茍建峰

(①西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048; ②四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 德陽 618000)

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誘導(dǎo)輪的逆向建模和數(shù)控加工研究*

茍建峰①②

(①西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048; ②四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 德陽 618000)

針對(duì)某缺少原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)圖紙的誘導(dǎo)輪加工，采用逆向反求技術(shù)實(shí)現(xiàn)其仿制加工的方法。首先采用三坐標(biāo)測(cè)量儀對(duì)該誘導(dǎo)輪的基本外形設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和還原。然后根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用UG軟件分別對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模，刀軌文件以及NC代碼的生成。并通過MAZAK車銑復(fù)合加工機(jī)床IT100進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證。該方法加工的零件不僅完全滿足實(shí)際要求、操作方便，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)也為其他類似零件的加工制造以及對(duì)已有零件進(jìn)行技術(shù)消化、吸收和改進(jìn)提供借鑒方法。

誘導(dǎo)輪;逆向工程;建模;數(shù)控加工

誘導(dǎo)輪是一類形狀特征非常明顯的復(fù)雜曲面零件。在機(jī)械裝備行業(yè)中具有典型的代表性。它被廣泛應(yīng)用于航空航天，冶金，石化，能源和電力工業(yè)等。其傳統(tǒng)的制造方法是先鑄造成型然后拋光。但由于其通常使用的環(huán)境為高溫高壓，因此鑄件的性能往往不能滿足使用要求[5]。五軸聯(lián)動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)靈活，加工的零件不僅尺寸精度高而且機(jī)械性能非常優(yōu)良，因此非常適合該類復(fù)雜零件的加工。

逆向反求工程是通過對(duì)實(shí)物模型的幾何尺寸、特征、材料等屬性進(jìn)行分析，利用激光掃描儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量以獲取零件的三維幾何點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用實(shí)物測(cè)量和曲面造型技術(shù)以及CAD 軟件實(shí)現(xiàn)零件的 CAD 模型重構(gòu)，最終利用CAD/CAM 等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的再制造及改進(jìn)[7-8]。

本文針對(duì)某缺少原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)圖紙的誘導(dǎo)輪加工，采用逆向反求技術(shù)實(shí)現(xiàn)其仿制加工的方法。實(shí)現(xiàn)了該誘導(dǎo)輪的逆向建模、刀路規(guī)劃、NC代碼生成以及實(shí)際數(shù)控加工全過程。最終驗(yàn)證了該方法切實(shí)可行、實(shí)用，在實(shí)際生產(chǎn)中有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1　誘導(dǎo)輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

1.1誘導(dǎo)輪的幾何結(jié)構(gòu)

誘導(dǎo)輪一般由兩部分組成：輪轂曲面及葉片曲面，而葉片曲面通常由三部分組成：吸力曲面、壓力曲面及包覆曲面。輪轂面通常是一圓錐外表面。本文所研究的誘導(dǎo)輪是一個(gè)相比一般葉輪加工難度更大的變螺距誘導(dǎo)輪，其幾何特點(diǎn)為：葉片非常薄，其前端最薄處僅0.2 mm；流道深，流道開口最深處達(dá)17.18 mm：間距小，相鄰葉片的最小間距僅11.87 mm。三維模型如圖1所示。

1.2誘導(dǎo)輪數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量

由于該企業(yè)所維修的誘導(dǎo)輪沒有原始的設(shè)計(jì)圖紙及數(shù)據(jù)。所以首先必須采用三坐標(biāo)測(cè)量儀對(duì)該誘導(dǎo)輪的基本外形設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和還原。本文采用?？怂箍?128 活動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量儀，通過接觸式測(cè)頭對(duì)該誘導(dǎo)輪每隔30°旋轉(zhuǎn)逐點(diǎn)掃描誘導(dǎo)輪零件輪轂及其中一個(gè)葉片表面獲得其表面的點(diǎn)云信息，通過對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)輪緣軸向尺寸滿足以下關(guān)系式：

根據(jù)上式通過計(jì)算以確定出截面型值點(diǎn)數(shù)據(jù)。以繪制出該誘導(dǎo)輪的零件圖，如圖2所示。

2　誘導(dǎo)輪的參數(shù)化建模

依據(jù)誘導(dǎo)輪的零件圖分析其模型主要包括兩部分：輪轂曲面和葉片曲面，而葉片又包括包覆曲面、壓力曲面和吸力曲面3部分。通過對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量的各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，決定分4步完成對(duì)誘導(dǎo)輪建模。

(1)首先完成葉輪輪緣曲面的造型。即進(jìn)入U(xiǎn)G/Modeling環(huán)境，在坐標(biāo)系中逐點(diǎn)輸入三坐標(biāo)測(cè)量儀所測(cè)量輪緣上點(diǎn)的坐標(biāo)值。并將輸入的輪緣上點(diǎn)的坐標(biāo)值抽象出樣條曲線，最后通過Extrude(拉伸)”命令，完成輪緣曲面部分的創(chuàng)建。如圖3所示。

