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生產負壓風機基于UGS NX7的風扇輪加工刀路軌跡設計湖北三環高壓
關鍵詞：NX7.0；風扇輪；多軸加工
0引言
整體式風扇輪加工技術一直是制造業中的一個重要課題，采用數控多軸加工是目前國內外廣泛采用的整體式風扇輪加工方法。整體式風扇輪的加工難點主要表現在：1）整體式風扇輪形狀復雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面；2）相鄰葉片的空間較小，加工時除了刀具與被加工葉片之間發生干涉外，還容易與相鄰葉片發生干涉；3）刀位規劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。
UGSNX7（國內簡稱UG，原名：Unigraphics）是一個由西門子UGSPLM軟件開發，集CAD/CAE/CAM于一體的產品生命周期管理軟件。由于其強大的數控編程功能，使其在國內數控編程軟件中占據主導地位。其CAM模塊中的PlanarMilling、CavityMilling、FixedAxisMilling、VariableAxisMilling、SequentialMilling和PointtoPoint等加工操作為數控銑削加工編程提供了良好的解決方案。特別其靈活、方便的刀路驅動方法和刀軸控制方法使得多軸加工編程變得容易。本文在研究了UGSNX7軟件和多軸加工刀路軌跡設計關鍵點基礎上完成了風扇輪多軸加工刀路軌跡設計。
1多軸加工刀路軌跡設計關鍵點
多軸加工過程是程序通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。在UGSNX7中通過控制刀軸矢量、驅動幾何體、投影方向和加工面來完成多軸加工刀路軌跡設計。
1.1控制刀軸矢量方式
在UGSNX7中提供了18種控制刀軸的方式，分別是：“遠離點”、“朝向點”、“遠離直線”、“朝向直線”、“相對于矢量”、“垂直于部件”、“相對于部件”、“4軸，垂直于部件”、“4軸，相對于部件”、“雙4軸在部件上”、“插補”、“優化后驅動”、“垂直于驅動體”、“側刃驅動體”、“相對于驅動體”、“4軸，垂直于驅動體”、“4軸，相對于驅動體主”和“雙4軸在驅動體”。這些方式靈活運用能夠很好的提高加工質量、避免過切和減小刀具的伸長量。
1.2驅動方式
驅動方式包含了“曲線/點”、“螺旋式”、“邊界”、“曲面”、“流線”、“刀軌”、“徑向切削”、“外形輪廓加工”和“用戶自定”等方式，這些方式合理選擇對于生成合理刀路至關重要。
1.3投影方向
投影方向是指由驅動方式生成的驅動刀具路徑如何投影到切削面的矢量，對于最終刀具路徑生成影響重大。包含有：“指定矢量”、“刀軸”、“遠離點”、“朝向點”、“遠離直線”、“朝向直線”、“垂直于驅動體”、“朝向驅動體”和“側刃劃線”共9種。
1.4加工曲面的材料側
加工曲面的材料側是指向材料被去除的方向矢量。
2風扇輪多軸加工刀路軌跡設計
根據風扇輪的形狀，選擇圓柱體棒料為毛坯，并設置加工坐標系原點在零件的最高處的軸線上，見圖1。對于葉片的精加工，其策略為先對單一葉片加工刀路設計，然后通過變換復制完在整個風扇輪葉片精加工刀路設計。
2.1風扇輪整體粗加工
粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，考慮的重點是加工效率，遵行“大刀開粗，小刀清角”原則，粗加工分別選用Φ12和Φ6的立銑刀，切削深度分別為0.8mm和0.5mm。使用CavityMill加工操作，選擇“跟隨周邊”的切削方式，和“深度優先”的切削順序，設置部件側面與底面留余量為0.3mm。其刀具路徑見圖2～3。
2.2葉片頂面精加工
對于葉片頂面的精加工可以采用三軸加工完成，但是考慮加工質量和刀長，選擇VeriableCoutour加工操作。使用Φ5R2.5的球刀，選擇整個風扇輪為部件，葉片頂面曲面為切削區域，設置驅動方式選擇“流線”，步距數為20，切削模式為“往復”，投影矢量為“朝向點”，即朝向葉片頂面所在球面的球心點，刀軸為“垂直于部件”，然后設置好“非切削”選項中的進退刀方式，完成刀路見圖4。再對圖4所示刀路復制操作，完成整個葉片頂面精加工刀路見圖5。
2.3葉片側面精加工
為了讓葉片側面精加工刀路更合理，需要對風扇輪零件進行編輯處理并做輔助曲面；先復制一份風扇輪實體，通過直接建模功能刪去某一葉片有頂面圓角，再通過抽取曲面、擴大曲面、修剪片體、曲線橋接和通過曲線網格等命令完成見圖6輔助加工曲面的創建。
