基于Solidworks的氢气循环泵转子零件数控加工研究

翟欢乐 汪涵沣 束怡

摘要：以氢气循环泵转子零件为研究对象，解决氢气循环泵转子零件的模拟数控加工问题，又因为转子零件受夹紧力、切削热和刀具震动等因素的影响，铣削加工过程中容易出现变形、振纹等问题。使用AutoCAD软件进行二维轮廓的处理，利用Solidworks为其三维建模，采用Solidworks CAM数控加工编程插件对转子零件进行数控铣床的模拟加工，利用插件的铣削功能作为转予零件的加工类型，采取适合转子零件的数控加工编程程序，最后利用后处理程序导出NC代码，得到高精度、高效率、高可靠性的转子数控加工程序以及运用Solidworks CAM插件模拟刀路轨迹，实现了对氢气循环泵转子零件铣削加工工艺的改进，有效解决了氢气循环泵转子零件在铣削加工的难点，对学校实训和企业加工转子类的零件具有一定的指导意义。

关键词：Solidworks CAM;转子;数控加工

中图分类号：TG659

文獻标志码：A

文章编号：1009-9492（ 2022）02-0039-03

0 引言

国内燃料电池产业发展形势向好，随着植保型无人机逐渐发展成为一种常见的农业生产机械，无人机燃料电池也具备很好的市场发展潜力。氢气循环泵作为燃料电池系统提高效率及提升飞行稳定性的关键装备，具有很好的产业化前景。而转子零件作为氢气循环泵的核心零件之一，保证零件的正常运转，安全生产具有十分重大的意义。

数控加工编程是转子零件设计制造的最初步骤[1]，在这一步骤中，主要对转子零件在加工需求上进行工艺优化和改进，经由编程形成产品加工制造方案[2]。现代数控编程技术辅助下所形成的产品加工制造的方案中包括加工制造的流程、工艺和参数等基本内容，比如：机床、夹具与工装设备选型;刀具路径和切削;工件的几何模型、刀路轨迹和产品加工计算路径等基本的内容[3]。陕西理工大学晁瑞[4]利用Matlab进行计算，Ansys仿真分析力学特性，再通过UC加工模块对加工所需刀具、切削参数、加工步骤、刀具轨迹等进行规划，生成相应的NC程序，最后通过VERICUT建立虚拟加工环境。东北大学王振德[5]禾UG/UC/CAD模块完成了毛坯，夹具及机床的集合体的参数化建模，利用UC/CAM模块进行整体铣削工序的数控加工编程，优化了工艺参数，生成了NC程序，最后使用VERICUT仿真实际加工。哈尔滨工业大学张念[6]应用CATIA进行数控加工的工序为“生成装配流程——调整装配顺序——设置装配路径——设置时间——设置切换效果——关键件装配仿真——干涉检查——数控加工”。郑州机械研究所乔永钦[7]使用Inventor软件，先对零件的二维图使用Inventor最常用的放样，扫掠等高级功能或者嵌入完整的VBA程序使其建模仿真，然后优化特征，根据“建立装配位置——转子实体的建立——模拟加工环节”完成加工工序。

本文以Solidworks为例，以氢气循环泵的转子零件作为研究对象，利用AutoCAD软件绘制出转子零件的二维轮廓，利用Solidworks软件为其三维建模，因为转子零件轮廓的复杂性，所以要确保转子零件轮廓闭合。采用Solidworks CAM插件对转子进行数控铣床编程以及模拟仿真数控加工，以确保转子零件在加工时在公差范围之内，达到设计要求。采取适合转子零件的数控加工编程程序，经过多次的实验，找出能满足氢气循环泵完美运转的转子零件数控加工工艺参数，最后使用后处理程序导出NC代码，得到高精度、高效率、高可靠性的转子零件数控加工工序，之后将NC代码导入至机床，让机床进行成品的加工。

1 Solidworks CAM插件的使用流程

Solidworks CAM为Solidworks的数控加工插件，可以实现模拟铣削加工、孔加工、车削加工等，将零件导入到这个插件，可以实现零件的加工轮廓提取，生成加工计划，生成刀路轨迹，模拟刀路轨迹等操作。在生成计划完成之后还可以调整刀具参数、机床参数、首切量、最大切削量，也可以根据图纸的技术要求自己编写数控加工程序，如果加工程序满足图纸要求可以后处理导出NC代码，交给机床加工。

（1）编辑机床。用于选择编辑机床的类型及机加工时所使用的刀具。

（2）毛坯管理。用于设置零件毛坯的参数。

（3）设置坐标系。机械加工中，零件一般都是自上而下的加工，所以坐标系一般都以零件毛坯的最高面为基准。

（4）铣削零件设置。用于设置被加工零件的细节参数。

（5）生成操作计划。生成零件的数控加工操作方案。

（6）调整粗加工、轮廓加工等细节加工的参数。如刀的参数、铣削方法、深度参数、深度处理、凹腔加工等等。

（7）模拟刀路轨迹。检查刀路轨迹是否符合图纸的要求，符合图纸的技术要求。

（8）后处理，生成NC代码。

2 转子的建模

2.1 二维轮廓绘制

本文中的转子零件运用于燃料电池的氢气循环泵中，转子零件为一个厚度40 mm，围绕中心均匀分布了3个凸轮以便两个转子零件之间的啮合，中间开了一个6x11x14x3的花键槽以便于花键连接转子零件和电动机。首先在AutoCAD中画出转子的二维轮廓，如图1所示。

