基于UG8.0的槳葉式葉片構(gòu)型與加工工藝研究

孫見龍，張甲龍，于凱杰，孫國(guó)智

SUN Jian-long, ZHANG Jia-long, YU Kai-jie, SUN Guo-zhi

（北華航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，廊坊 065000）

0 引言

UG軟件是一個(gè)集成了CAD/CAE/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析、制造）的系統(tǒng)軟件，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域，成為工程設(shè)計(jì)人員非常有用工具，幫助技術(shù)人員高效地完成問題分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、繪制工程圖以及數(shù)控編程加工等操作。采用計(jì)算機(jī)輔助制造零件、部件，可提高對(duì)產(chǎn)品對(duì)需求多變的適應(yīng)能力，縮短設(shè)計(jì)和制造周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

淺海區(qū)域的漲潮與退潮會(huì)引起較強(qiáng)的潮流，潮流發(fā)電機(jī)就是利用潮流的涌動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電裝置運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量。槳葉式潮流發(fā)電機(jī)需要用葉片將流動(dòng)的潮流能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，因此葉片成了槳葉式潮流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)槳葉式潮流發(fā)電機(jī)葉片廠家不多,大多選用的材料為防腐蝕金屬材料（如防銹鋁合金）。槳葉式潮流發(fā)電機(jī)的葉片是一個(gè)不規(guī)則的三維曲面，很難找到明確的定位基準(zhǔn)，因此使得找正比較困難。同時(shí)槳葉式潮流發(fā)電機(jī)葉片對(duì)加工后的輪廓精度和表面粗糙度要求較高。由于其葉身較長(zhǎng)、葉片壁薄，給加工帶來一定難度，所以合理的加工工藝成了加工葉片的難點(diǎn)[2～5]。

1 葉片造型

1.1 NURBS曲線理論

NURBS（Non Uniform Rational B-spline）曲線通常稱為非均勻有理B樣條曲線，其數(shù)學(xué)定義如下：

式中，P(K)為曲線上的位置向量；Ni,m(K)為m次樣條基函數(shù)。

式中：Pi為控制點(diǎn)；Ri為全因子；K為節(jié)點(diǎn)矢量。

NURBS樣條函數(shù)的參數(shù)節(jié)點(diǎn)沿參數(shù)軸的分布間距不等，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的不同使得節(jié)點(diǎn)矢量決定的B樣條基函數(shù)也不相同，因此需要單獨(dú)計(jì)算。此外，算法中的全因子使得在計(jì)算曲線軌跡點(diǎn)時(shí)變得復(fù)雜，因此要想實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線插補(bǔ)功能，應(yīng)在插補(bǔ)之前進(jìn)行預(yù)處理，確定計(jì)算曲線軌跡時(shí)相應(yīng)的系數(shù)，以減少實(shí)時(shí)插補(bǔ)的計(jì)算量。

若NURBS曲線采用三次形式表示，即K=3，則第i段曲線可以寫成下列矩陣形式：

整理得：

在式（3）中的控制點(diǎn)和全因子均是已知的，與節(jié)點(diǎn)向量有關(guān)的Mi也可以確定，這樣也就確定了與Mi、Wi、di有關(guān)的Ci，因此可一次求出與參數(shù)無關(guān)的插補(bǔ)點(diǎn)。在計(jì)算整條NURBS曲線時(shí)，i的取值從3取到n，可計(jì)算出n-2組系數(shù)，在插補(bǔ)過程中可以根據(jù)插補(bǔ)點(diǎn)的位置選擇相應(yīng)的系數(shù)。

對(duì)于曲線上坐標(biāo)X、Y、Z分別有：

其中，t∈ [0,1],i=3,4,···,n。

1.2 葉片造型

1）保存截面的插值點(diǎn)。共計(jì)算15個(gè)橫截面，每個(gè)截面選取51個(gè)插值點(diǎn)，這些點(diǎn)是用于描述葉片的截面形狀，將其值按照x，y，z的順序輸入到文本文件，并保存成.dat格式，如圖1所示。

