摘要：探讨借助CAD/CAM软件三维造型、自动编程和数控加工模具，验证叶轮CAD/CFD辅助水力设计、流场分析和性能预测的优化设计效果；利用MasterCAM软件仿真功能模拟验证数控加工可行性；选择合理的数控加工工艺，确保叶轮模具高质量、高精度，产品经过性能测试验证取得了满意的结果。
技术部长 钱万钧
叶轮是泵的核心零件，利用CAD/CFD技术对叶轮进行优化设计，不仅能够获得一个最佳的设计方案，还可以模拟预测泵的性能和流场细节分析；当然成功的设计需要进行产品验证，由于双流道叶轮内部流道形状复杂，不易直接机加工成形，常用造型模具进行铸造，而传统的手工制模与图样的要求误差较大，不准确的型线改变了设计的理想流场，造成泵的性能普遍偏低；本文借助CAD/CAM软件进行三维造型、自动编程、数控加工制模，利用MasterCAM软件仿真校验叶轮模具复杂曲面流道的数控加工有效合理性，适当微调和修改数控加工程序避免刀具干涉，提升数控加工程序的精准性和可靠性；制定合理的数控加工工艺，确保数控加工的叶轮模具实现高质量、高精度的要求，使设计与制造无缝衔接。
双流道叶轮应用于输送污水污物介质环境，不仅希望高效节能，而且要求良好的无堵塞性能，本文采纳行业普遍采用的水力设计优化方法。
（1）建立设计变量。因双流道泵效率普遍比叶片式离心泵低3%～8%，优化设计的目标之一是提高泵的效率，其次选择合适的叶轮出口宽度b2满足泵的无堵塞性能；方法是建立对泵的流量、扬程和效率有重要影响的设计变量，主要变量有叶轮的进口直径D0、出口直径D2、出口宽度b2、外流道出口安放角β2（见图1、图2），泵体蜗壳的喉部面积F3等，通过约束设计变量使水力损失降到最低，谋求最佳的效率和无堵塞性能。
（2）约束变量函数。双流道泵设计的基本理论和大量实践经验表明，叶轮进口直径D0的取值适当是良好的吸入性能和合理经济流速的保证；出口直径D2取值偏小扬程低，偏大圆盘摩擦损失增加、泵效率降低；出口宽度b2取值主要考虑无堵塞性能，且对泵的性能也有影响；出口安放角β2对泵的流量、扬程、效率和特性曲线的形状有重要影响，如取较大的β2角可增高扬程，且能减小叶轮出口直径D2，有利于减小圆盘摩擦损失、提高效率，但是过大的β2角容易使得泵的性能特性曲线产生驼峰，增大水力损失、性能不稳定因素，因此β2通常在15°～35°的范围内选取；约束变量函数的合理性借助CFD进行数值模拟，且能预测泵的性能、分析内部流场、研究模拟流动细节，查找设计变量缺陷，通过不断微调、对比、改进，建立一组最佳的水力变量目标函数值，使其边界约束条件和性能约束条件最理想。
（1）草绘轴面图和平面图上的流道中线。根据优化设计确定的叶轮尺寸参数，如叶轮的进口直径D0、出口直径D2、出口宽度b2及出口安放角β2等图面几何尺寸，在前视图上草绘轴面图（见图1）和平面图上的流道中线。叶轮平面图的设计对双流道泵的性能影响很大，合理适当的型线不仅能够保证平面图设计的质量，而且为叶轮CAD/CFD/CAM辅助设计和数控加工提供了可靠的数学模型；平面流道中线通常采用变异的阿基米德螺线r=aθm方程创建曲线，采用EXCEL数据转换可以方便快捷地在平面图上做出流道中线（见图2）。
（2）空间流道中线及内流道。首先采用轴面流道中线旋转建立一个曲面，然后将平面图中的流道中线投影到该曲面上，得到空间流道中线；在曲面里的空间流道中线上分别标记各流道截面的对应点，并且在各对应点位置按照面积变化的规律建立相应的截面形状，各点处的截面应保持垂直于空间流道中线轨迹，采用扫描混合命令沿着用户定义的轨迹尽量光滑地形成曲面或实体，并使各截面的面积变化符合接近线性变化的规律（见图3）。
图1 轴面图
一般将前、后盖板的型线向内或外适当偏移，旋转建立曲面来检验内流道是否符合轴面投影，然后微调面积控制曲线直至满足要求为止；完成单个内流道后，通过圆周阵列复制形成180°对称的双流道（见图4）。
实践表明，在结构尺寸允许情况下，如果轴面流道中线较长时，采用接近线性的面积变化规律控制曲线，整个流道尤为光滑，且在叶轮进口处流道的重叠部分过渡良好。
图2 平面图流道中线
图3 内流道面积控制规律曲线
图4 内流道
