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摘要：整体叶轮是能源动力、航空航天、石油化工等行业广泛使用的关键零件，也是一类典型的难加工零件。本文以UG软件为背景，提出了一套从叶轮造型到应用五轴数控加工技术对其进行加工的数控加工方案，希望对叶轮的设计制造工作能够有所借鉴。
关键词：叶轮，复杂曲面，三维造型，五轴数控加工
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00
1前言
叶轮是由复杂空间曲面构成的非常有代表性的典型零件，具有结构复杂、种类繁多、设计周期长、加工工作量大的特点，它可以被认作是很多机械的“心脏”，其造型质量和加工方案的选取将会对机械的使用性能和效率造成直接影响。UG软件是西门子公司旗下的一个集CAD/CAM为一体的三维机械设计平台，它对曲面曲线的造型有着一套成熟完整的方法和理论体系，并且因为其还具有功能强大的加工制造模块，能够对已建立的叶轮CAD模型作加工工艺分析，并通过后处理程序直接生成加工代码，是同类软件中的佼佼者。因此，本文采用UG 平台对叶轮的造型及加工技术进行分析。
2叶轮的CAD/CAM系统方案
为了保证整体叶轮的强度，使加工得到的叶面曲面误差较小，宜采用整体铣削加工的方法。整体铣削加工的步骤为：（1）将锻压好的毛坯件车削成叶轮回转体的基本形状；（2）用五轴数控加工中心在毛坯上一次性完成对轮毂和叶片的加工。
近年来，伴随着CAD/CAE/CAM一体化技术的发展以及五轴数控加工设备的普及，传统的依靠手工对叶轮进行加工的方法已经遭到淘汰，而采用CAD/CAM系统的叶轮整体加工方案已经得到了广泛地应用。整体叶轮的 CAD/CAM 系统方案如图1。
图1 整体叶轮的CAD/CAM系统方案
3叶轮的三维造型
3.1叶片数据的获取
现阶段获取叶片数据的方法主包括测量现成叶片和理论计算两种类型。前者主要应用于逆向工程领域，一般是利用CMM（三坐标测量机）或激光扫描仪对现成叶轮进行测量，生成iges等通用格式的数据文件，然后将这些文件导入UG中进行模型建立；后者主要通过有限元分析和流体力学的原理来完成对叶片数据的计算。本文的叶片数据是采用理论计算得到的。
将计算或采集到的数据点的三维坐标输入到UG软件中，然后利用UG软件的自由曲面功能，先将这些点拟合生产光滑、准确的闭合曲线，再通过这些曲线生产高质的曲面。
3.2叶片造型
叶片的基元线不同，则叶片的造型方法通常也不同。对于叶片基元线是平面曲线的情况而言，选取已经拟合建立的样条曲线串后，直接通过UG的“通过曲线”命令即可得到叶片实体；而对于叶片基元线是空间曲线的情况而言，一般先是通过曲线串生成片体，然后再通过UG的“缝合”命令生产最终的叶片实体。
3.3轮毂造型
对于轮毂造型，UG软件提供了两种方式：（1）直接利用UG的实体造型功能进行轮毂造型，这种方式的优点是个体零件的特征信息较少，利于系统存储；（2）建立草图，然后对草图执行回转操作，这种方式的优点是便于参数化。考虑到方便编辑和修改，建议采用第二种方式。
3.4建立整体叶轮
在完成单个叶片和轮毂的造型后，我们要建立整个叶轮的CAD模型，建立步骤如下：（1）因为叶片是沿圆周均布的，所以需要根据叶片的数量确定叶片沿圆周分布的角度，然后再通过UG的“复制”命令将每个叶片复制到位；（2）当所有叶片建立完毕后，需要对它们和轮毂执行“布尔和”操作，将它们组合成一个实体，从而完成叶轮的三维造型工作（如图2所示）。
图2 某叶轮的CAD模型
3.5光顺曲线
实际工作中，生成叶片的曲线和曲面可能存在一些不需要的拐点，即出现不光滑的凹凸现象。因此，为了保证叶片的后续加工质量，我们有必要利用UG软件的曲线分析工具对叶片的曲线和曲面进行光顺检查，并通过UG软件中的“光顺曲线”命令来完成对不光顺情况的处理。
4叶轮的五轴数控加工流程
（1）锻压毛坯：毛坯采用高强度的锻压件，并车削加工出叶轮回转体的基本形状。