2）由點(diǎn)擬合成曲線。在UG建模環(huán)境下，選擇【插入】中的【曲線】，然后選擇【擬合樣條】，輸入dat數(shù)據(jù)文件，即可生成一條截面曲線，同樣步驟生成其他界面曲線，如圖2、圖3所示。

3）創(chuàng)建曲面。在UG找到【網(wǎng)格曲面】選項(xiàng)卡，用【通過曲線組】命令將各截面曲線連成曲面。

4）創(chuàng)建實(shí)體。利用【縫合】命令將剛生成的片體進(jìn)行縫合，這樣就把片體轉(zhuǎn)化成了實(shí)體，然后創(chuàng)建其它特征，創(chuàng)建成完整葉片，如圖4所示。

圖1 部分插值點(diǎn)坐標(biāo)

圖2 擬合的某截面曲線

圖3 表面曲線組

圖4 葉片實(shí)體模型

2 槳葉式潮流發(fā)電機(jī)葉片加工工藝分析

2.1 加工工藝分析

目前，槳葉式潮流發(fā)電機(jī)葉片處于研發(fā)階段，沒有固定加工工藝。四軸或五軸加工中心可以加工出復(fù)雜曲面的葉片或渦輪，但對(duì)于這種長(zhǎng)且薄壁的葉片并不適合，同時(shí)會(huì)在加工葉片較薄部分時(shí)出現(xiàn)顫刀現(xiàn)象。因此，在綜合考慮下，本文結(jié)合UG8.0加工編程，提供了一種加工方法，采用三軸銑削，即在三軸加工中心上，先將毛坯固定在工作臺(tái)上，銑出一面，然后把將其翻轉(zhuǎn)放入胎具，既保證翻轉(zhuǎn)后方便找正位置，也減少了在加工時(shí)的顫刀。

為了保證葉片的加工精度，要注意加工不同曲面選用不同的走刀方式，同時(shí)，要控制好走刀路徑的銜接。總體加工路線遵循由粗至精的加工原則，定制如下編制流程：用三軸型腔銑的方式粗加工出葉片的基本外形，切削量大，減少加工時(shí)間，用固定軸輪廓銑方式精加工各個(gè)曲面，獲得最后形狀，最后用等高輪廓銑的方式精加工出其余陡峭部分。

2.2 葉片的裝卡找正

通過對(duì)槳葉式潮流發(fā)電機(jī)葉片的形狀特點(diǎn)的分析，要想順利加工出這種葉片首先要加工出專門的胎具，如圖5所示。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

1）胎具強(qiáng)度要保證，葉片的重量不大，但在加工時(shí)機(jī)床會(huì)產(chǎn)生軸向壓力，使得胎具變形，影響加工精度。

2）在加工時(shí)葉片應(yīng)與胎具緊密貼合，不應(yīng)錯(cuò)位，避免薄壁處的顫動(dòng)，支承位置必需保證葉片重心擺放穩(wěn)定確保不發(fā)生大的變形。

3）胎具大小要適合，防止刀具銑削到卡具。

4）胎具裝卡要準(zhǔn)確、方便，減少不必要的調(diào)整和校正時(shí)間[7]。

葉片的裝卡和找正是保證葉片的加工質(zhì)量的一項(xiàng)重要工作，需要引起足夠的重視。

圖5 夾具模型

3 加工程序編寫

3.1 型腔銑粗加工程序

圖6 程序流程圖

型腔銑粗加工可以最大限度去除毛坯余量獲得目標(biāo)零件形狀，為零件的后續(xù)加工做準(zhǔn)備。首先是加工坐標(biāo)系的建立，選定安全平面，保證刀具在Z軸方向。刀具的運(yùn)動(dòng)方式選擇跟隨周邊，這種方式可以長(zhǎng)生沿工件外輪廓的同心路徑，減少抬刀次數(shù)，快速地加工出工件的外形。將刀軸方向設(shè)為Z方向。刀具選擇直徑為Ф10mm的平頭銑刀。進(jìn)行粗加工時(shí)，設(shè)置為1mm。在切削參數(shù)項(xiàng)中，將底部余量設(shè)為0.25mm，側(cè)壁余量設(shè)為0.1mm。再設(shè)置其他選項(xiàng)，點(diǎn)擊生成刀具路徑，如圖8所示。

