張海偉， 李 茹

（天津職業(yè)大學 機電工程與自動化學院，天津 300410）

0 引言

風力推料機是一種新型低碳環(huán)保的物料傳送裝置，主要由底座、傳動軸、葉輪、錐齒輪、推桿和物料臺等六部分組成，如圖1所示，其工作原理主要是葉輪接收的風能通過傳動鏈轉化為推桿的機械能，最終完成風能到機械能的轉化和圓周運動到直線運動的運動形式的轉換，以實現(xiàn)對物料的推送。而其中的葉輪是整個裝置的能量接收部件，是核心零部件。葉輪的加工質量直接影響整機的動力性能和機械效率，而葉輪在使用過程中要求運轉平穩(wěn)，降低噪音，避免共振。UG是美國 Unigraphics Solutions 公司的一個集 CAD、CAE和CAM于一體的計算機輔助機械設計制造系統(tǒng)，其數(shù)控加工模塊功和結構分析模塊功能極強。本文選用目前流行且功能強大的UG NX7.0對復雜曲面整體葉輪進行加工仿真研究，并使用 UG的結構分析模塊對葉輪進行了模態(tài)分析，得到了該葉輪的固有頻率和相應的振型，并對其振動特性進行了分析，為該葉輪的設計優(yōu)化和振動安全性檢驗提供數(shù)值依據(jù)。

圖1 風力推料機組成

圖2 葉輪外形組成

1 葉輪的多軸加工

1.1 結構特點分析與工藝流程制訂

葉輪屬于回轉類型零件，其外形表面主要由葉片面和流道面兩部分組成，如圖2所示。由于葉片之間的間隔距離小，而葉片的扭曲程度決定了加工時刀具軸的擺動范圍，刀具軸必須在兩葉片之間的范圍內擺動，刀具才不會與葉片發(fā)生干涉。葉輪的毛坯外形可通過數(shù)控車床車削成型，而流道和葉片的成型加工則需要在五軸聯(lián)動機床上完成。其基本加工工藝流程為：1）在數(shù)控車床上車削加工毛坯的基本形狀；2）粗加工葉輪流道曲面；3）粗加工葉片曲面；4）葉片精加工；5）葉輪流道精加工。

1.2 定位與夾緊方案的確定

葉輪中間的圓孔用于加工時的裝夾定位，只需將毛坯放入與之配合的圓柱上，再利用螺母壓緊毛坯便可實現(xiàn)零件的裝夾定位，毛坯需要在數(shù)控車床上車削成型。

1.3 五坐標數(shù)控機床結構與選擇

葉輪的毛坯外形可通過數(shù)控車床車削成型，而流道和葉片的成型加工則必須在五軸聯(lián)動數(shù)控機床上才能完成。由于本文中葉輪的尺寸不大，重量較輕，選用立式五軸加工中心即可完成機床模擬加工仿真。

1.4 刀具的選擇與刀具半徑的確定

為提高加工效率，在進行流道開粗和流道半精加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，但是也要注意使刀具直徑小于兩葉片間最小距離；在葉片精加工過程中，應在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑大于流道和葉片相接部分的最大倒圓半徑。在對流道和相鄰葉片的交接部分進行清根時，選擇的刀具半徑小于流道和葉片相接部分的最小倒圓半徑。

1.5 葉輪的數(shù)控加工

1.5.1 粗加工流道面和葉輪面

通過可變輪廓銑程序控制驅動方法和刀具軸，根據(jù)葉輪流道面的加工要求創(chuàng)建多軸聯(lián)動粗加工程序。設定合適的參數(shù)，即可生成的葉輪流道粗加工刀具軌跡如圖3所示。葉片面的粗加工創(chuàng)建類型、刀具、幾何體均與粗加工葉輪流道面設置相同；考慮到葉片曲面空間比較復雜，提高加工效率應允許刀具側刃參與切削，生成的葉輪葉片粗加工刀具軌跡如圖4所示。

圖3 流道面粗加工刀具軌跡

圖4 葉片面粗加工刀具軌跡

1.5.2 精加工流道面和葉片面

與葉片面和流道面的粗加工相比，精加工刀具的路徑規(guī)劃一致，只需要修改相關參數(shù)即可，因此先復制粗加工創(chuàng)建的操作，然后再修改有關參數(shù)和設置。

1.5.3 后置處理

后置處理最重要的是將UG軟件生成的刀位軌跡轉化為適合數(shù)控系統(tǒng)加工的 NC 程序，通過讀取刀位文件，根據(jù)機床運動結構及控制指令格式，進行坐標運動變換和指令格式轉換，實現(xiàn)程序模擬仿真，如圖5所示。

圖5 程序模擬仿真操作

2 模態(tài)分析

2.1 葉輪有限元模型的建立

將葉輪的三維實體圖導入到UG的結構分析模塊環(huán)境中，分別設置葉輪材料為鋁合金6061，彈性模量76 Gpa，泊松比0.33，密度2800 kg/m3。網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分，選用CTETRA(10)單元，劃分精度為3級。在葉輪的有限元模型中，共有259367個節(jié)點，198752個有限單元。

2.2 邊界條件及求解方法

葉輪中心為圓柱形內孔，約束條件采用柱坐標系，固定前三個自由度。求解方法為使用SEMODES 103求解器，基于 Lanczos 特征值提取法則進行模態(tài)分析。

2.3 模態(tài)分析結果

UG 結構分析模塊有強大的后處理能力，可輸出分析結果報告和節(jié)點位移、應力和應變等各種云圖。表 1 和圖6至圖 9顯示了該葉輪的前4階固有頻率和振型。

表1 葉輪的前4階固有頻率及其最大變形量

從表1可以看出，不同階次的模態(tài)葉輪體具有不同的固有頻率，而且隨著階數(shù)的增大，固有頻率也在增加。在對各階模態(tài)的振型云圖的分析當中可以得出在不同階次的模態(tài)仿真中，葉輪表面的最大位移量均有變化，而且隨著階次升高呈擴大趨勢。換言之，倘若外界施加在葉輪上的干擾頻率越高，那么葉輪在這種頻率的作用下一旦出現(xiàn)共振，則越容易產(chǎn)生最大變形。此外，在振型云圖中還可以看出在有葉輪根部的葉片產(chǎn)生最大變形量，因而可以斷定這部分屬葉輪的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 一階模態(tài)振型

圖7 二階模態(tài)振型

圖8 三階模態(tài)振型

圖9 四階模態(tài)振型

3 結論

1）本文為葉輪類零件的仿真加工提供了一般方法和步驟，成功得到正確的刀具軌跡仿真結果，并輸出可用于真實五軸數(shù)控加工的NC程序，對葉輪類零件的五軸編程和制造具有一定的參考價值。

2）利用UG多軸數(shù)控加工，使葉輪的設計和加工編程基于同一個 CAD/CAM環(huán)境下，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計和制造過程信息模型的無縫連接，大大減小了編程出錯概率，提高了編程效率和可靠性，可有效地保證數(shù)控加工的質量和效率。

3）經(jīng)模態(tài)分析得到了該葉片的前4階固有頻率及相應的振型，能夠預測與其他部件之間相互干擾的可能性，通過合理的結構設計可以避開共振，這為葉輪的優(yōu)化和改進設計提供了理論依據(jù)。

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