鋒速達通風降溫系統(tǒng)
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廠房降溫風機基于UGS NX7的風扇輪加工刀路軌跡設計湖北三環(huán)高壓
關(guān)鍵詞：NX7.0；風扇輪；多軸加工
0引言
整體式風扇輪加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個重要課題，采用數(shù)控多軸加工是目前國內(nèi)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(xiàn)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(fā)生干涉外，還容易與相鄰葉片發(fā)生干涉；3）刀位規(guī)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(nèi)簡稱UG，原名：Unigraphics）是一個由西門子UGSPLM軟件開發(fā)，集CAD/CAE/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。由于其強大的數(shù)控編程功能，使其在國內(nèi)數(shù)控編程軟件中占據(jù)主導地位。其CAM模塊中的PlanarMilling、CavityMilling、FixedAxisMilling、VariableAxisMilling、SequentialMilling和PointtoPoint等加工操作為數(shù)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(qū)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(guān)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(guān)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(gòu)成空間某個角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。在UGSNX7中通過控制刀軸矢量、驅(qū)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(yōu)化后驅(qū)動”、“垂直于驅(qū)動體”、“側(cè)刃驅(qū)動體”、“相對于驅(qū)動體”、“4軸，垂直于驅(qū)動體”、“4軸，相對于驅(qū)動體主”和“雙4軸在驅(qū)動體”。這些方式靈活運用能夠很好的提高加工質(zhì)量、避免過切和減小刀具的伸長量。
1.2驅(qū)動方式
驅(qū)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(guān)重要。
1.3投影方向
投影方向是指由驅(qū)動方式生成的驅(qū)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(qū)動體”、“朝向驅(qū)動體”和“側(cè)刃劃線”共9種。
1.4加工曲面的材料側(cè)
加工曲面的材料側(cè)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(jù)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(yōu)先”的切削順序，設置部件側(cè)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(zhì)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(qū)域，設置驅(qū)動方式選擇“流線”，步距數(shù)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(cè)面精加工
為了讓葉片側(cè)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(wǎng)格等命令完成見圖6輔助加工曲面的創(chuàng)建。
創(chuàng)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(qū)動方式選擇“流線”，步距數(shù)為30，切削模式為“往復”，投影矢量為“朝向驅(qū)動體”，刀軸為“側(cè)刃驅(qū)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(gòu)建加工驅(qū)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(chuàng)建VeriableCoutour加工操作，選擇底面平面為指定切削曲面，設置驅(qū)動方式選擇“曲面”，并設置好驅(qū)動體切削區(qū)域和切削方向，步距數(shù)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(cè)刃驅(qū)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(cè)面、三個槽的頂面圓角和側(cè)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)過程中，根據(jù)窯內(nèi)加料多少及窯身轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整風門擋板開度對通風機的風量進行調(diào)整，保證窯頭爐內(nèi)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(chǎn)過程中，風門擋板開度在40%左右，風門檔板兩側(cè)風壓差較大，造成較大的節(jié)流損失。
該窯尾通風機為6kV的高壓電機，其基礎數(shù)據(jù)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(shù)：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(diào)速改造，采用我公司自行研發(fā)的SH-HVF-Y6K-600型高壓變頻器，現(xiàn)運行方式為風門擋板全開，通過變頻來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)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(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為2003年的全年統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算出的平均值。
改造后數(shù)據(jù)記錄
換新表后 (數(shù)字式) 此記錄過程窯基本為滿負荷狀態(tài)
從上述改造前后計算的數(shù)據(jù)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(jié)電量為 100kW*24小時=2400度
年節(jié)電量為： 2400*330=792,000度
按每度電0.5元，則年節(jié)能效益為 792000*05=39.6萬元
節(jié)電率為： 100/188=53%
現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)，而不影響回轉(zhuǎn)窯正常運轉(zhuǎn)。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(diào)速器于2004年8月29日投入生產(chǎn)使用，回轉(zhuǎn)窯正常生產(chǎn)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?yōu)?0Hz左右，設備運行平穩(wěn)。
從變頻調(diào)速器的使用情況來看，具有以下的優(yōu)點。
(1) 安裝簡單，即將原高壓開關(guān)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(diào)整。
(3) 能進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)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(wěn)，啟動電流小，可靠性高。
(5) 節(jié)電效果顯著。
(6) 由于電動閥門的動作次數(shù)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(diào)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(diào)速、節(jié)電、軟啟動方面，對企業(yè)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(diào)速節(jié)能改造非常成功，其節(jié)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?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。現(xiàn)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(yè)會有更多的用戶認可并接受變頻節(jié)能改造。
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