叶轮造型与加工支撑软件的选择及技术特性

　　1 叶轮设计制造需采用CAD/CAM技术

　　叶轮是离心压缩机等的核心部件。其加工质量的优劣对压缩机的性能有着决定性的影响。20世纪80年代中期，在先进透平机械的结构设计中，出现了“三元整体叶轮”结构。三元叶轮是根据透平式流体机械内部流体的三元真实流动状况而设计的，能大幅度地降低能耗。整体式三元叶轮是指轮毂和叶片在同一毛坯体上，因其具有结构紧凑、曲面误差小、强度高等优点，在现代航空发动机和流体机械中的压缩机、鼓风机和水泵中得到了广泛应用。但由于叶轮采用了整体式结构，而叶片的形状又是由机械中最难加工的复杂形状扭曲曲面构成的。所以其制造有很大的难度，被公认为机械加工的“难点”，整体叶轮加工技术一直是工艺人员研究的课题之一。

　　随着对叶轮气动性能的要求不断提高，整体叶轮形面部分日趋复杂，其制造需采用CAD/CAM技术，应用五坐标数控机床加工实现(图1)。且因为刀具轨迹较为复杂，生成的数控程序也较长，手工计算费工费时，所以通常要借助于CAD/CAM系统软件。为此需要选择能满足叶轮复杂几何形状三维造型功能和能够生成高效率叶轮五轴加工NC程序的软件系统，也就是要选择合适的叶轮造型与加工支撑软件，形成相应的应用和开发环境。现在CAD/CAM软件的种类较多，侧重的功能与应用的工业领域亦有很大的不同，合理地选用一套系统支撑软件，可以极大地提高工作效率，降低生产成本。

　　图1 叶轮加工示意图

　　CAD技术目前流行的技术基础理论主要是以Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC/I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体特征造型技术。如今参数化及变量化设计思想和特征造型代表了当今CAD技术的发展方向。

　　CAM技术是在数控机床广泛应用基础上发展起来的。一般大型的CAD软件如PRO/E，I-DEAS等均集成CAM，当然也有专用的CAM软件，比如HyperMill，PowerMill和EdgeCAM等。一般是CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路，系统的操作也更符合工程化概念。具有代表性的是Pro/E、NX等。基本特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。在编程开发方面对人员的技术水平要求较高。目前新一代CAM系统如PowerMill和HyperMill等采用面向整体模型对象、面向工艺特征的基本处理方式，使系统的自动化水平、智能化程度大大提高。系统结构独立于CAD、CAPP系统而存在，为CAPP的发展留下空间，更符合网络集成化的要求，代表了当今CAM技术的发展方向。

　　2 典型CAD/CAM软件的技术现状及使用功能比较

　　CAD/CAM系统软件种类很多，一般可分为集成型和单一功能型两种。集成型CAD/CAM系统软件提供了设计、分析、造型、数控编程及加工控制等多种模块，功能比较完备;单一功能型支撑软件只提供用于实现CAD/CAM中某些典型过程的功能。IDEAS、NX、Pro/E、CATIA等属于集成型CAD/CAM软件。这类软件原来是以工作站和UNIX操作系统为支撑平台，后来才移植到了微机Windows平台上，属于高端工作站CAD/CAM系统。而Solidworks、Solid Edge、Inventor/MDT、Cimatron、Mastercam等也属于集成型CAD/CAM软件，但其一开始就是基于PC的Windows平台开发的，属于中端三维CAD/CAM系统。单一功能型软件常见的主要有Solid Edge，SurfCAM，PowerMill，HyperMill等。

　　Cimatron的2D和3D模块都是自己开发的，建立了统一的模型，可以实现2D与3D的相关图形变换，无缝集成。CAD/CAM/CAE集成系统可向用户提供2D、3D、CAM2～5轴加工、CAE、PDM与多种数据转换接口、用户开发工具等50多个软件包。为贯穿设计和制造全过程的集成化系统。

　　NX是一套高阶CAD/CAM系统。NX采用复合式建模，即将参数化设计与传统的实体、曲面和线框功能结合在一起，设计者可依工作的需求选择最适合的建模方式。NX提供高效能的曲面建构能力，能够完成复杂的造型设计。

　　另一款软件产品Solid Edge是专门为机械行业设计的普及型CAD软件。采用“流”技术，使其非常易于学习和使用;是PLM系统的一个分支，能与NX无缝集成;Solid Edge基于PC Windows系统开发，属于中端三维CAD系统;与MS-Office和MS-OLE技术兼容，使用CAD系统时，能够进行Windows下的字处理、电子报表、数据库、演示和电子邮件等，也能与其他OLE兼容系统集成。

　　Pro/E软件采用全参数化造型技术，比较适合于零件相对简单、装配部件结构比较复杂的产品设计。Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的，这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。基于特征的参数化造型技术使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素，并且可以按预先设置很容易地进行修改。它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。

　　CATIA源于航空航天业，是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，其最新版本和IBM合作开发。Dassault Aviation是世界著名的航空航天企业，其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA也是采用的复合建模技术，是世界上最早的三维曲面造型CAD/CAM软件。经过几十年的发展，在世界上有超过13000的用户选择了CATIA。CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。

　　SolidWorks软件于1995年问世，是一个在微机平台上运行的通用机械设计CAD软件，是一个很实用的CAD系统，适合于广大中小企业使用。整个软件在Windows下开发，充分利用了Windows图形用户界面的优势，简单、易学，便于掌握。符合Windows标准的应用软件，可以集成到Solidworks软件中，从而为用户提供了一体化的解决方案。

　　Mastercam软件是美国CNC Software公司开发的基于PC平台的CAD/CAM系统。诞生于1984年，具有良好的性能价格比，是工业界及学校广泛采用的CAD/CAM系统。Mastercam价位适中，对于广大的中小企业来说是理想的选择，装机量为同类软件第一位。在我国，由于Mastercam软件特别适合我国目前企业的经济及技术实力，所以具有广大的用户。Mastercam不如工作站软件功能全、模块多，但对硬件的要求不高，且操作灵活，易学易用。

　　SurfCAM是欧美等国家在制造业领域流行的CAM软件，由美国Surfware软件公司开发，是一种既可在工作站上使用又可运行在微机环境下的计算机辅助制造软件。适用于各类中小生产规模制造企业，价格便宜，易学易用。

　　EdgeCAM是由英国Pathtrace公司在Windows平台上开发的CAM软件。也是比较适用于中小企业的一款软件产品。EdgeCAM软件直接针对实体模型进行编程，其兼容性较好。EdgeCAM具有广泛的加工应用范围，其最突出的特点就是支持车铣复合加工。EdgeCAM的后处理界面友好，操作简单，可由用户自己完成后处理的配置，无需软件供应商专门定制。
(本文不涉密)
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