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生产负压风机基于UGS NX7的风扇轮加工刀路轨迹设计湖北三环高压
关键词：NX7.0；风扇轮；多轴加工
0引言
整体式风扇轮加工技术一直是制造业中的一个重要课题，采用数控多轴加工是目前国内外广泛采用的整体式风扇轮加工方法。整体式风扇轮的加工难点主要表现在：1）整体式风扇轮形状复杂，其叶片多为非可展扭曲直纹面；2）相邻叶片的空间较小，加工时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，还容易与相邻叶片发生干涉；3）刀位规划时的约束条件多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。
UGSNX7（国内简称UG，原名：Unigraphics）是一个由西门子UGSPLM软件开发，集CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。由于其强大的数控编程功能，使其在国内数控编程软件中占据主导地位。其CAM模块中的PlanarMilling、CavityMilling、FixedAxisMilling、VariableAxisMilling、SequentialMilling和PointtoPoint等加工操作为数控铣削加工编程提供了良好的解决方案。特别其灵活、方便的刀路驱动方法和刀轴控制方法使得多轴加工编程变得容易。本文在研究了UGSNX7软件和多轴加工刀路轨迹设计关键点基础上完成了风扇轮多轴加工刀路轨迹设计。
1多轴加工刀路轨迹设计关键点
多轴加工过程是程序通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。在UGSNX7中通过控制刀轴矢量、驱动几何体、投影方向和加工面来完成多轴加工刀路轨迹设计。
1.1控制刀轴矢量方式
在UGSNX7中提供了18种控制刀轴的方式，分别是：“远离点”、“朝向点”、“远离直线”、“朝向直线”、“相对于矢量”、“垂直于部件”、“相对于部件”、“4轴，垂直于部件”、“4轴，相对于部件”、“双4轴在部件上”、“插补”、“优化后驱动”、“垂直于驱动体”、“侧刃驱动体”、“相对于驱动体”、“4轴，垂直于驱动体”、“4轴，相对于驱动体主”和“双4轴在驱动体”。这些方式灵活运用能够很好的提高加工质量、避免过切和减小刀具的伸长量。
1.2驱动方式
驱动方式包含了“曲线/点”、“螺旋式”、“边界”、“曲面”、“流线”、“刀轨”、“径向切削”、“外形轮廓加工”和“用户自定”等方式，这些方式合理选择对于生成合理刀路至关重要。
1.3投影方向
投影方向是指由驱动方式生成的驱动刀具路径如何投影到切削面的矢量，对于最终刀具路径生成影响重大。包含有：“指定矢量”、“刀轴”、“远离点”、“朝向点”、“远离直线”、“朝向直线”、“垂直于驱动体”、“朝向驱动体”和“侧刃划线”共9种。
1.4加工曲面的材料侧
加工曲面的材料侧是指向材料被去除的方向矢量。
2风扇轮多轴加工刀路轨迹设计
根据风扇轮的形状，选择圆柱体棒料为毛坯，并设置加工坐标系原点在零件的最高处的轴线上，见图1。对于叶片的精加工，其策略为先对单一叶片加工刀路设计，然后通过变换复制完在整个风扇轮叶片精加工刀路设计。
2.1风扇轮整体粗加工
粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，考虑的重点是加工效率，遵行“大刀开粗，小刀清角”原则，粗加工分别选用Φ12和Φ6的立铣刀，切削深度分别为0.8mm和0.5mm。使用CavityMill加工操作，选择“跟随周边”的切削方式，和“深度优先”的切削顺序，设置部件侧面与底面留余量为0.3mm。其刀具路径见图2～3。
2.2叶片顶面精加工
对于叶片顶面的精加工可以采用三轴加工完成，但是考虑加工质量和刀长，选择VeriableCoutour加工操作。使用Φ5R2.5的球刀，选择整个风扇轮为部件，叶片顶面曲面为切削区域，设置驱动方式选择“流线”，步距数为20，切削模式为“往复”，投影矢量为“朝向点”，即朝向叶片顶面所在球面的球心点，刀轴为“垂直于部件”，然后设置好“非切削”选项中的进退刀方式，完成刀路见图4。再对图4所示刀路复制操作，完成整个叶片顶面精加工刀路见图5。
2.3叶片侧面精加工
为了让叶片侧面精加工刀路更合理，需要对风扇轮零件进行编辑处理并做辅助曲面；先复制一份风扇轮实体，通过直接建模功能删去某一叶片有顶面圆角，再通过抽取曲面、扩大曲面、修剪片体、曲线桥接和通过曲线网格等命令完成见图6辅助加工曲面的创建。
创建VeriableCoutour加工操作，并使用Φ5R2.5的球刀，选择图6所示曲面为部件，设置驱动方式选择“流线”，步距数为30，切削模式为“往复”，投影矢量为“朝向驱动体”，刀轴为“侧刃驱动体”，然后设置好“非切削”选项中的进退刀方式，完成刀路见图7。完成复制后的整个刀路见图8。
2.4叶片清根加工