3.2 固定軸曲面輪廓銑加工程序。

圖7 進(jìn)刀的各參數(shù)設(shè)置圖

圖8 生成刀具路徑

固定軸曲面輪廓銑是一種用于精加工輪廓曲面的方法，它通過控制刀軸和投影矢量來加工復(fù)雜曲面。這種曲面銑削方法提供了多種驅(qū)動(dòng)方式，如“曲線/點(diǎn)驅(qū)動(dòng)”、“區(qū)域銑削驅(qū)動(dòng)”、“表面積驅(qū)動(dòng)”等。在確定采用何種驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，要根據(jù)被加工零件的形狀和復(fù)雜程度等因素進(jìn)行選擇。結(jié)合葉片的形狀特點(diǎn)，在此選擇“區(qū)域銑削驅(qū)動(dòng)”。“區(qū)域銑削驅(qū)動(dòng)”方式是通過指定一個(gè)切削區(qū)域來生成刀具軌跡。切削模式有多種方式如“往復(fù)”、“單向”、“跟隨周邊”等16種，不同的切削模式會(huì)產(chǎn)生不同的刀路。通過圖9和圖10比較可以看出，采用“跟隨周邊”的切削模式產(chǎn)生的刀路軌跡要優(yōu)于采用“往復(fù)”的切削模式。

圖9 采用跟隨周邊的切削模式

圖10 采用往復(fù)的切削模式

4 程序模擬仿真與后置處理

加工路徑的三維仿真是CAM編程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。UG8.0軟件綜合仿真與校驗(yàn)的功能比較強(qiáng)大，包含了機(jī)床控制器、刀具和加工零件在內(nèi)的綜合性的仿真與檢驗(yàn)過程，它能夠解決加工過程中機(jī)床、工件和夾具3者之間的干涉問題。讓編程人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中可能存在的錯(cuò)誤，如刀具是否過切，加工順序是否和設(shè)計(jì)的一致，做到早發(fā)現(xiàn)，早解決，避免造成不必要的損失。

操作步驟：在幾何視圖下，雙擊程序選項(xiàng)，出現(xiàn)程序編輯對(duì)話框，在對(duì)話框最下面有【生成刀軌】按鈕，點(diǎn)擊后，選擇【導(dǎo)軌可視化】按鈕，然后選擇【3D動(dòng)態(tài)】選項(xiàng)卡，再點(diǎn)擊播放，在這里需要設(shè)定毛坯幾何尺寸。設(shè)置完后，即可以在視圖窗口看到模擬仿真的過程。在3D仿真狀態(tài)下，不同的刀具路徑用不同的顏色顯示，這就使得程序驗(yàn)證更直觀。

表1 在UG 環(huán)境下進(jìn)行葉片加工編程方法

圖11 仿真過程

編好的程序并不能直接被機(jī)床識(shí)別，而需要后處理器將其生成代碼。現(xiàn)在最常見的操作系統(tǒng)有：FANUC數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)、三菱數(shù)控系統(tǒng)等。因此，在生成程序代碼前，應(yīng)根據(jù)機(jī)床系統(tǒng)選用合適的后處理器，避免出現(xiàn)機(jī)床無法識(shí)別程序代碼的問題。同時(shí)，UG8.0還提供了用戶個(gè)性化模塊功能，用戶可以根據(jù)需要自行編制。

后置處理具體操作步驟如圖12、圖13所示。

圖13 部分NC代碼

5 結(jié)論

仿真驗(yàn)證保證正確后，就可以將NC代碼通過串行通訊接口傳送到加工中心的控制系統(tǒng)里，這樣就可以進(jìn)行實(shí)體加工。通過葉片加工實(shí)例表明，加工出來的葉片表面粗糙度小，輪廓清晰，精度較高，符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 加工后零件

本文通過應(yīng)用NX UG8.0軟件中CAM模塊完成了對(duì)潮流發(fā)電機(jī)葉片三軸加工的數(shù)控編程，展示了UG在自動(dòng)編程模塊的強(qiáng)大功能。在確保葉片加工精度的前提下，為葉片類零件的制造提供了一種加工方法。

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