（2）叶轮的气流通道加工：在气流通道的中间位置设置开槽加工槽，铣刀应沿平行于气流通道的方向进行走刀。具体加工时，槽底与轮毂表面要留有一定的加工余量。
（3）叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加工：经过上一个程序后，叶轮的气流通道仅剩小部分余量，但为了提高最终的表面加工质量，有必要在精加工前进行扩槽和叶片粗加工。此时叶片的粗加工过程要保证叶型留有一定的精加工余量，且这个余量应尽可能的均匀。通常来说，轮毂的表面精铣也可以在此过程中一并完成。
（4）叶片、轮毂的精加工：在一定均匀余量下进行叶片、轮毂的精加工。为保证良好的表面加工质量，刀具宜采用球头铣刀。
为保证应力释放均匀，并最大限度的减少加工过程中带来的变形误差，以上加工程序都应经过分度和旋转，且在轮毂和叶片没有全部加工完时，不应进入下一个程序。图3和图4是对叶片和轮毂的五轴数控加工仿真过程。
图3 叶片的加工仿真
图4 轮毂的加工仿真
为提高叶轮的加工质量，在进行五轴数控加工编程时，需要根据叶轮的CAD模型选择合理的驱动面和进退刀方式。
5结语
作为一款功能强大的三维设计平台，UG以复杂曲面造型和数控加工见长，能够比较完美地完成对整体叶轮的三维造型。但它作为一款通用的CAD/CAM软件，在应用UG软件对整体叶轮进行五轴加工的数控编程时，还是需要设置一些辅助的点、线和面，且在实际应用过程中往往需要对刀位轨迹进行反复调整，这还需要我们作进一步的研究。
参考文献
[1] 曾志迎.复杂曲面的五坐标数控加工关键技术研究[D].太原科技大学硕士学位论文，2012
[2] 刘殿海.基于UG的不规则曲面运动轨迹生成研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2012
[3] 李俊涛，吴让利.基于UG？NX6.0的整体叶轮数控加工仿真研究[J].陕西国防工业职业技术学院学报，2011，21 （2） ：45-47
[4] 阎长罡，贾国高.基于UG NX4.0的整体叶轮曲面造型设[J].大连交通大学学报，2009， 30（5） ：6-10
关键词：叶轮，复杂曲面，三维造型，五轴数控加工
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00
1前言
叶轮是由复杂空间曲面构成的非常有代表性的典型零件，具有结构复杂、种类繁多、设计周期长、加工工作量大的特点，它可以被认作是很多机械的“心脏”，其造型质量和加工方案的选取将会对机械的使用性能和效率造成直接影响。UG软件是西门子公司旗下的一个集CAD/CAM为一体的三维机械设计平台，它对曲面曲线的造型有着一套成熟完整的方法和理论体系，并且因为其还具有功能强大的加工制造模块，能够对已建立的叶轮CAD模型作加工工艺分析，并通过后处理程序直接生成加工代码，是同类软件中的佼佼者。因此，本文采用UG 平台对叶轮的造型及加工技术进行分析。
2叶轮的CAD/CAM系统方案
为了保证整体叶轮的强度，使加工得到的叶面曲面误差较小，宜采用整体铣削加工的方法。整体铣削加工的步骤为：（1）将锻压好的毛坯件车削成叶轮回转体的基本形状；（2）用五轴数控加工中心在毛坯上一次性完成对轮毂和叶片的加工。
近年来，伴随着CAD/CAE/CAM一体化技术的发展以及五轴数控加工设备的普及，传统的依靠手工对叶轮进行加工的方法已经遭到淘汰，而采用CAD/CAM系统的叶轮整体加工方案已经得到了广泛地应用。整体叶轮的 CAD/CAM 系统方案如图1。
图1 整体叶轮的CAD/CAM系统方案
3叶轮的三维造型
3.1叶片数据的获取
现阶段获取叶片数据的方法主包括测量现成叶片和理论计算两种类型。前者主要应用于逆向工程领域，一般是利用CMM（三坐标测量机）或激光扫描仪对现成叶轮进行测量，生成iges等通用格式的数据文件，然后将这些文件导入UG中进行模型建立；后者主要通过有限元分析和流体力学的原理来完成对叶片数据的计算。本文的叶片数据是采用理论计算得到的。
