【文章內(nèi)容簡介】 的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)重建此零件的 CAD模型。 原始數(shù)據(jù)的測(cè)量，主要分為接觸式和非接觸式兩類：接觸式測(cè)量 (如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)械手式測(cè)量機(jī) )具有精度高、減少冗余數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，是直接對(duì)所需截面進(jìn)行測(cè)量，得到截面線數(shù)據(jù)列表，但效率較低；非接觸式測(cè)最常采用激光掃描(如結(jié)構(gòu)光測(cè)量儀 )，數(shù)據(jù)完整、效率 高，同時(shí)數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)處理帶來負(fù)擔(dān)。利用激光掃描采集的數(shù)據(jù)通常是無序散亂的 “ 點(diǎn)云 ” 。數(shù)量較大需要先進(jìn)行去噪處理，再利用分割面將數(shù)據(jù)點(diǎn)云處理成按掃描線存儲(chǔ)的 “ 結(jié)構(gòu)化 ” 測(cè)量數(shù)據(jù)；經(jīng)過排序最后亦可得截面線數(shù)據(jù)列表。 葉片基于 UG NX 的曲面造型，通常采用通過截面線 (through Curves)的方法進(jìn)行。根據(jù)獲得的截面列表曲線坐標(biāo)點(diǎn)，把造型所需的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化成 UG NX能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，即 .dat 文件，為每個(gè)截面線創(chuàng)建一個(gè)文件，方便截面線數(shù)據(jù)的讀取和修改。本文的葉片模型是給定了五個(gè)截面線的數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要 創(chuàng)建五個(gè)數(shù)據(jù)文件。 截面線曲線的創(chuàng)建 一般每個(gè)截面曲線由四段曲線拼接而成，包括凸面、凹面的三次祥條曲線和前 (后 )邊緣處半徑很小的圓弧，這滿足在拼接點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，其他點(diǎn)處保持一階、二階導(dǎo)數(shù)都連續(xù)。用這種方法生成的截面線再掃掠生成葉片實(shí)體，如果葉片實(shí)體的光順性達(dá)不到要求，需要重新對(duì)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行修改，重新生成截面線，再根據(jù)修改的裁面線掃掠生成實(shí)體，因此工作量非常大，且許多原始數(shù)據(jù)都是通過對(duì)實(shí)物的實(shí)際 測(cè) 量獲得，誤差較大。在造型過程中，需要不斷對(duì)葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，因而這種截面線的構(gòu)造方法是不可取的。 在實(shí) 例的設(shè)計(jì)要求中給出了葉高方向五個(gè)截面的原始數(shù)據(jù) (包括葉片型線坐標(biāo)點(diǎn)，前 (后 )緣兩段圓弧的圓心和半徑 )，需要通過給定數(shù)據(jù)點(diǎn)為每個(gè)截面插值生成一條樣條曲線。本文首先很據(jù)圖樣給定的前 (后 )緣處的回心和半徑數(shù)據(jù)做圓；然后以此圓為參考，調(diào)節(jié)樣條曲線前 (后 )緣處的控制頂點(diǎn)，使截面樣條線在前 (后 )緣處盡量貼合所做的圓。通過這種方法擬合成五個(gè)截面樣條曲線，掃掠生成的葉片實(shí)體如果不滿足光順要求，只需對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。即可完成對(duì)葉片實(shí)體的光順處理。這不需姿重新掃掠截面線生成實(shí)體，工作變得簡單，更符合uG的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念。其具 體實(shí)現(xiàn)步驟如下。 先選擇 “ 樣條曲線 (SPllne)” 命令，選擇種樣條曲線擬合方式，使用“Through Points” 方式，使樣條曲線通過測(cè)量所得的點(diǎn) f當(dāng)然還要根據(jù)光順性要求不斷對(duì)控制頂點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和修改，使樣條曲線在滿足光順要求的條件下，盡可能通過或貼合測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn) )，把上文生成的五個(gè)． dat 又件數(shù)據(jù)分別導(dǎo)人，生成五條封閉的樣條曲線。在保證精度的條件下，應(yīng)盡可能降低樣條曲線的次數(shù)，這可使曲線更接近特征多邊形，能夠更好地控制樣條曲線。 本文使用了三發(fā)樣條曲線，且五個(gè)截面生成的曲線次數(shù)相同。