某型号离心叶轮的设计与加工制造(附件)
离心叶轮在微型燃气轮机、航空航天发动机、导弹发动机等压气机部件中有着比较广泛的运用。叶轮叶片的设计、制造技术是衡量一个国家工业领域设计和制造的重要标准。本设计重点对某型号离心叶轮叶片复杂曲面的逆向工程重构和其数控加工关键技术进行了研究和探索，内容包括数据测量、数据处理、曲面重构和五轴数控加工编程。本论文主要对目前逆向工程的常用工具三维激光扫描仪进行了介绍，利用计算机辅助制造技术，对叶轮的编程进行了详细研究和比较，最后还利用三维打印技术得到了叶轮的实物模型。关键词 逆向工程，计算机辅助制造，刀具轨迹，三维打印目 录
1 引言 1
1.1 离心叶轮简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 主要研究任务 1
2 课题总体方案设计 1
2.1 叶轮的结构分析 1
2.2 利用逆向工程进行叶轮模型重构 2
2.3 叶轮加工工艺分析 2
3 逆向工程构建叶轮数字模型 3
4 在UG中对叶轮进行五轴联动数控编程 5
4.1 编程前期准备 5
4.2 叶轮的开粗 7
4.3 叶轮精加工 12
5利用3D打印技术获取叶轮实体模型 22
6 结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 引言
1.1 离心叶轮简介
通常，离心叶轮的主要作用是将流体动能转化为机械能，在飞机发动机、船舶轮机、涡轮增压器中都有着广泛的应用，是航天航海、能源动力这些产业中所所必不可失的重要零部件。叶轮在工业领域使用的普遍性决定了它对产品性能影响的关键性。例如飞机引擎，其中离心叶轮的加工精度和质量直接决定到了它的性能和可靠性。
1.2 课题研究的意义
由于离心叶轮是典型的复杂结构零件，其刚度低、薄壁多、曲率变化大的特点导致普通三坐标加工难度极高，甚至根本无法进行加工，所以目前世界上主流加工方式都是采用五轴联动数控加工[1]。由于叶轮的复杂性，在其加工制造上有着非常高的要求，制造叶轮的技术可以说是衡量一个国家制造水平的重要标杆。
进入二十一世纪以来，计算机技术得到了空前的提高，在机械行业
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/> 1.2 课题研究的意义
由于离心叶轮是典型的复杂结构零件，其刚度低、薄壁多、曲率变化大的特点导致普通三坐标加工难度极高，甚至根本无法进行加工，所以目前世界上主流加工方式都是采用五轴联动数控加工[1]。由于叶轮的复杂性，在其加工制造上有着非常高的要求，制造叶轮的技术可以说是衡量一个国家制造水平的重要标杆。
进入二十一世纪以来，计算机技术得到了空前的提高，在机械行业，计算机辅助制造技术(CAM)也有了充分的发展。利用计算机基于理想状态下进行辅助制造，大大提高了编程效率，在余量、公差方面能够控制的非常精确，从而保证了叶轮的加工精度。在软件方面，目前 Powermill、Worknc、Ug都具有相当成熟的五轴联动编程系统。本文主要研究的是如何利用计算机辅助制造技术对叶轮的五轴数控机床的加工路径规划，并采用逆向工程技术对叶轮进行二次设计。
1.3 主要研究任务
①利用扫描仪扫描叶轮实体得出点云数据，进行模型重构，得到数字模型。
②分析离心叶轮数字模型的总体结构，进行数控编程仿真加工。
③3D打印出叶轮实体模型。
2 课题总体方案设计
2.1 叶轮的结构分析
离心叶轮的曲面造型分为轮毂曲面和叶片曲面两个部分，叶片分为主叶片和分流叶片，叶片由包裹曲面、压力曲面和吸力曲面组成。叶轮轮毂曲面和上下端面是通过曲线绕z轴旋转得到的实体，UG的创建回转体功能在此非常实用，无论是闭环曲线还是开环曲线都可以通过绕轴或绕点旋转得到实体曲面[2]。包裹面也是同理。叶片的建模则只需要在轮毂和包裹建模完成之后进行即可。每组叶片可能含有多个叶片，本例是每组两个叶片，即主叶片和分流叶片。本课题前期材料为叶轮的实物模型，主要任务是在数字模型基础上进行编程，所以正向曲面造型并非本文重点，在此不多作详述了，接下来需要研究的是逆向重建模型。
2.2 利用逆向工程进行叶轮模型重构
