合叶轮的实际形状,图6和图7为两种造型方式的比较。

1.3.5  叶轮模型的最终确认

  在叶轮模型构建完成后,见图8,需要与实际的样品进行比较,如叶片的厚度,叶片的扭曲形状等,经过确认后方可进行加工。

2  叶轮数控加工提高效率的方法

2.1  叶轮加工的难点

  叶轮是关键部件,其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。

  为了使气动性能设计达到国际先进水平,叶轮大都采用了大扭角,根部变圆角等结构,给加工提出了很高的要求。叶轮加工难度:(1)叶轮叶片多为非可展扭曲直纹面,叶片扭曲、流道窄、加工时极易产生干涉,加工难度高;有时为了避免干涉,有的曲面要分段加工,因此保证加工表面的一致性也有一定困难;(2)前缘圆角曲率半径变化很大,加工过程中机床角度变化较大,并且实现环绕叶片加工较难;(3)有时由于叶轮强度的需要,轮毂与叶片之间还采用变圆角。由于流道窄,叶片高,变圆角的加工也是个难点。

  五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成,它可以满足叶轮产品强度要求,曲面误差小,动平衡时去重较少,因此是较理想的加工方法。

2.2  叶轮加工刀具和刀柄的选择

2.2.1  刀具的选择

  刀具刚性和几何形状是叶轮加工刀具选择的主要因素,在流道允许的情况下尽可能采用大直径的刀具;在满足叶片长度的情况下刀具伸出部分应尽可能短。粗加工刀具一般选择圆柱平铣刀,为提高加工效率,选择平底带R铣刀。精加工时选择锥度球头刀具,锥度有利于提高刀具刚性,但锥度不宜太大,一般3°~5°较合适。刀具的材料要根据不同的工件材料来确定,看是否需要使用带涂层的刀具。

2.2.2  刀柄的选择

  数控机床刀具刀柄的结构形式分为整体式与模块式两种。整体式刀柄其装夹刀具的工作部分与它在机床上安装定位用的柄部是一体的。这种刀柄对机床与零件的变换适应能力较差。为适应零件与机床的变换,用户必须储备各种规格的刀柄,因此刀柄的利用率较低。模块式刀具系统是一种较先进的刀具系统,其每把刀柄都可通过各种系列化的模块组装而成。针对不同的加工零件和使用机床,采取不同的组装方案,可获得多种刀柄系列,从而提高刀柄的适应能力和利用率 [2] 。

2.3  使用叶轮加工专用夹具

  在叶轮五轴加工中,零件安装不但要考虑系统刚性与定位精度,还要考虑零件与刀具间的相对位置,避免刀具或主轴与零件产生干涉,因此设计一副专用夹具是很有必要的。夹具一般设计成分体式,既可方便安装,又适合同系列叶轮使用。夹具要有一定高度,这样当A轴摆动到90°时,可以避免主轴与工作台干涉 [3] 。

2.4  叶轮加工工艺流程及三轴定位粗加工

  叶轮加工流程分为叶轮粗加工、叶片面半精加工、叶片面精加工及流道面精加工等几种加工策略。

  粗加工的目的在于快速高效地去除毛坯余量,是最能体现叶轮加工效率的策略,见图9。

  半精加工的目的在于使叶片面的余量均匀,为下一步的精加工做相应的准备,见图10。

  精加工的目的在于如何获得很好的表面质量,与刀具的选择,机床转速与进给量的搭配等都有很大的关系,见图11。

  叶轮加工效率的提高主要是粗加工效率的提高。使用五轴叶轮粗加工模式,可以实现叶轮的五轴粗加工,能够做到留料均匀,加工轨迹比较平缓,但由于只能使用球头刀进行加工,这就存在加工效率不高的情况,见图12。若使用三轴定位加工来实现叶轮的粗加工,在加工效率上较五轴开粗会有很大的提升空间,见图13。表1是对同一叶轮在粗加工效率上的比较。

表1 同一叶轮在粗加工效率上的比较

程序描述刀具切深/mm切宽/mm进给速度/(mm/min)单个流道粗加工时间/min整体叶轮粗加工时间五轴叶轮粗加工R6球刀33.64500324h48min三轴定位粗加工D12端刀38.43500162h 24min三轴定位粗加工R6球刀33.63500540min

3  结论

  叶轮的造型非常重要, 无论其数据源如何, 要遵循好点—好线—好面的原则,这是加工合格叶轮的基础。叶轮型式多样、结构复杂,且叶片曲面的变化非常大,是典型的五坐标联动加工的应用场合。

  粗加工叶片间流道的过程中将大量去除材料,大约为材料的70%,程序的好坏将直接影响加工效率,是提高加工效率的主要环节。精加工的程序主要是从进给速度上进行优化来满足表面粗糙度要求,所以就整体来讲,叶轮粗加工的优化空间是很大的。

参 考 文 献  

[1] 姜元庆,刘佩军.UG/Imageware逆向工程培训教程[M].清华大学出版社,2003.

[2] 陆剑中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M].机械工业出版社,2005.

[3] 杨胜群.数控加工技术[M].清华大学出版社,2006.