在五個(gè)截面線前 (后 )緣處，根據(jù)圖樣給定的圓心和半徑數(shù)據(jù)分別做圓。根據(jù)所做的圓，調(diào)節(jié)樣條出線前 (后 )緣處的控制頂點(diǎn)。使樣條曲線在前 (后 )緣處盡量貼合所做的圓，這使樣條曲線滿足誤差和光順的要求，如圖 23所示。特別需耍注意的是在每個(gè)截面的前 (后 )緣曲率比較大的部位，可適當(dāng)加密控制點(diǎn)來約束曲線變化。而在曲率比較小、葉身皿線比較平直的部位，只繪定較稀疏的均勻分布點(diǎn)即可 (如圖 24)。調(diào)節(jié)截面線上的控制頂點(diǎn)，盡量使截面線的曲率均勻變化，修改后的五條截面線如圖 25所示。 圖 23 截面線前（后）緣 圖 24 截面線的控制點(diǎn) 圖 25修改后的 5條截面選 通過擬合出的截自線掃掠生成葉片實(shí)體 選擇 “ 通過曲線 (Through curves)“ 命令，選擇擬合好的五條截面線，注意一定要使五條截面線的初始矢量趨勢(shì)相同。如圖 26所示，否則生成的葉片表面會(huì)出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。在 “Aligment” 項(xiàng)中選擇 “By Points” 方式，即在每個(gè)截面線上的相應(yīng)位置取點(diǎn)，掃掠生成曲面時(shí)使這些點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，如圖 27所示。需要在前 (后 )緣部位取點(diǎn)，否則會(huì)在前 (后 )緣部位產(chǎn)生扭曲變形或不能生成一整張葉片曲面，這是筆者在實(shí)際工作中多次嘗試所得出的經(jīng)驗(yàn)。 26截面線初始矢量 27截面線的對(duì)應(yīng)點(diǎn) 本文中截面線數(shù)據(jù)是通過測(cè)量方法得到，難免會(huì)產(chǎn)生誤差，擬合成的曲面客易出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，這需要對(duì)產(chǎn)生凹凸現(xiàn)象區(qū)域的曲線上點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，再重新擬合曲面，經(jīng)過反復(fù)嘗試最后得到光滑的葉片實(shí)體，如圖 28 示。 28滑葉片實(shí)體 輪轂的創(chuàng)建較為簡單，有兩種方式可以選擇，一種是直接進(jìn)行三維建模，另一種是先創(chuàng)建草圖再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本文采用第二種方法，在草圖方式下先創(chuàng)建截面線串，再利用旋轉(zhuǎn) (RevolVe)命令對(duì)截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體，如圖 29。最后創(chuàng)建葉輪實(shí)體，如圖 210 圖 29輪轂 210葉輪實(shí)體 本文是基于 uG NX 的整體葉輪實(shí)體造型研究，詳細(xì)論述了從葉片數(shù)據(jù)的獲得和處理，截面線的生成和修改，至擬合成光滑的葉片實(shí)體的整個(gè)過程。同時(shí)總結(jié)了在葉輪造型過程中需要注意的些問題，完成了符合要求的葉輪造型，這為后續(xù)的數(shù)控加工提供了有力的保證。 4 基于 UG 的整體葉輪數(shù)控編程 整體葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，它的加工成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是由于整體葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其數(shù)控加工技術(shù)一直是 制造行業(yè)的難點(diǎn)。以典型的 CAD/CAM 軟件 —— UG，編制出深窄槽道、大扭角、變根圓角的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子的五坐標(biāo)加工程序，并在MIKRON HSM400U 五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該整體葉輪數(shù)控加工方案及程序的可行性。 目前國外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專用軟件，主要有美國 NREC 公司的 MAX5， MAXAB 葉輪加工專用軟件，瑞士 Starrag 數(shù)控機(jī)床所帶的整體葉輪加工模塊，還有 Hypermill 等專用的葉輪加工軟件。此外，一些通用的軟件如： UG、CATIA、 PRO/E 等也可用于整體葉輪 加工。目前，國內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)（如：西北工業(yè)大學(xué)等院校和航空航天系統(tǒng)一些發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)廠、專業(yè)所）可以加工整體葉輪，而且工藝水平距國際先進(jìn)水平尚有很大差距?？