从上世纪60年代开始，日本对逆向工程就有了初步的探索，并且在工业设计和制造领域有了一些不错的成绩。逆向技术使日本在产品的创新层面有了更多的进步，在二十一世纪，逆向工程更是称为了设计与制造业的一种重要方式。
Kwok把三坐标测量仪和计算机辅助设计软件联系起来，在实物上所测量到的点都可以实时转化为数字点，而且这一过程是可视的，支持实时进行改动。缺点是模型只能以框线图显示。Motavalli将工业相机与接触扫描仪并行工作，这套系统不仅可以得到扫描数据，还支持以曲面形式表达模型。Robert在三坐标扫描仪上加入了接触探头，这使得该测量仪在采取实物表面点云数据之后能够定义模型的几何体特征[3]。
离心叶轮的表面通常是由高度扭曲的曲面构成的，普通测绘手段无法表达其复杂的结构特征，所以国内一般的设计方法都是利用逆向工程进行复制和修改。利用逆向工程可以大大的缩短设计周期，能够设计复杂外形的零件，所以在没有零件图纸的前提下，采用逆向工程设计会是十分方便和精确的。
2.3 叶轮加工工艺分析
叶轮的表面模型设计为极其扭曲的表面，并且其叶片极大地彼此重叠。如果采用传统的三轴加工，刀具与叶片之间将会有严重冲突。对于这种复杂的形状，一般的惯例采取五轴加工。五轴不同于三轴加工的地方在于，五轴机床中刀具轴能够旋转，所以可以适应切削表面曲率变化，避免碰撞或刀具与工件之间的干涉[4]。此外，五轴加工可以提高自由度、 精度、 效率和机械加工零件的表面质量，以满足各种要求的产品的设计质量。由于高成本的五轴机床和日益复杂的相对趋势，刀具与工件之间如何规划有效加工路径以及如何获得正确的刀具位置是一项重要任务。这将成为本研究的主要焦点。
在本课题中，叶轮的流道、根部圆角以及叶片等曲面都需要进行加工。叶片通常具有大扭角，根部则是采用变化的圆角结构，以满足叶轮的流体动力性要求。根据本课题来看，加工难点有以下几点：
（1）叶片长度较长，刚度低，叶片厚度小，流道窄，加工时很容易发生变形问题。
（2）叶片之间空间非常小，导致很难容刀。圆角加工时只能使用最大半径为R3的刀具，容易出现折断的问题，所以切削深度也要控制好。
（3）本课题的叶轮叶片有主叶片和分流叶片组成，加工易发生干涉，难度较高，想要保证加工面的一致性也会有一定的难度。
尺寸、形位公差、粗糙度等技术要求在叶轮整体加工时很重要，机械、化学、物理等性能要求也包含在内。在加工叶轮之前，对毛坯进行详细的检查是很有必要的，叶轮叶片的表面质量必须要达到一定的要求。精度尤其在轮毂面和叶根叶片表面特别集中，表面粗糙度的数值应该
1 引言 1
1.1 离心叶轮简介 1
1.2 课题研究的意义 1
1.3 主要研究任务 1
2 课题总体方案设计 1
2.1 叶轮的结构分析 1
2.2 利用逆向工程进行叶轮模型重构 2
2.3 叶轮加工工艺分析 2
3 逆向工程构建叶轮数字模型 3
4 在UG中对叶轮进行五轴联动数控编程 5
4.1 编程前期准备 5
4.2 叶轮的开粗 7
4.3 叶轮精加工 12
5利用3D打印技术获取叶轮实体模型 22
6 结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 引言
1.1 离心叶轮简介
通常，离心叶轮的主要作用是将流体动能转化为机械能，在飞机发动机、船舶轮机、涡轮增压器中都有着广泛的应用，是航天航海、能源动力这些产业中所所必不可失的重要零部件。叶轮在工业领域使用的普遍性决定了它对产品性能影响的关键性。例如飞机引擎，其中离心叶轮的加工精度和质量直接决定到了它的性能和可靠性。
1.2 课题研究的意义
由于离心叶轮是典型的复杂结构零件，其刚度低、薄壁多、曲率变化大的特点导致普通三坐标加工难度极高，甚至根本无法进行加工，所以目前世界上主流加工方式都是采用五轴联动数控加工[1]。由于叶轮的复杂性，在其加工制造上有着非常高的要求，制造叶轮的技术可以说是衡量一个国家制造水平的重要标杆。
进入二十一世纪以来，计算机技术得到了空前的提高，在机械行业
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/> 1.2 课题研究的意义
由于离心叶轮是典型的复杂结构零件，其刚度低、薄壁多、曲率变化大的特点导致普通三坐标加工难度极高，甚至根本无法进行加工，所以目前世界上主流加工方式都是采用五轴联动数控加工[1]。由于叶轮的复杂性，在其加工制造上有着非常高的要求，制造叶轮的技术可以说是衡量一个国家制造水平的重要标杆。
