翟歡樂 汪涵灃 束怡

摘要：以氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件為研究對象，解決氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件的模擬數(shù)控加工問題，又因?yàn)檗D(zhuǎn)子零件受夾緊力、切削熱和刀具震動(dòng)等因素的影響，銑削加工過程中容易出現(xiàn)變形、振紋等問題。使用AutoCAD軟件進(jìn)行二維輪廓的處理，利用Solidworks為其三維建模，采用Solidworks CAM數(shù)控加工編程插件對轉(zhuǎn)子零件進(jìn)行數(shù)控銑床的模擬加工，利用插件的銑削功能作為轉(zhuǎn)予零件的加工類型，采取適合轉(zhuǎn)子零件的數(shù)控加工編程程序，最后利用后處理程序?qū)С鯪C代碼，得到高精度、高效率、高可靠性的轉(zhuǎn)子數(shù)控加工程序以及運(yùn)用Solidworks CAM插件模擬刀路軌跡，實(shí)現(xiàn)了對氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件銑削加工工藝的改進(jìn)，有效解決了氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件在銑削加工的難點(diǎn)，對學(xué)校實(shí)訓(xùn)和企業(yè)加工轉(zhuǎn)子類的零件具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：Solidworks CAM;轉(zhuǎn)子;數(shù)控加工

中圖分類號(hào)：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022）02-0039-03

0 引言

國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢向好，隨著植保型無人機(jī)逐漸發(fā)展成為一種常見的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械，無人機(jī)燃料電池也具備很好的市場發(fā)展?jié)摿?。氫氣循環(huán)泵作為燃料電池系統(tǒng)提高效率及提升飛行穩(wěn)定性的關(guān)鍵裝備，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。而轉(zhuǎn)子零件作為氫氣循環(huán)泵的核心零件之一，保證零件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，安全生產(chǎn)具有十分重大的意義。

數(shù)控加工編程是轉(zhuǎn)子零件設(shè)計(jì)制造的最初步驟[1]，在這一步驟中，主要對轉(zhuǎn)子零件在加工需求上進(jìn)行工藝優(yōu)化和改進(jìn)，經(jīng)由編程形成產(chǎn)品加工制造方案[2]?，F(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)輔助下所形成的產(chǎn)品加工制造的方案中包括加工制造的流程、工藝和參數(shù)等基本內(nèi)容，比如：機(jī)床、夾具與工裝設(shè)備選型;刀具路徑和切削;工件的幾何模型、刀路軌跡和產(chǎn)品加工計(jì)算路徑等基本的內(nèi)容[3]。陜西理工大學(xué)晁瑞[4]利用Matlab進(jìn)行計(jì)算，Ansys仿真分析力學(xué)特性，再通過UC加工模塊對加工所需刀具、切削參數(shù)、加工步驟、刀具軌跡等進(jìn)行規(guī)劃，生成相應(yīng)的NC程序，最后通過VERICUT建立虛擬加工環(huán)境。東北大學(xué)王振德[5]禾UG/UC/CAD模塊完成了毛坯，夾具及機(jī)床的集合體的參數(shù)化建模，利用UC/CAM模塊進(jìn)行整體銑削工序的數(shù)控加工編程，優(yōu)化了工藝參數(shù)，生成了NC程序，最后使用VERICUT仿真實(shí)際加工。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張念[6]應(yīng)用CATIA進(jìn)行數(shù)控加工的工序?yàn)椤吧裳b配流程——調(diào)整裝配順序——設(shè)置裝配路徑——設(shè)置時(shí)間——設(shè)置切換效果——關(guān)鍵件裝配仿真——干涉檢查——數(shù)控加工”。鄭州機(jī)械研究所喬永欽[7]使用Inventor軟件，先對零件的二維圖使用Inventor最常用的放樣，掃掠等高級功能或者嵌入完整的VBA程序使其建模仿真，然后優(yōu)化特征，根據(jù)“建立裝配位置——轉(zhuǎn)子實(shí)體的建立——模擬加工環(huán)節(jié)”完成加工工序。

本文以Solidworks為例，以氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)子零件作為研究對象，利用AutoCAD軟件繪制出轉(zhuǎn)子零件的二維輪廓，利用Solidworks軟件為其三維建模，因?yàn)檗D(zhuǎn)子零件輪廓的復(fù)雜性，所以要確保轉(zhuǎn)子零件輪廓閉合。采用Solidworks CAM插件對轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)控銑床編程以及模擬仿真數(shù)控加工，以確保轉(zhuǎn)子零件在加工時(shí)在公差范圍之內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采取適合轉(zhuǎn)子零件的數(shù)控加工編程程序，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，找出能滿足氫氣循環(huán)泵完美運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子零件數(shù)控加工工藝參數(shù)，最后使用后處理程序?qū)С鯪C代碼，得到高精度、高效率、高可靠性的轉(zhuǎn)子零件數(shù)控加工工序，之后將NC代碼導(dǎo)入至機(jī)床，讓機(jī)床進(jìn)行成品的加工。

