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UG软件在涡旋压缩机涡旋盘设计与加工中的应用 |
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作者：王训杰 刘勇 李菊华 |
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涡旋压缩机主要由动涡旋盘和静涡旋盘组成，动涡旋盘和静涡旋盘具有相同渐开线形成的涡旋柱面壁，相位差180°相对组合而成，并形成数对月牙形封闭空间，即压缩腔，通过压缩腔的变化改变容积，以此达到压缩气体的目的。其优点为：结构简单、体积小、重量轻、零件少(特别是易损件少)、可靠性高。作者主要讨论基于UG软件平台进行涡旋压缩机的零部件设计和加工。
1 动涡旋盘实体绘制
涡旋盘的结构具有多变性和复杂性。由于型线方程的不同，其参数化的量不同。常用的型线方程有圆渐开线、多边形渐开线、阿基米德螺旋线。有的型线其齿根心部往往需要修正，修正方程不同其参数量也不同。常用的修正方法有图解法和解析法两种，而图解法中又分为双圆弧修正和直线圆弧修正。无论采取哪种修正方法，只要搞清零件最本质特征尺寸关系，从参数最少化原则出发，总是可以进行完全或部分参数化设计。作者仅从圆渐开线方程和刘振全教授提出的型线修正法考虑。
动涡盘由涡旋齿、轮毂和端板等结构组成。涡旋齿为柱面，当齿型为圆渐开线，修正角γ和齿厚h时，通过重定义曲线方程参数可以得到各种涡旋齿。
轮毂基本参数尺寸不能用数学关系式简单表示，内径和长度根据强度、轴承系列尺寸、装配等要求决定。
作者利用UG提供的公式表达式功能来实现内外涡旋型线的绘制。步骤如下：
(1)利用公式表达式输入方法，得到一条曲线。公式表达式式对话框如图1，利用编辑菜单中的转换工具生成第二条曲线。
图1 表达式输入对话框
(2)修正渐开线的根部。采用兰州理工大学刘振全教授提出的型线修正方法，如图2。
图2 涡旋盘型线
(3)利用UG的特征造型功能，绘制涡旋壁体、凸台与键槽剖面及其他部分，完成涡旋盘的三维实体造型，如图3、4。
2 涡旋齿的加工方法
常用的加工方法有展成法加工和直角坐标系加工法。展成法加工是利用机床的C轴和X轴的合成运动，工作台沿Y轴方向移动基圆半径的距离，随后X轴沿正方向运动，同时C轴顺时针方向旋转，根据基圆渐开线的几何特性，C轴转动一周，X轴移动2πa，这种合成运动连续地进行，刀具的包络线形成涡旋壁的外侧和内侧。如图5为展成法加工示意图。
图5 展成法加工示意图
直角坐标系加工是利用丝杠X、Y轴的运动，刀具中心沿中心线轨迹运动，就可以加工出涡旋齿型。丝杠的返程误差是影响涡旋盘渐开线轮廓误差的主要原因。如图6为直角坐标系下的加工示意图。
图6 直角坐标系下的加工示意图
3 基于UG的涡旋盘加工
3.1 准备工作
在进行零件加工前，要做一些准备工作，如创建毛坯、初始化加工环境、创建加工刀具、几何体父级组等。
3.1.1 创建毛坯
利用主菜单中的“插入/设计特征/拉伸”命令或直接单击“成形特征”工具栏中(拉伸体)图标，绘出毛坯如图7示。
图7 动涡旋盘毛坯图
3.1.2 初始化加工环境
进入加工模块，系统弹出“加工环境”对话框，指定CAM 进程配置文件为Cam_general，CAM设置为M ill_contour。单击“初始化”按钮进行加工环境的初始化设置。
3.1.3 创建几何体
进入“创建几何体”对话框，选择子类型为机械坐标系MCS，父级组为GEOMETRY，名称为MCS，单击“确定”按钮进行坐标系建立。
设定安全平面相对XC-YC平面的距离为60，即安全高度为60mm。
创建铣削几何体。单击创建工具栏中创建几何体图标，打开“创建几何体”对话框，选择子类型为铣削几何体，父级组为MCS，名称为M ILL_GEOM，单击确定进行几何体建立，选择部件几何体和毛坯几何体。
3.1.4 创建加工刀具
创建第一把直径为20mm立铣刀(用于粗加工)，创建第二把直径为18mm立铣刀(用于精加工)，在“操作导航器”中观察创建的加工刀具。
3.2 涡旋盘的粗加工