进入二十一世纪以来，计算机技术得到了空前的提高，在机械行业，计算机辅助制造技术(CAM)也有了充分的发展。利用计算机基于理想状态下进行辅助制造，大大提高了编程效率，在余量、公差方面能够控制的非常精确，从而保证了叶轮的加工精度。在软件方面，目前 Powermill、Worknc、Ug都具有相当成熟的五轴联动编程系统。本文主要研究的是如何利用计算机辅助制造技术对叶轮的五轴数控机床的加工路径规划，并采用逆向工程技术对叶轮进行二次设计。
1.3 主要研究任务
①利用扫描仪扫描叶轮实体得出点云数据，进行模型重构，得到数字模型。
②分析离心叶轮数字模型的总体结构，进行数控编程仿真加工。
③3D打印出叶轮实体模型。
2 课题总体方案设计
2.1 叶轮的结构分析
离心叶轮的曲面造型分为轮毂曲面和叶片曲面两个部分，叶片分为主叶片和分流叶片，叶片由包裹曲面、压力曲面和吸力曲面组成。叶轮轮毂曲面和上下端面是通过曲线绕z轴旋转得到的实体，UG的创建回转体功能在此非常实用，无论是闭环曲线还是开环曲线都可以通过绕轴或绕点旋转得到实体曲面[2]。包裹面也是同理。叶片的建模则只需要在轮毂和包裹建模完成之后进行即可。每组叶片可能含有多个叶片，本例是每组两个叶片，即主叶片和分流叶片。本课题前期材料为叶轮的实物模型，主要任务是在数字模型基础上进行编程，所以正向曲面造型并非本文重点，在此不多作详述了，接下来需要研究的是逆向重建模型。
2.2 利用逆向工程进行叶轮模型重构
从上世纪60年代开始，日本对逆向工程就有了初步的探索，并且在工业设计和制造领域有了一些不错的成绩。逆向技术使日本在产品的创新层面有了更多的进步，在二十一世纪，逆向工程更是称为了设计与制造业的一种重要方式。
Kwok把三坐标测量仪和计算机辅助设计软件联系起来，在实物上所测量到的点都可以实时转化为数字点，而且这一过程是可视的，支持实时进行改动。缺点是模型只能以框线图显示。Motavalli将工业相机与接触扫描仪并行工作，这套系统不仅可以得到扫描数据，还支持以曲面形式表达模型。Robert在三坐标扫描仪上加入了接触探头，这使得该测量仪在采取实物表面点云数据之后能够定义模型的几何体特征[3]。
离心叶轮的表面通常是由高度扭曲的曲面构成的，普通测绘手段无法表达其复杂的结构特征，所以国内一般的设计方法都是利用逆向工程进行复制和修改。利用逆向工程可以大大的缩短设计周期，能够设计复杂外形的零件，所以在没有零件图纸的前提下，采用逆向工程设计会是十分方便和精确的。
2.3 叶轮加工工艺分析
叶轮的表面模型设计为极其扭曲的表面，并且其叶片极大地彼此重叠。如果采用传统的三轴加工，刀具与叶片之间将会有严重冲突。对于这种复杂的形状，一般的惯例采取五轴加工。五轴不同于三轴加工的地方在于，五轴机床中刀具轴能够旋转，所以可以适应切削表面曲率变化，避免碰撞或刀具与工件之间的干涉[4]。此外，五轴加工可以提高自由度、 精度、 效率和机械加工零件的表面质量，以满足各种要求的产品的设计质量。由于高成本的五轴机床和日益复杂的相对趋势，刀具与工件之间如何规划有效加工路径以及如何获得正确的刀具位置是一项重要任务。这将成为本研究的主要焦点。
在本课题中，叶轮的流道、根部圆角以及叶片等曲面都需要进行加工。叶片通常具有大扭角，根部则是采用变化的圆角结构，以满足叶轮的流体动力性要求。根据本课题来看，加工难点有以下几点：
（1）叶片长度较长，刚度低，叶片厚度小，流道窄，加工时很容易发生变形问题。
（2）叶片之间空间非常小，导致很难容刀。圆角加工时只能使用最大半径为R3的刀具，容易出现折断的问题，所以切削深度也要控制好。
（3）本课题的叶轮叶片有主叶片和分流叶片组成，加工易发生干涉，难度较高，想要保证加工面的一致性也会有一定的难度。
尺寸、形位公差、粗糙度等技术要求在叶轮整体加工时很重要，机械、化学、物理等性能要求也包含在内。在加工叶轮之前，对毛坯进行详细的检查是很有必要的，叶轮叶片的表面质量必须要达到一定的要求。精度尤其在轮毂面和叶根叶片表面特别集中，表面粗糙度的数值应该
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