将计算或采集到的数据点的三维坐标输入到UG软件中，然后利用UG软件的自由曲面功能，先将这些点拟合生产光滑、准确的闭合曲线，再通过这些曲线生产高质的曲面。
3.2叶片造型
叶片的基元线不同，则叶片的造型方法通常也不同。对于叶片基元线是平面曲线的情况而言，选取已经拟合建立的样条曲线串后，直接通过UG的“通过曲线”命令即可得到叶片实体；而对于叶片基元线是空间曲线的情况而言，一般先是通过曲线串生成片体，然后再通过UG的“缝合”命令生产最终的叶片实体。
3.3轮毂造型
对于轮毂造型，UG软件提供了两种方式：（1）直接利用UG的实体造型功能进行轮毂造型，这种方式的优点是个体零件的特征信息较少，利于系统存储；（2）建立草图，然后对草图执行回转操作，这种方式的优点是便于参数化。考虑到方便编辑和修改，建议采用第二种方式。
3.4建立整体叶轮
在完成单个叶片和轮毂的造型后，我们要建立整个叶轮的CAD模型，建立步骤如下：（1）因为叶片是沿圆周均布的，所以需要根据叶片的数量确定叶片沿圆周分布的角度，然后再通过UG的“复制”命令将每个叶片复制到位；（2）当所有叶片建立完毕后，需要对它们和轮毂执行“布尔和”操作，将它们组合成一个实体，从而完成叶轮的三维造型工作（如图2所示）。
图2 某叶轮的CAD模型
3.5光顺曲线
实际工作中，生成叶片的曲线和曲面可能存在一些不需要的拐点，即出现不光滑的凹凸现象。因此，为了保证叶片的后续加工质量，我们有必要利用UG软件的曲线分析工具对叶片的曲线和曲面进行光顺检查，并通过UG软件中的“光顺曲线”命令来完成对不光顺情况的处理。
4叶轮的五轴数控加工流程
（1）锻压毛坯：毛坯采用高强度的锻压件，并车削加工出叶轮回转体的基本形状。
（2）叶轮的气流通道加工：在气流通道的中间位置设置开槽加工槽，铣刀应沿平行于气流通道的方向进行走刀。具体加工时，槽底与轮毂表面要留有一定的加工余量。
（3）叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加工：经过上一个程序后，叶轮的气流通道仅剩小部分余量，但为了提高最终的表面加工质量，有必要在精加工前进行扩槽和叶片粗加工。此时叶片的粗加工过程要保证叶型留有一定的精加工余量，且这个余量应尽可能的均匀。通常来说，轮毂的表面精铣也可以在此过程中一并完成。
（4）叶片、轮毂的精加工：在一定均匀余量下进行叶片、轮毂的精加工。为保证良好的表面加工质量，刀具宜采用球头铣刀。
为保证应力释放均匀，并最大限度的减少加工过程中带来的变形误差，以上加工程序都应经过分度和旋转，且在轮毂和叶片没有全部加工完时，不应进入下一个程序。图3和图4是对叶片和轮毂的五轴数控加工仿真过程。
图3 叶片的加工仿真
图4 轮毂的加工仿真
为提高叶轮的加工质量，在进行五轴数控加工编程时，需要根据叶轮的CAD模型选择合理的驱动面和进退刀方式。
5结语
作为一款功能强大的三维设计平台，UG以复杂曲面造型和数控加工见长，能够比较完美地完成对整体叶轮的三维造型。但它作为一款通用的CAD/CAM软件，在应用UG软件对整体叶轮进行五轴加工的数控编程时，还是需要设置一些辅助的点、线和面，且在实际应用过程中往往需要对刀位轨迹进行反复调整，这还需要我们作进一步的研究。
参考文献
[1] 曾志迎.复杂曲面的五坐标数控加工关键技术研究[D].太原科技大学硕士学位论文，2012
[2] 刘殿海.基于UG的不规则曲面运动轨迹生成研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文，2012
[3] 李俊涛，吴让利.基于UG？NX6.0的整体叶轮数控加工仿真研究[J].陕西国防工业职业技术学院学报，2011，21 （2） ：45-47
[4] 阎长罡，贾国高.基于UG NX4.0的整体叶轮曲面造型设[J].大连交通大学学报，2009， 30（5） ：6-10