（3）外流道。外流道是双流道叶轮设计的关键之一，因为外流道是叶轮流场能量转换的主要部位，因此外流道的形状对泵的性能有直接的影响；设计时将空间流道中线适当延长(见图5），以内流道出口截面作为初始第一截面，延长段作为原始轨迹扫描混合生成外流道，以面积变化规律辅助控制流线，保持内、外流道光滑相切过渡，最后根据叶轮外径D2尺寸将多余部分切除，形成整个双流道(见图6）。
（4）建立数控加工三维曲面造型。完成叶轮流道的三维造型后，根据形成的内、外流道组合曲面（整个双流道）切割加工模具回转体就可以得到叶轮模具造型；同时要分析三维造型曲面，满足符合数控加工的要求、型线结构良好及加工方便等要素。
图5 外流道创建示意图
采用MasterCAM软件分析图样和三维曲面模型，规划加工工艺，设置加工参数，生成和模拟校验刀具轨迹，经后置处理生成实用有效的NC代码，将数据输送到数控加工设备进行模具制作，其具体流程和步骤如图7所示。
（1）模具数控加工工艺分析。
模具材料选择：模具材料选用主要考虑两方面，一方面考虑日常生产中叶轮模具反复使用的特点，模具应有良好的经久耐磨性，同时还应尽量减轻模具质量；另一方面选用的材料应具有较高的力学性能和良好的机加工性能，因此该模具材料选用牌号为ZL115铸造铝合金。
加工工艺选择：根据叶轮模具为双流道轴对称分布的回转体几何结构，由于加工对象包含三维空间曲面，加工特征在不同的加工平面出现，且内流道封闭环形三维空间曲面无法加工，所以采用整体曲面造型分体曲面加工的方法，即经流道中间曲面（轴面流道中线旋转建立的曲面）将整体空间曲面分成上、下两个曲面组合体（见图8），加工成形后再组合；不但有利于降低加工难度，减少加工干涉，且方便建立辅助面、对刀点和换刀点位置。本例安排的刀具路线为：①按图样加工回转体基本形状（含端面、外圆及流道中间曲面分型面等）。②粗加工流道部分。③精加工流道部分。④棱角、毛刺清理。
图6 双流道三维曲面造型
图7 模具数控加工流程
叶轮模具粗加工：粗加工的宗旨是重点考虑快速切除毛坯余量、提高加工效率，通常选择型腔铣刀进行粗加工，刀具为（本例φ16R0.6）环形或牛鼻铣刀，且设定较大的切削进给量和尽可能大的背吃刀量；由于叶轮型芯模具已经预处理加工成回转体，选择采用轨迹层切法加工比较合理，而且加工效率较高。
叶轮模具精加工：精加工是为了提高模具型芯曲面加工表面精度，采用增加刀具轨迹密度的方法铣削流道表面，本零件选择（本例φ6R3）球头铣刀对曲面进行精加工；在加工过程中应尽量避免过切现象，合理选择刀具驱动面、边界约束定义条件，尽量选择较小的刀轴摆角，避免造成过切，如不能完全消除过切 ，就反复微调参数，把过切量限制在模具允许的精度要求之内。
图8 叶轮型芯模具
（2）刀具轨迹验证。利用MasterCAM本身软件仿真功能，通过刀具轨迹仿真模拟整个切削加工过程，验证工艺参数、刀具轨迹的合理性，通过刀具轨迹仿真验证具有降低过切、避免干涉和碰撞等现象的功效；验证满意后输出刀具轨迹文件，再进行后置处理形成数控加工NC代码文件。
（3）数控加工代码输入。经MasterCAM后置处理生成的数控加工NC程序文件，可以经RS232通信串口直接输入数控加工中心进行加工，加工前应根据NC程序进行试加工，进一步验证刀具轨迹合理性，针对实际加工中出现的问题进一步微调、修改加工程序，直至程序满意为止。
本公司新开发的125WL130-13-7.5型立式双流道污水泵，其常规性能指标为流量Q=130m3/h，扬程H=13m，转速n=1 450r/min，效率η=70%。首先优化设计谋求将效率提升到η=78%的指标，接近国标GB/T 13007－2011规定的叶片式离心泵效率η=79%；然后采用数控加工制作全套模具（见图8），产品组装后经性能测试中心试验，其额定工况点的性能参数测定值为流量Q=130m3/h，扬程H=13.3m、转速n=1 450r/min，轴功率P=5.88kW，效率η=80.1%。试验数据结果表明，该型泵的效率比叶片式离心泵效率还高出1.1%，保真、高效和节能的效果非常明显。
采用CAD/CFD/CAM技术对泵产品进行优化设计、三维造型和数控加工制模，可以实现设计和开发相互支撑、有机结合和无缝衔接，满足泵产品多样化、水力择优化和模具精准化设计开发的要求，使产品设计、模具制作精准和快捷实现产品批量转化，是现代设计和制造技术的完美结合，以期为泵产品的设计开发抛砖引玉。
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