基于UG8.0的槳葉式葉片構型與加工工藝研究

孫見龍，張甲龍，于凱杰，孫國智

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

（北華航天工業學院 機械工程系，廊坊 065000）

0 引言

UG軟件是一個集成了CAD/CAE/CAM（計算機輔助設計、分析、制造）的系統軟件，被廣泛地應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業領域，成為工程設計人員非常有用工具，幫助技術人員高效地完成問題分析、產品設計、繪制工程圖以及數控編程加工等操作。采用計算機輔助制造零件、部件，可提高對產品對需求多變的適應能力，縮短設計和制造周期，降低成本，提高產品質量[1]。

淺海區域的漲潮與退潮會引起較強的潮流，潮流發電機就是利用潮流的涌動帶動發電裝置運轉產生能量。槳葉式潮流發電機需要用葉片將流動的潮流能轉化為發電機轉動的動能，因此葉片成了槳葉式潮流發電機的關鍵部件，是保證機組正常穩定運行的重要因素。現在國內生產槳葉式潮流發電機葉片廠家不多,大多選用的材料為防腐蝕金屬材料（如防銹鋁合金）。槳葉式潮流發電機的葉片是一個不規則的三維曲面，很難找到明確的定位基準，因此使得找正比較困難。同時槳葉式潮流發電機葉片對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、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[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，其數學定義如下：

式中，P(K)為曲線上的位置向量；Ni,m(K)為m次樣條基函數。

式中：Pi為控制點；Ri為全因子；K為節點矢量。

NURBS樣條函數的參數節點沿參數軸的分布間距不等，同時節點的不同使得節點矢量決定的B樣條基函數也不相同，因此需要單獨計算。此外，算法中的全因子使得在計算曲線軌跡點時變得復雜，因此要想實現實時曲線插補功能，應在插補之前進行預處理，確定計算曲線軌跡時相應的系數，以減少實時插補的計算量。

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）中的控制點和全因子均是已知的，與節點向量有關的Mi也可以確定，這樣也就確定了與Mi、Wi、di有關的Ci，因此可一次求出與參數無關的插補點。在計算整條NURBS曲線時，i的取值從3取到n，可計算出n-2組系數，在插補過程中可以根據插補點的位置選擇相應的系數。

對于曲線上坐標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。共計算15個橫截面，每個截面選取51個插值點，這些點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）由點擬合成曲線。在UG建模環境下，選擇【插入】中的【曲線】，然后選擇【擬合樣條】，輸入dat數據文件，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）創建曲面。在UG找到【網格曲面】選項卡，用【通過曲線組】命令將各截面曲線連成曲面。

4）創建實體。利用【縫合】命令將剛生成的片體進行縫合，這樣就把片體轉化成了實體，然后創建其它特征，創建成完整葉片，如圖4所示。

圖1 部分插值點坐標

圖2 擬合的某截面曲線

圖3 表面曲線組

圖4 葉片實體模型

2 槳葉式潮流發電機葉片加工工藝分析

2.1 加工工藝分析

目前，槳葉式潮流發電機葉片處于研發階段，沒有固定加工工藝。四軸或五軸加工中心可以加工出復雜曲面的葉片或渦輪，但對于這種長且薄壁的葉片并不適合，同時會在加工葉片較薄部分時出現顫刀現象。因此，在綜合考慮下，本文結合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上，銑出一面，然后把將其翻轉放入胎具，既保證翻轉后方便找正位置，也減少了在加工時的顫刀。

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，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，減少加工時間，用固定軸輪廓銑方式精加工各個曲面，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

通過對槳葉式潮流發電機葉片的形狀特點的分析，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。設計時應遵循以下原則：

1）胎具強度要保證，葉片的重量不大，但在加工時機床會產生軸向壓力，使得胎具變形，影響加工精度。

2）在加工時葉片應與胎具緊密貼合，不應錯位，避免薄壁處的顫動，支承位置必需保證葉片重心擺放穩定確保不發生大的變形。

3）胎具大小要適合，防止刀具銑削到卡具。

4）胎具裝卡要準確、方便，減少不必要的調整和校正時間[7]。

葉片的裝卡和找正是保證葉片的加工質量的一項重要工作，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零件形狀，為零件的后續加工做準備。首先是加工坐標系的建立，選定安全平面，保證刀具在Z軸方向。刀具的運動方式選擇跟隨周邊，這種方式可以長生沿工件外輪廓的同心路徑，減少抬刀次數，快速地加工出工件的外形。將刀軸方向設為Z方向。刀具選擇直徑為Ф10mm的平頭銑刀。進行粗加工時，設置為1mm。在切削參數項中，將底部余量設為0.25mm，側壁余量設為0.1mm。再設置其他選項，點擊生成刀具路徑，如圖8所示。