3.2.1 型腔铣操作对话框输入
打开型腔铣操作对话框，单击创建工具栏上的创建操作图标，开始进入新操作的建立，系统弹出“操作”对话框进行以下设置：
“类型”选择M ill_contour；
“子类型”选择型腔铣(Cavity_m ill)加工；
“使用几何体”为M ILL_GEOM；
“使用刀具”为M ILL_ed20；
其余默认。
3.2.2 设置用户参数
在CAVITY_M ILL对话框中，进行如下设置：切削方式选用跟随周边，在“步进”下拉列表框中选择“刀具直径”，“百分比”选项输入70，在“每一刀的全局深度”选项输入2。
3.2.3 设置进刀退刀参数
在CAVITY_M ILL对话框中，在“进刀/退刀”选项下方单击“自动”按钮，在“自动进刀/退刀”对话框中进行以下设置：
“倾斜类型”设定为“螺旋的”；
“斜角”设定为10；
“圆弧半径”设定为3；
“重叠距离”设定为0；
其余默认。
3.2.4 设置切削参数
在“切削参数”对话框中，“切削顺序”选择“层优先”，“切削方向”选择“顺铣切削”，选择“岛清根”，选择“清壁”选项为“在起点”，其余选择按默认设置。
选择“切削参数”对话框中的“毛坯”选项中的“毛坯”选项卡，将“部件侧面余量”设置为0.3，其余默认。
3.2.5 设置进给率
在“进给速度”对话框中单击“从表格中重置”按钮，使系统重新计算进给速度。
3.2.6 设置机床控制器参数
在“机床控制”对话框中单击“结束事件”栏下的“编辑”按钮，分别单击Spindle Off(主轴转停)和Coolant Off(切削液关)选项，然后单击下方的“添加”按钮，在弹出的对话框中单击“确定”按钮，则Spindle Off和Coolant Off两事件被加入到“定义列表”中。
3.2.7 生成粗加工路轨迹并检视
生成的刀路轨迹如图8示。
图8 动涡旋盘加工刀路图
检视刀具轨迹。在完成上述步骤的设定后，系统将产生完整的刀具轨迹，在图形区通过旋转、平移、缩放视图，再单击“重播”按钮，重新回放刀具轨迹，以便检查在刀具轨迹的生成过程中，刀具是否发生了过切或者生成了错误的刀具轨迹。
粗加工动态仿真。单击“确定刀轨”按钮，进入“可视化刀轨轨迹”对话框，单击选择“2D动态”选项，调整动画速度，完成后单击“播放”按钮，进行动态切削仿真。若确定刀具轨迹没有过切，刀具轨迹正确，则接受生成的刀具轨迹。
3.2.8 后处理
单击粗加工程序图标，然后选择主菜单中“工具/操作导航器/输出/NX后处理”或者直接单击“加工操作”工具栏中的“后处理图标”，在“可用机床”列表中，选择M ILL_3_AXIS机床，在“输出文件名”下的文本框中输入文件名及路径，然后单击“确定”按钮，生成NC程序。
将产生的刀位轨迹利用UG/PostTools(后置处理器)进行后置处理，生成三轴铣床上使用的G代码。
4 结束语
作者利用UG完成涡旋盘设计、G代码生成过程，不仅极大提高设计效率，减少绘图、编程的工作量，而且能较好满足涡旋盘加工精度的要求，为涡旋压缩机设计、生产提供一套行之有效的方法。
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(2/21/2012) |
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佳工网友 hyx
于7/16/2015 11:54:00 AM评论说：
现在有一种涡旋盘型线叫<<涡旋盘结构>>, 这种涡旋盘型线均由半园組成, 不需要进行涡头型线修定, 设计非常简单,因为型线只有半圆弧线,不需要特殊软件,仅用CAD就能进行涡旋盘设计,当为等壁厚时,两圈时压缩体积比为3, 三圈时压缩体积比为5, 四圈时压缩为7, 五圈时压缩体积比为9, 这种涡旋盘型线也能实现变壁厚设计, 排气口大小由涡头厚度确定，只需两圈，实现任意压缩体积比, 当涡头型线厚度足够厚时，驱动轴可插入涡头中，减少倾覆力矩的影响，这种型线是一种通用型线，(电话：13510818795)
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