叶片清角加工前先复制风扇轮实体，删去其根部圆角特征后构建加工驱动用辅助面，完成后见图9。选用Φ8R4的球刀进行成形铣清角加工。创建VeriableCoutour加工操作，选择底面平面为指定切削曲面，设置驱动方式选择“曲面”，并设置好驱动体切削区域和切削方向，步距数为0，切削模式为“往复”，投影矢量为“指定矢量”，选择沿Z轴投影，刀轴为“侧刃驱动体”，然后设置好“非切削”选项中的进退刀方式，完成刀路见图10。完成复制后的整个刀路见图11。
2.5其余部分精加工
剩下的底面、叶片竖起侧面、三个槽的顶面圆角和侧面可分别使用面铣操作、等高操作和固定轴面面轮廓铣操作三轴加工操作完成刀路设计，在此不做赘述，其刀路图见图12和图13。
3结论
本文完成了风扇轮加工的刀路轨迹设计，其方法合理可靠，可为同类产品的多轴加工刀路轨迹设计提供了设计思路和方法。
参考文献
[1]李朝光,谢龙汉.UGNX5中文版多轴加工及应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]姜厚文,杨浩,张振亚.UGNX6固定轴与多轴铣培训教程[M].北京:清华大学出版社,2010.
[3]章泳健，潘毅，陆建刚，等.基于NX的汽轮机叶片多轴加工中的关键技术研究[J]，制造技术与机床，2010（1）：25-28.
[4]陈德存.基于UGNX6.0的整体叶轮多轴加工技术[J].风机技术,2011（1）：50-52，65.
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杭州三狮水泥有限公司的窑尾通风机电机为6kV供电的三相异步电动机，功率为400kW。原生产过程中，根据窑内加料多少及窑身转速，通过调整风门挡板开度对通风机的风量进行调整，保证窑头炉内温度控制在900℃左右。由于通风机电动机设计裕度较大，正常生产过程中，风门挡板开度在40%左右，风门档板两侧风压差较大，造成较大的节流损失。
该窑尾通风机为6kV的高压电机，其基础数据如下
负载：离心式风机 工作电压：6kV 额定功率：400kW
平均工作电流：26A 功率因数：0.84 平均挡板开度：40%
我公司对该通风机电动机进行变频调速改造，采用我公司自行研发的SH-HVF-Y6K-600型高压变频器，现运行方式为风门挡板全开，通过变频来调节电机转速，从而达到调整通风机风量的目的。
本次变频改造前后，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析如下。
改造前，由双方确定的电动机年平均功耗为188kW，此数据为2003年的全年统计数据计算出的平均值。
改造后数据记录
换新表后 (数字式) 此记录过程窑基本为满负荷状态
从上述改造前后计算的数据可知，改造后比改造前的功耗可下降达100kW（参照改前平均值188kW为标准计算），则：
日节电量为 100kW*24小时=2400度
年节电量为： 2400*330=792,000度
按每度电0.5元，则年节能效益为 792000*05=39.6万元
节电率为： 100/188=53%
现将改造前后风机性能对比列表如下：
本变频器还同时设计有工频旁路回路，以避免万一变频器出现故障时，可将电动机直接切至原工频供电回路，以保证电机的正常运转，而不影响回转窑正常运转。因此，在改造时，保留了用户原有的电机定子降压起动电抗器，以保证电机工频时能正常启动。
变频调速器于2004年8月29日投入生产使用，回转窑正常生产时，通风机电机平均电流由原来的26A，下降到9A，电源频率由工频50Hz变为30Hz左右，设备运行平稳。
从变频调速器的使用情况来看，具有以下的优点。
(1) 安装简单，即将原高压开关柜与电动机之间插入安装变频器，对原有接线改动不大。
(2) 操作使用方便，变频器操作只有简单的开机、停机和频率调整。
(3) 能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，适用性强。
(4) 保护功能完善，故障率低，通风机启动平稳，启动电流小，可靠性高。
(5) 节电效果显著。
(6) 由于电动阀门的动作次数大大减少，减少了工程的设备故障。
(7) 电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。
交流变频调速器，以适用性强、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用户的欢迎。它应用在调速、节电、软启动方面，对企业有很大的实用价值。由于杭州三狮水泥有限公司的高压变频器调速节能改造非常成功，其节能明显，且同时提高了整个工程的工艺性能，得到用户的好评，并在当地水泥行业中产生了很大的影响。现我公司已分别同该工程中的浙江绍兴三狮水泥公司、浙江上峰水泥厂签订了10kV变频改造项目各一套，随着变频改造的成功推广，水泥行业会有更多的用户认可并接受变频节能改造。
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