創建VeriableCoutour加工操作，并使用Φ5R2.5的球刀，選擇圖6所示曲面為部件，設置驅動方式選擇“流線”，步距數為30，切削模式為“往復”，投影矢量為“朝向驅動體”，刀軸為“側刃驅動體”，然后設置好“非切削”選項中的進退刀方式，完成刀路見圖7。完成復制后的整個刀路見圖8。
2.4葉片清根加工
葉片清角加工前先復制風扇輪實體，刪去其根部圓角特征后構建加工驅動用輔助面，完成后見圖9。選用Φ8R4的球刀進行成形銑清角加工。創建VeriableCoutour加工操作，選擇底面平面為指定切削曲面，設置驅動方式選擇“曲面”，并設置好驅動體切削區域和切削方向，步距數為0，切削模式為“往復”，投影矢量為“指定矢量”，選擇沿Z軸投影，刀軸為“側刃驅動體”，然后設置好“非切削”選項中的進退刀方式，完成刀路見圖10。完成復制后的整個刀路見圖11。
2.5其余部分精加工
剩下的底面、葉片豎起側面、三個槽的頂面圓角和側面可分別使用面銑操作、等高操作和固定軸面面輪廓銑操作三軸加工操作完成刀路設計，在此不做贅述，其刀路圖見圖12和圖13。
3結論
本文完成了風扇輪加工的刀路軌跡設計，其方法合理可靠，可為同類產品的多軸加工刀路軌跡設計提供了設計思路和方法。
參考文獻
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杭州三獅水泥有限公司的窯尾通風機電機為6kV供電的三相異步電動機，功率為400kW。原生產過程中，根據窯內加料多少及窯身轉速，通過調整風門擋板開度對通風機的風量進行調整，保證窯頭爐內溫度控制在900℃左右。由于通風機電動機設計裕度較大，正常生產過程中，風門擋板開度在40%左右，風門檔板兩側風壓差較大，造成較大的節流損失。
該窯尾通風機為6kV的高壓電機，其基礎數據如下
負載：離心式風機 工作電壓：6kV 額定功率：400kW
平均工作電流：26A 功率因數：0.84 平均擋板開度：40%
我公司對該通風機電動機進行變頻調速改造，采用我公司自行研發的SH-HVF-Y6K-600型高壓變頻器，現運行方式為風門擋板全開，通過變頻來調節電機轉速，從而達到調整通風機風量的目的。
本次變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析如下。
改造前，由雙方確定的電動機年平均功耗為188kW，此數據為2003年的全年統計數據計算出的平均值。
改造后數據記錄
換新表后 (數字式) 此記錄過程窯基本為滿負荷狀態
從上述改造前后計算的數據可知，改造后比改造前的功耗可下降達100kW（參照改前平均值188kW為標準計算），則：
日節電量為 100kW*24小時=2400度
年節電量為： 2400*330=792,000度
按每度電0.5元，則年節能效益為 792000*05=39.6萬元
節電率為： 100/188=53%
現將改造前后風機性能對比列表如下：
本變頻器還同時設計有工頻旁路回路，以避免萬一變頻器出現故障時，可將電動機直接切至原工頻供電回路，以保證電機的正常運轉，而不影響回轉窯正常運轉。因此，在改造時，保留了用戶原有的電機定子降壓起動電抗器，以保證電機工頻時能正常啟動。
變頻調速器于2004年8月29日投入生產使用，回轉窯正常生產時，通風機電機平均電流由原來的26A，下降到9A，電源頻率由工頻50Hz變為30Hz左右，設備運行平穩。
從變頻調速器的使用情況來看，具有以下的優點。
(1) 安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
(2) 操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。
(3) 能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
(4) 保護功能完善，故障率低，通風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
(5) 節電效果顯著。
(6) 由于電動閥門的動作次數大大減少，減少了工程的設備故障。
(7) 電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。由于杭州三獅水泥有限公司的高壓變頻器調速節能改造非常成功，其節能明顯，且同時提高了整個工程的工藝性能，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。現我公司已分別同該工程中的浙江紹興三獅水泥公司、浙江上峰水泥廠簽訂了10kV變頻改造項目各一套，隨著變頻改造的成功推廣，水泥行業會有更多的用戶認可并接受變頻節能改造。
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