1 Solidworks CAM插件的使用流程

Solidworks CAM為Solidworks的數(shù)控加工插件，可以實(shí)現(xiàn)模擬銑削加工、孔加工、車削加工等，將零件導(dǎo)入到這個(gè)插件，可以實(shí)現(xiàn)零件的加工輪廓提取，生成加工計(jì)劃，生成刀路軌跡，模擬刀路軌跡等操作。在生成計(jì)劃完成之后還可以調(diào)整刀具參數(shù)、機(jī)床參數(shù)、首切量、最大切削量，也可以根據(jù)圖紙的技術(shù)要求自己編寫數(shù)控加工程序，如果加工程序滿足圖紙要求可以后處理導(dǎo)出NC代碼，交給機(jī)床加工。

（1）編輯機(jī)床。用于選擇編輯機(jī)床的類型及機(jī)加工時(shí)所使用的刀具。

（2）毛坯管理。用于設(shè)置零件毛坯的參數(shù)。

（3）設(shè)置坐標(biāo)系。機(jī)械加工中，零件一般都是自上而下的加工，所以坐標(biāo)系一般都以零件毛坯的最高面為基準(zhǔn)。

（4）銑削零件設(shè)置。用于設(shè)置被加工零件的細(xì)節(jié)參數(shù)。

（5）生成操作計(jì)劃。生成零件的數(shù)控加工操作方案。

（6）調(diào)整粗加工、輪廓加工等細(xì)節(jié)加工的參數(shù)。如刀的參數(shù)、銑削方法、深度參數(shù)、深度處理、凹腔加工等等。

（7）模擬刀路軌跡。檢查刀路軌跡是否符合圖紙的要求，符合圖紙的技術(shù)要求。

（8）后處理，生成NC代碼。

2 轉(zhuǎn)子的建模

2.1 二維輪廓繪制

本文中的轉(zhuǎn)子零件運(yùn)用于燃料電池的氫氣循環(huán)泵中，轉(zhuǎn)子零件為一個(gè)厚度40 mm，圍繞中心均勻分布了3個(gè)凸輪以便兩個(gè)轉(zhuǎn)子零件之間的嚙合，中間開了一個(gè)6x11x14x3的花鍵槽以便于花鍵連接轉(zhuǎn)子零件和電動(dòng)機(jī)。首先在AutoCAD中畫出轉(zhuǎn)子的二維輪廓，如圖1所示。

2.2 三維實(shí)體制作

轉(zhuǎn)子零件的三維實(shí)體使用Solidworks軟件制作，先將AutoCAD的二維輪廓復(fù)制至Solidworks的草圖中，使用工具里面的“塊”命令，選中所有輪廓然后創(chuàng)建塊使轉(zhuǎn)子零件的二位輪廓約束為一個(gè)整體，然后使用拉伸命令將轉(zhuǎn)子零件的輪廓拉伸為當(dāng)初設(shè)計(jì)的厚度40 mm，得到轉(zhuǎn)子零件最終的三維實(shí)體。如圖2所示。3轉(zhuǎn)子的數(shù)控模擬仿真加工編程

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子加工方法是劃線后采用銑床或用手工銼削而成，精度低，誤差大[8]?；蛘哌\(yùn)用手動(dòng)編程進(jìn)行數(shù)控加工，由于轉(zhuǎn)子輪廓的復(fù)雜性，對編程人員的要求比較高，極大地增加了轉(zhuǎn)子的加工周期[9]。本文以Solidworks CAM為平臺(tái)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子的數(shù)控銑床的模擬仿真加工，具體如下[10-13]。

（1）啟動(dòng)軟件，導(dǎo)入存有零件三維轉(zhuǎn)子實(shí)體的文件，點(diǎn)擊Solidworks CAM插件，進(jìn)入數(shù)控加工編程環(huán)境。

（2）選擇前視基準(zhǔn)面為參考基準(zhǔn)。

（3）點(diǎn)擊機(jī)床，右擊編輯定義，如圖3所示，選擇三軸機(jī)床，刀具選擇平底銑刀來完成這個(gè)數(shù)控加工，這樣完成了機(jī)床最基本的設(shè)置。

（4）點(diǎn)擊毛坯管理，右擊編輯定義。默認(rèn)包絡(luò)塊，得到轉(zhuǎn)子零件的毛坯，如圖4所示。

（5）點(diǎn)擊坐標(biāo)系，右擊編輯定義。因?yàn)榱慵樽陨隙碌募庸ぃ宰鴺?biāo)系應(yīng)該放在零件的最頂端，選中零件外圍盒頂點(diǎn)，如圖5所示。

（6）點(diǎn)擊銑削零件設(shè)置，右擊識(shí)別特征，得到轉(zhuǎn)子實(shí)體為一個(gè)開放式凹腔（轉(zhuǎn)子零件的大體輪廓）和一個(gè)不規(guī)則凹腔（轉(zhuǎn)子零件花鍵孔的輪廓），如圖6所示。