2.2 三维实体制作

转子零件的三维实体使用Solidworks软件制作，先将AutoCAD的二维轮廓复制至Solidworks的草图中，使用工具里面的“块”命令，选中所有轮廓然后创建块使转子零件的二位轮廓约束为一个整体，然后使用拉伸命令将转子零件的轮廓拉伸为当初设计的厚度40 mm，得到转子零件最终的三维实体。如图2所示。3转子的数控模拟仿真加工编程

传统的转子加工方法是划线后采用铣床或用手工锉削而成，精度低，误差大[8]。或者运用手动编程进行数控加工，由于转子轮廓的复杂性，对编程人员的要求比较高，极大地增加了转子的加工周期[9]。本文以Solidworks CAM为平台，进行转子的数控铣床的模拟仿真加工，具体如下[10-13]。

（1）启动软件，导入存有零件三维转子实体的文件，点击Solidworks CAM插件，进入数控加工编程环境。

（2）选择前视基准面为参考基准。

（3）点击机床，右击编辑定义，如图3所示，选择三轴机床，刀具选择平底铣刀来完成这个数控加工，这样完成了机床最基本的设置。

（4）点击毛坯管理，右击编辑定义。默认包络块，得到转子零件的毛坯，如图4所示。

（5）点击坐标系，右击编辑定义。因为零件为自上而下的加工，所以坐标系应该放在零件的最顶端，选中零件外围盒顶点，如图5所示。

（6）点击铣削零件设置，右击识别特征，得到转子实体为一个开放式凹腔（转子零件的大体轮廓）和一个不规则凹腔（转子零件花键孔的轮廓），如图6所示。

（7）再次点击铣削零件设置，右击生成操作计划，得到以下的加工工序【粗铣4和轮廓铣削3用于加工开放式凹腔（转子零件的大体轮廓），粗铣6，轮廓铣削4用于加工不规则凹腔（转子零件花键孔的轮廓）】，如图7所示。

（8）生成操作计划之后，得到了5步加工工序，加工工序后面的括号为相应的加工刀具，将鼠标光标移动到相应加工工序上可以查看这个工序的刀路轨迹，如图8所示。

这里以粗铣1工序为例，如图9所示，点击粗铣，右击编辑定义，然后可以改变加工的刀具尺寸、首切量、最大切削量，本文转子零件的粗铣使用的首切量为5 mm，最大切削量为10 mm。

（9）模拟刀路轨迹加工。点击铣削零件设置，右击模拟刀路轨迹可以观看模拟数控加工的动画，如图10所示。

（10）后处理，导出NC代码。点击铣削零件设置，右击后处理，如图11所示。得到NC代码如图12所示。

4 结束语

本文基于Solidworks氢气循环泵转子零件数控加工的研究结果表明：

（1）将虚拟化制造和数控加工等技术紧密的结合，做到加工前的可视化，直观地感受零件的加工过程，便于调整零件的加工参数;

（2）能够大幅度地提高和改善生产质量;

（3）减少生产容错率，将错误都集中在零件设计阶段，减少生产成本，节省企业加工生产的费用;

（4）加快零件设计的速度，提高零件的生产效率;

（5）可以结合其他的物理仿真软件，进行试验仿真，及时调整加工参数，增加实验的可靠性。

本文分析了氢气循环泵转子零件的结构特征，进行了完整的加工工艺分析，又因为Solidworks软件的易学性，在建模过程中，首先应该熟悉图纸，严格遵守图纸的技术要求，思考会使用软件的哪一项命令，在建模过程中应该注意尺寸的数值，对所有草图都应该约束，利用Solidworks CAM的模拟仿真编程功能进行仿真驗真，得到了一套完整的氢气循环泵转子零件的数控加工流程，并依据氢气循环泵的生产工作需要调整了转子零件数控加工过程中的参数，克服了加工过程中的难点，保证了零件的加工质量。

参考文献：

[1]时小广，李雁旭，基于MasterCAM的高精度空心轴数控加工工艺分析[J].机械制造与自动化，2021，50（4）：71-73.

[2]徐瑞，陈廷兵.基于SolidWorks的麦克纳姆轮三维建模与装配[J].机械研究与应用，2021，34（4）：191-193.

[3]王清泉.数控机床与数控编程技术[J].南方农机，2018，49（6）：134.

[4]晁瑞，空心螺杆转子结构设计及加工方法研究[D].汉中：陕西理工大学。2021.

[5]王振德.基于UG软件的复合分子泵转子设计及加工研究[D].沈阳：东北大学。2009.

[6]张念.基于逆向工程的汽轮机关键件虚拟装配仿真及优化[D]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[7]乔永钦.环面蜗杆副在膨胀机中的应用与研究[D].北京：机械科学研究总院，2012.

[8]谢良胜，寸立岗，柳彦虎.基于SolidWorks的盘形凸轮CAD/CAE/CAM -体化设计[J].机械工程师，2013（5）：70-72.

[9]杜薇.CAD/CAM在模具设计与数控加工中的关键技术分析[J].中国设备工程，2018（17）：83-84.

[10] Mingxia Zhao. CAD Design of Disc Cam Based on MATLABand Solidworks[Cy/ Proceedings of 2017 5th Intemational CivilEngineering， Architecture and Machinery Conference（ICEAMC2017），2017.

[11]伏和红.基于Solidworks与Mastercam的CAM应用初探[J].科技创业家，2013（16）：47-48.

[12] Tudor， Emily K.Cam Tool For Solidworks Cuts Time， Costs[J].Modern Machine Shop，201 1，84（7）.

[13]胡银龙，熊思杰，花天阳.一种基于可变传动比的齿轮齿条式半主动惯容性能研究[J].机电工程，2021，38（5）：611-616.