(2)同樣在坐標(biāo)系中逐點(diǎn)輸入三坐標(biāo)測(cè)量儀所測(cè)量輪轂上點(diǎn)的坐標(biāo)值并抽象出樣條曲線，最后通過“回轉(zhuǎn)”命令，完成輪轂曲面部分的創(chuàng)建。如圖4所示：

(3)為了能夠準(zhǔn)確無誤地表達(dá)出葉輪曲面的幾何特征，確定選用“Swept(掃掠)”方式在剛剛繪制的輪緣內(nèi)、外側(cè)樣條曲線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)處根據(jù)葉片的厚度分別繪制引導(dǎo)線、母線，然后通過“Swept”掃掠命令，完成葉片曲面部分的創(chuàng)建。如圖5所示：

(4)將剛剛生成的單個(gè)的葉片曲面通過縫合指令將其與輪轂曲面縫合成一個(gè)整體。然后根據(jù)對(duì)稱性，關(guān)于Z軸采用陣列特性，對(duì)稱產(chǎn)生出其他兩葉片。然后對(duì)三片葉片進(jìn)行修剪,同時(shí)完成葉片和輪轂接觸面的倒角以及底部等其他特征，最終完成誘導(dǎo)輪的建模。如圖6所示。

3　誘導(dǎo)輪刀路規(guī)劃和NC代碼的生成

3.1加工方案

根據(jù)對(duì)該誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)、成型特點(diǎn)、加工的技術(shù)要求和難點(diǎn)分析，并綜合考慮MAZAK車銑復(fù)合加工機(jī)床IT100的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該誘導(dǎo)輪的加工工藝方案。制定的該誘導(dǎo)輪的加工工藝方案如表1所示。

表1誘導(dǎo)輪加工工藝方案

工序加工內(nèi)容刀具刃長/mm刀長/mm1流道槽(輪轂曲面)粗加工?8mm立銑刀35502葉片(吸力、壓力曲面)粗加工?6mm球頭銑刀32503葉片(吸力、壓力曲面)精加工?4球頭銑刀32504流道槽(輪轂曲面)精加工?4mm球頭銑刀32505后緣、流道槽尾清根修正加工?4mm球頭銑刀3250

3.2刀路軌跡的生成

按照上面的加工方案在UG加工模塊中創(chuàng)建各工序操作，并對(duì)各工序操作中切削、非切削運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及刀軌形式等進(jìn)行設(shè)置。誘導(dǎo)輪流道槽需要切除的余量較大，所以盡量選擇直徑較大的刀具進(jìn)行加工。而葉片精加工及清根所用刀具通常采用直徑小于葉片根部圓角的刀具。

3.2.1流道槽粗加工

流道槽的粗加工必須從葉片的吸力、壓力兩個(gè)曲面分別進(jìn)行開粗加工，否則容易使得葉片產(chǎn)生扭曲變形。刀具選擇φ8mm的硬質(zhì)合金立銑刀,主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為 4 500 r/ min,fz設(shè)定為0.2 mm/ r,ap為1 mm,驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置曲面方式，刀軸控制設(shè)置為相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體。同時(shí)設(shè)置切削層深度選項(xiàng)相關(guān)參數(shù),深度模式:從包覆插補(bǔ)至輪轂,每刀深度恒定。其刀路軌跡如圖7 所示。

3.2.2葉片粗、精加工

為了保證葉片不產(chǎn)生扭曲變形以及加工的表面質(zhì)量，因此葉片的粗精加工同樣必須從葉片的吸力、壓力兩個(gè)曲面分別進(jìn)行。葉片粗加工φ6mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀,主軸轉(zhuǎn)速為 6 000 r/ min,fz設(shè)定為0.2 mm/ r,ap為0.25 mm。葉片精加工采用φ4mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀,主軸轉(zhuǎn)速為 8 500 r/ min,fz設(shè)定為0.15 mm/ r,ap為0.25 mm。設(shè)置葉片粗精加工驅(qū)動(dòng)方法,要粗精加工的幾何體為葉片,要切削的面為吸力面、壓力面和前緣,葉片邊緣點(diǎn)為沿葉片方向,切削方向?yàn)轫樸?。其刀路軌跡如圖 8所示。

3.2.3流道槽精加工

流道槽精加工采用φ4mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀,主軸轉(zhuǎn)速為 8 500 r/ min,fz設(shè)定為0.15 mm/ r,ap為0.25 mm。流道槽精加工驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置曲面方式，刀軸控制設(shè)置為遠(yuǎn)離直線。切削方向?yàn)轫樸?模式為單向。其刀路軌跡如圖 9所示。

3.2.4清根加工

誘導(dǎo)輪加工完成后，還需要對(duì)葉片的根部以及尾部進(jìn)行精加工，即清根加工。采用φ4mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀,主軸轉(zhuǎn)速為 8 000 r/ min,fz設(shè)定為0.15 mm/ r,ap為0.25 mm, 驅(qū)動(dòng)方法設(shè)置曲面方式，刀軸控制設(shè)置為遠(yuǎn)離直線。要加工的幾何體為葉根圓角,切削的面為左面、右面和前緣 ,切割條帶為步進(jìn),切削方向順銑。其刀路軌跡如圖10所示。