（7）再次點(diǎn)擊銑削零件設(shè)置，右擊生成操作計(jì)劃，得到以下的加工工序【粗銑4和輪廓銑削3用于加工開放式凹腔（轉(zhuǎn)子零件的大體輪廓），粗銑6，輪廓銑削4用于加工不規(guī)則凹腔（轉(zhuǎn)子零件花鍵孔的輪廓）】，如圖7所示。

（8）生成操作計(jì)劃之后，得到了5步加工工序，加工工序后面的括號(hào)為相應(yīng)的加工刀具，將鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)加工工序上可以查看這個(gè)工序的刀路軌跡，如圖8所示。

這里以粗銑1工序?yàn)槔鐖D9所示，點(diǎn)擊粗銑，右擊編輯定義，然后可以改變加工的刀具尺寸、首切量、最大切削量，本文轉(zhuǎn)子零件的粗銑使用的首切量為5 mm，最大切削量為10 mm。

（9）模擬刀路軌跡加工。點(diǎn)擊銑削零件設(shè)置，右擊模擬刀路軌跡可以觀看模擬數(shù)控加工的動(dòng)畫，如圖10所示。

（10）后處理，導(dǎo)出NC代碼。點(diǎn)擊銑削零件設(shè)置，右擊后處理，如圖11所示。得到NC代碼如圖12所示。

4 結(jié)束語

本文基于Solidworks氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件數(shù)控加工的研究結(jié)果表明：

（1）將虛擬化制造和數(shù)控加工等技術(shù)緊密的結(jié)合，做到加工前的可視化，直觀地感受零件的加工過程，便于調(diào)整零件的加工參數(shù);

（2）能夠大幅度地提高和改善生產(chǎn)質(zhì)量;

（3）減少生產(chǎn)容錯(cuò)率，將錯(cuò)誤都集中在零件設(shè)計(jì)階段，減少生產(chǎn)成本，節(jié)省企業(yè)加工生產(chǎn)的費(fèi)用;

（4）加快零件設(shè)計(jì)的速度，提高零件的生產(chǎn)效率;

（5）可以結(jié)合其他的物理仿真軟件，進(jìn)行試驗(yàn)仿真，及時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，增加實(shí)驗(yàn)的可靠性。

本文分析了氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了完整的加工工藝分析，又因?yàn)镾olidworks軟件的易學(xué)性，在建模過程中，首先應(yīng)該熟悉圖紙，嚴(yán)格遵守圖紙的技術(shù)要求，思考會(huì)使用軟件的哪一項(xiàng)命令，在建模過程中應(yīng)該注意尺寸的數(shù)值，對所有草圖都應(yīng)該約束，利用Solidworks CAM的模擬仿真編程功能進(jìn)行仿真驗(yàn)真，得到了一套完整的氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)子零件的數(shù)控加工流程，并依據(jù)氫氣循環(huán)泵的生產(chǎn)工作需要調(diào)整了轉(zhuǎn)子零件數(shù)控加工過程中的參數(shù)，克服了加工過程中的難點(diǎn)，保證了零件的加工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]時(shí)小廣，李雁旭，基于MasterCAM的高精度空心軸數(shù)控加工工藝分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2021，50（4）：71-73.

[2]徐瑞，陳廷兵.基于SolidWorks的麥克納姆輪三維建模與裝配[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2021，34（4）：191-193.

[3]王清泉.數(shù)控機(jī)床與數(shù)控編程技術(shù)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（6）：134.

[4]晁瑞，空心螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方法研究[D].漢中：陜西理工大學(xué)。2021.

[5]王振德.基于UG軟件的復(fù)合分子泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)及加工研究[D].沈陽：東北大學(xué)。2009.

[6]張念.基于逆向工程的汽輪機(jī)關(guān)鍵件虛擬裝配仿真及優(yōu)化[D]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[7]喬永欽.環(huán)面蝸桿副在膨脹機(jī)中的應(yīng)用與研究[D].北京：機(jī)械科學(xué)研究總院，2012.

[8]謝良勝，寸立崗，柳彥虎.基于SolidWorks的盤形凸輪CAD/CAE/CAM -體化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2013（5）：70-72.

[9]杜薇.CAD/CAM在模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工中的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國設(shè)備工程，2018（17）：83-84.

[10] Mingxia Zhao. CAD Design of Disc Cam Based on MATLABand Solidworks[Cy/ Proceedings of 2017 5th Intemational CivilEngineering， Architecture and Machinery Conference（ICEAMC2017），2017.

[11]伏和紅.基于Solidworks與Mastercam的CAM應(yīng)用初探[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013（16）：47-48.

[12] Tudor， Emily K.Cam Tool For Solidworks Cuts Time， Costs[J].Modern Machine Shop，201 1，84（7）.

[13]胡銀龍，熊思杰，花天陽.一種基于可變傳動(dòng)比的齒輪齒條式半主動(dòng)慣容性能研究[J].機(jī)電工程，2021，38（5）：611-616.