3.2 固定軸曲面輪廓銑加工程序。

圖7 進刀的各參數設置圖

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雜曲面。這種曲面銑削方法提供了多種驅動方式，如“曲線/點驅動”、“區域銑削驅動”、“表面積驅動”等。在確定采用何種驅動方式時，要根據被加工零件的形狀和復雜程度等因素進行選擇。結合葉片的形狀特點，在此選擇“區域銑削驅動”。“區域銑削驅動”方式是通過指定一個切削區域來生成刀具軌跡。切削模式有多種方式如“往復”、“單向”、“跟隨周邊”等16種，不同的切削模式會產生不同的刀路。通過圖9和圖10比較可以看出，采用“跟隨周邊”的切削模式產生的刀路軌跡要優于采用“往復”的切削模式。

圖9 采用跟隨周邊的切削模式

圖10 采用往復的切削模式

4 程序模擬仿真與后置處理

加工路徑的三維仿真是CAM編程的一個重要環節。UG8.0軟件綜合仿真與校驗的功能比較強大，包含了機床控制器、刀具和加工零件在內的綜合性的仿真與檢驗過程，它能夠解決加工過程中機床、工件和夾具3者之間的干涉問題。讓編程人員及時發現程序中可能存在的錯誤，如刀具是否過切，加工順序是否和設計的一致，做到早發現，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，出現程序編輯對話框，在對話框最下面有【生成刀軌】按鈕，點擊后，選擇【導軌可視化】按鈕，然后選擇【3D動態】選項卡，再點擊播放，在這里需要設定毛坯幾何尺寸。設置完后，即可以在視圖窗口看到模擬仿真的過程。在3D仿真狀態下，不同的刀具路徑用不同的顏色顯示，這就使得程序驗證更直觀。

表1 在UG 環境下進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床識別，而需要后處理器將其生成代碼。現在最常見的操作系統有：FANUC數控系統、SIEMENS數控系統、華中數控系統、三菱數控系統等。因此，在生成程序代碼前，應根據機床系統選用合適的后處理器，避免出現機床無法識別程序代碼的問題。同時，UG8.0還提供了用戶個性化模塊功能，用戶可以根據需要自行編制。

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 結論

仿真驗證保證正確后，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里，這樣就可以進行實體加工。通過葉片加工實例表明，加工出來的葉片表面粗糙度小，輪廓清晰，精度較高，符合設計要求。

圖14 加工后零件

本文通過應用NX UG8.0軟件中CAM模塊完成了對潮流發電機葉片三軸加工的數控編程，展示了UG在自動編程模塊的強大功能。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。

[1]蔣曄.UG CAM在高速加工中刀具減振的方法[J].CAD/CAM與制造業信化,2009,08:75-77.

[2]徐玲,張勝文,朱成順,方喜峰.船用螺旋槳加工工藝及數控編程技術研究[J].船舶工程,2012,06:47-49,66.

[3]鄧海英.螺旋槳葉輪逆向造型與加工[J].金屬加工(冷加工),2013,22:69-71.

[4]章泳建,潘毅,孟濤,等.汽輪機葉片數控加.

[5]蘇瑩,郭旭偉.基于UG的汽輪機葉片數控加工編程[J].黑龍江科技信息,2007(8).

[6]何芳,楊國軍.水輪機轉輪葉片數控加工工藝的關鍵環節[J].南方機,2008,01:41-42.

[7]楊偉群.數控工藝培訓教程[M].清華大學出版社,2002.

[8]工中CAD 技術的應用[J].機械設計與制造工程,2000,29,4:45-46.

[9]盧彩員,邪龍漢.UG NX8.0數控加工全視頻精講[M].電子工業出版社,2013.