傮w上我國葉輪加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用同發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，很多企業(yè)的軟、硬件都依靠進(jìn)口，自主版權(quán)的軟件在生產(chǎn)中未見推廣應(yīng)用，在窄槽道、小輪轂比等高性能葉輪制造技術(shù)方面尚未過關(guān)，因此研究高性能葉輪的加工技術(shù)勢(shì)在必行。 CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件，然后車削成為葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀，在五軸數(shù)控加工中心上使輪轂 與葉片在一個(gè)毛坯上一次加工完成，它可以滿足壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)品強(qiáng)度要求，曲面誤差小，動(dòng)平衡時(shí)去質(zhì)量較少，因此是較理想的加工方法。五軸數(shù)控加工技術(shù)的成熟使這種原來需要手工制造的零件，可以通過整體加工制造出來。采用數(shù)控加工方法加工整體葉輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 [2]如圖 41 圖 41的 CAD/CAM 結(jié)構(gòu)圖 微型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn) 國內(nèi)大多數(shù)整體葉輪都是根據(jù)國外葉輪縮比仿制的，而本文研究的葉輪是北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院自主開發(fā)的微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子出口直徑為 89mm，有 8片一級(jí)葉片， 8片二級(jí)葉片，出口葉片高度 3mm，葉輪進(jìn)口直徑 ，進(jìn)口葉片高度 ，葉片厚度最薄處 ，相鄰葉片間最小間距為 ，如圖 42 圖 4— 2壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪 為 了使氣動(dòng)性設(shè)計(jì)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用了大扭角，根部 圓角等結(jié)構(gòu)，給加工提出了很高的要求。轉(zhuǎn)子加工難度如下： （ 1） 國 際上同等直徑 81mm 的整體葉輪通常有 12片葉片或 14片葉片，而此轉(zhuǎn)子有 16 片葉片，而且它的二級(jí)葉片也較長，這些都使加工槽道進(jìn)一步變窄，加工難度進(jìn) （ 2） 在刀具直徑為 情況下，剛性差，容易斷，控制切削深度也是關(guān)鍵。 （ 3） 此葉輪曲面為自由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重，并且有后仰的趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。有時(shí)為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此保證加工表面的一致性也有一定困難。 （ 4） 前緣圓角曲率半徑變化很大，加工過程中機(jī)床角度變化較大，并且實(shí)現(xiàn)環(huán)繞葉片加工較難； （ 5） 由于葉輪強(qiáng)度的需要，輪轂與葉片之間還采用變圓角。由于槽道窄，葉片高，變圓角的加工也是個(gè)難點(diǎn)。 總之，此葉輪的窄槽道、大扭角、變圓角給加工帶來了很大困難，國內(nèi)還未見有加 工出此種高難度的整體葉輪。 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的 仿真 加工工藝方案 葉輪整體加工采用輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上進(jìn)行成形加工，而不采用葉片加工成形后焊接在輪轂上的工藝方法。其加工工藝方案如下： （ 1） 為了提高整體葉輪的強(qiáng)度，毛坯一般采用鍛壓件，然后進(jìn)行基準(zhǔn)面的車削加工，加工出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯如圖 43所示。 圖 43 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子毛培 （ 2） 葉輪氣流通道的開槽加工 開槽加工槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，采用平底錐柄棒銑刀平行于氣流通道走刀，并保證槽底與輪轂表面留有一定的加工余量，如 圖 44所示。 圖 44葉輪路氣流通道加工 其中平底錐柄棒銑刀為硬質(zhì)合金刀具，其規(guī)格為：平底部分直徑為： 3mm，半錐角為 2176。 ，刀具柄部直徑為： 6mm，帶錐部分長度為： 20mm。 此步選用的主軸轉(zhuǎn)速為： 10000r/min，進(jìn)給速度為： 800mm/min。