3.3NC代碼的生成

CAD/CAM軟件后置處理中可以生成指定不同數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼。但不管是哪種數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼，其往往都來自于相同的刀軌文件。即所來源的刀軌文件固定不變。因此，利用UG軟件生成所設(shè)計(jì)的誘導(dǎo)輪流道、葉片以及清根等每一部分加工的刀軌文件。最終在專用后置處理器中，將這些刀軌文件生成機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼。

4　實(shí)際加工驗(yàn)證

在利用UG軟件完成該誘導(dǎo)輪的刀路規(guī)劃以及采用專用后處理器生成NC程序后。為了驗(yàn)證該方法的可行性以及實(shí)用性，利用本單位MAZAK車銑復(fù)合加工機(jī)床IT100對(duì)該誘導(dǎo)輪仿真模型進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證如圖11所示。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，在MAZAK車銑復(fù)合加工機(jī)床IT100上實(shí)際加工所得到的誘導(dǎo)輪葉片部分的表面粗糙度為6.3 μm,葉片及其他部分均完全達(dá)到其設(shè)計(jì)要求。同時(shí)比原來的誘導(dǎo)輪形狀更加完美，同軸度更高。而且還將誘導(dǎo)輪原來的先車削，然后再銑削的兩道工序減少為由車銑復(fù)合一道工序一次裝來加工完成。再次證明該方法切實(shí)可行。

5　結(jié)語

本文針對(duì)某缺少原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)圖紙的誘導(dǎo)輪加工，提出了一種采用逆向反求技術(shù)實(shí)現(xiàn)其仿制加工的方法。即：(1)采用三坐標(biāo)測(cè)量儀對(duì)該誘導(dǎo)輪的基本外形設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)和還原。(2)根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用UG軟件分別對(duì)該誘導(dǎo)輪進(jìn)行參數(shù)化建模，以及其加工刀軌文件的設(shè)計(jì)。(3)利用自己開發(fā)的專用后處理器生成加工所需的NC代碼，并通過MAZAK車銑復(fù)合加工機(jī)床IT100進(jìn)行了實(shí)際加工驗(yàn)證。通過驗(yàn)證該方法加工的零件不僅完全滿足實(shí)際要求、操作方便，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)也為其他類似零件的加工制造以及對(duì)已有零件進(jìn)行技術(shù)消化、吸收和改進(jìn)提供借鑒方法，在實(shí)際生產(chǎn)中有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]陳文濤，夏芳臣，涂海寧． 基于 UG&VERICUT 整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真[J]． 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(2):102-104.

[2]何志偉,嚴(yán)雋薇，張浩.數(shù)控加工過程建模和仿真的研究與應(yīng)用[ J] .組合機(jī)床與自動(dòng)加工技術(shù), 2004 (3):5-7.

[3] 蔣凱偉，蘇鐵熊，王軍.基于接觸式測(cè)量的壓氣機(jī)葉輪的逆求技術(shù)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008(2):34-38.

[4]黨改慧，陳玉剛，胡高社，等.基于 UG 和VERICUT的葉輪加工仿真研究[J]．煤礦機(jī)械，2013(4):158-159.

[5]李芳，劉凱，王昊，等.基于 VERICUT 的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床建模和仿真 [J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(2):114-116.

[6]左曉明，吳海兵，陳小崗.非正交雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心五軸定位銑削的后置處理與仿真驗(yàn)證[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(1):154 -158.

[7]楊明莉．葉輪零件的逆向建模和加工仿真[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015(1)：130-133.

[8]王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[9]鄒偉全.VERICUT 軟件在多軸數(shù)控加工中的應(yīng)用[J].河南科技，2013(6):108.

[10]李鐵鋼.基于UG和 VERICUT 的車銑復(fù)合加工[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(9):81-83.

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Research on reverse modeling and numerical control processing of induced wheel

GOU Jianfeng①②

(①College of Mechanical and Precision Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, CHN; ②Department of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, CHN)

A method is proposed to realize the process of imitation by using reverse technology in the process of induction wheel of a certain lack of original data and design drawings. First, the three-coordinate measuring instrument is used to collect the basic shape design parameters of the inducer, and the data are restored and restored. Then, according to the collected point cloud data using UG software to carry out parametric modeling, tool path file and NC code generation. And through the MAZAK turning-milling composite IT100 was verified by the actual processing. The parts processed by the method not only meet the requirements of the actual operation, but also improve the production efficiency and reduce the production cost. At the same time, it also provides a reference method for the processing and manufacturing of other similar parts as well as the technical digestion, absorption and improvement of the existing parts.

inducer; reverse engineering; modeling; NC machining

TH162

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.022

茍建峰，男，1983年生，博士研究生，副教授，加工中心技師，主要從事數(shù)控加工技術(shù)研究。

(編輯孫德茂)(2016-04-05)

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