在數(shù)控機(jī)床的控制面板上一般備有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度修調(diào)（倍率）開關(guān)，可在加工過程中根據(jù)實(shí)際加工情況對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)整。 （ 3） 葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工及葉片的粗加工 擴(kuò)槽加工采用球形錐柄棒銑刀，從開槽位置開始，從中心向外緣往兩邊葉片擴(kuò) 槽，擴(kuò)槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下，擴(kuò)槽加工與精銑輪轂表面在一次加工完成。由于此葉輪槽道窄、葉片高、扭曲嚴(yán)重，且 UG 數(shù)控加工編程需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)面來決定切削區(qū)域，因此擴(kuò)槽加工需要分兩部分來加工。 第一部分：選擇驅(qū)動(dòng)面為輪轂面，進(jìn)行擴(kuò)槽。此時(shí)不能加工到輪轂表面，還需進(jìn)一步擴(kuò)槽加工； 第二部分：進(jìn)一步擴(kuò)槽及葉片粗加工。選擇驅(qū)動(dòng)面為葉片表面的偏置面，在葉片粗加工的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)槽。 其中球形錐柄棒銑刀為硬質(zhì)合金刀具，其規(guī)格為：球頭部分直徑為： 3mm，半錐角為 2176。 ，刀具柄部直徑為： 6mm，帶錐 部分長度為： 20mm。此步選用的主軸轉(zhuǎn)速為： 20210r/min，進(jìn)給速度為： 3000mm/min。 （ 4） 葉片、輪轂的精加工 在均勻余量下進(jìn)行的精加工，保證了良好的表面加工質(zhì)量，采用球頭銑刀精加工，因?yàn)橄噜徣~片間最小間距為 ，且葉片最深處為 ，考慮到干涉，轉(zhuǎn)子精加工刀具采用瑞士 Fraisa 公司的直徑 的球頭棒銑刀，刀具避空位為20mm。加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速為： 260000r/min，進(jìn)給速度為： 5000mm/min。 （ 5） 變圓角精加工 大、小葉片的左側(cè)為變圓角，圓 角半徑從葉片前緣到尾緣為 到 到 線性變化。其中最大圓角發(fā)生在靠近尾緣 22％處。葉片右側(cè)為常數(shù)圓角。變圓角可以通過一次走刀加工完成，這時(shí)刀具球頭部分的半徑至大為變圓角的最小半徑。選擇的刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，同葉片、輪轂的精加工。 以上程序都要經(jīng)過分度、旋轉(zhuǎn)，加工完全部的輪轂或葉片再執(zhí)行下一個(gè)程序，保證應(yīng)力均勻釋放，減少加工變形誤差。 的數(shù)控程序編制 用 UG 加工壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的流程圖 用 UG進(jìn)行轉(zhuǎn)子數(shù)控編程時(shí)，通常以如圖 5所示的流程圖為引導(dǎo)， 用以創(chuàng)建各操作的刀位軌跡，并貫穿加工的整個(gè)過程。 圖 45 UG 加工流程圖 數(shù)控程序編制 建立父節(jié)點(diǎn)組 （ 1） 在刀具節(jié)點(diǎn)下，加入加工用到的所有刀具，并設(shè)置其刀具參數(shù)； （ 2） 在幾何節(jié)點(diǎn)下，選擇毛坯、設(shè)置加工坐標(biāo)系、選擇避讓幾何為轉(zhuǎn)子實(shí)體； （ 3） 在方法節(jié)點(diǎn)下，設(shè)置粗、半精、精加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率及刀位軌跡的顯示顏色。 葉輪氣流通道的開槽加工 抽取流道曲面， U、 V 參數(shù)線如圖 46（ a）所示。因?yàn)槿~輪通道的加工需要沿氣流方向，所以重新排列流道 的 U、 V參數(shù)線，使 U參數(shù)或 V參數(shù)線沿氣流方向。因?yàn)榇肆鞯狼娴奶厥庑裕匦抡{(diào)整 U、 V 參數(shù)后，流道面分成了三片曲面。重新排列后的 V參數(shù)線如圖 46（ b）所示，是沿氣流方向的。 流道前端曲面（如圖 46(b)中的 1面）的加工 。 圖 46(a) 原流道曲面的 U、 V 參數(shù)曲線 圖 46（ b）調(diào)整后的曲面 U 參數(shù) 采用可變軸曲面輪廓銑（ Variable Contour），加工深度越深，干涉越嚴(yán)重，采用一種刀軸控制方式不一定合適，因此分成兩種刀軸控制方式進(jìn)行。一種為：Normal to Drive（用于上半層 加工），一種為： Toward Point（用于下半層加工）。 加工上半層，程序的參數(shù)設(shè)置如下： (1）驅(qū)動(dòng)方法（ Drive Method）采用 Surface Area； (2）驅(qū)動(dòng)幾何選用流道前端