葉輪的數(shù)控加工

1、摘 要 此設(shè)計(jì)為葉輪的制造工藝與加工程序設(shè)計(jì)，直接的目的是介紹說(shuō)明葉輪制造的細(xì)節(jié)，運(yùn)用UG解決制造業(yè)界中對(duì)葉輪加工程序編制的難題，同時(shí)介紹葉輪制造的思路方法。間接的目的是使數(shù)控加工更為人所知，并讓更多人了解數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)，加工的范圍。關(guān)鍵詞：加工； UG；工藝；葉輪ABSTRACTThis design for the manufacturing process of the impeller design and processing procedures, the immediate purpose is to introduce the details of the impeller m

2、anufacturing, the use of UG solve the problem in the manufacturing industry in the preparation of impeller machining program. At the same time introduced the idea of impeller manufacturing method. Indirect purpose is to make the CNC machining better known, and let more people know the advantages of

3、CNC machining, processing range.Keywords： machining；UG；processes；impeller 第1章 緒論1.1課題的選擇整體式葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。從整體式葉輪的幾何結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程可以看出：加工整體式葉輪時(shí)加工軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰的葉片之間空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動(dòng)生成無(wú)干涉加工軌跡比較困難。因此在加工葉輪的過(guò)程中不僅要保證葉片表面的加工軌跡能夠滿足幾何準(zhǔn)確性的要求，而且由于葉片的厚度有所限制，所以還要在實(shí)際加工中注意軌跡規(guī)劃以保持加工的質(zhì)量。隨

4、著航空航天技術(shù)的發(fā)展，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高推重的要求，在新型中小發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中大量采用整體結(jié)構(gòu)葉輪。選擇數(shù)控加工仿真技術(shù)，適合加工種類多、需求少、難加工的整體葉輪，減少整體葉輪加工的成本1。1.2加工方法的選擇數(shù)控機(jī)床與通用機(jī)床的區(qū)別在于數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控裝置或電子計(jì)算機(jī)，全部或部分地取代一般通用機(jī)床在加工零件時(shí)對(duì)機(jī)床的各種動(dòng)作，如啟動(dòng)、加工順序、改變切削用量、主軸變速、選擇刀具、冷卻液開停以及停車等人工控制。通常，數(shù)控機(jī)床加工零件所需的全部機(jī)械動(dòng)作和控制功能都是預(yù)先按規(guī)定的字符或文字代碼的形式編制成加工程序，然后再用穿孔機(jī)或鍵盤等把程序上的信息以數(shù)字代碼的形式記載在控制介質(zhì)上，通過(guò)控制介質(zhì)

5、將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息進(jìn)行運(yùn)算和處理，發(fā)出各種指令去控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件的各種動(dòng)作，從而使數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的零件。 數(shù)控機(jī)床與其他自動(dòng)機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別在于當(dāng)加工對(duì)象改變時(shí)，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換相應(yīng)的控制介質(zhì)，而不需對(duì)機(jī)床作任何調(diào)整，就可自動(dòng)加工出新的工件。由此可見，數(shù)控機(jī)床與其他機(jī)床相比，在進(jìn)行小批量、復(fù)雜零件生產(chǎn)時(shí)，具有極其顯著的優(yōu)越性數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的比較分析2，如表1-1。表1-1數(shù)控機(jī)床與其他機(jī)床特性對(duì)比衡量指標(biāo)通用機(jī)床專用機(jī)床 （自動(dòng)、仿形）數(shù)控機(jī)床勞動(dòng)強(qiáng)度高較低低工 時(shí)多較多少生產(chǎn)周期長(zhǎng)較長(zhǎng)短加工精度低較

6、高高整體葉輪的加工一直是機(jī)械加工中長(zhǎng)期困擾工程技術(shù)人員的難題。為了加工出合格的葉輪，人們想出了很多的辦法。由最初的鑄造成型后修光，到后來(lái)的石蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法。其中，也有的廠家利用三坐標(biāo)仿形銑。但是這些方法不是加工效率低下，就是精度或產(chǎn)品機(jī)械性能不佳，一直到數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用到葉輪的加工中，這些問(wèn)題才得到了根本的解決3。葉輪加工的復(fù)雜性主要在于其葉片是復(fù)雜的曲面造型。而且能否精確地加工出形狀復(fù)雜的葉輪已成為衡量數(shù)控機(jī)床性能的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。曲面根據(jù)形成原理可以分為直紋曲面和非直紋曲面。直紋面又可分為可展直紋面和非可展直紋面，對(duì)于可展直紋面，完全可以使用非數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。而對(duì)于非可展

7、直紋面和自由曲面(非直紋曲面)葉片的整體葉輪來(lái)說(shuō)，則必須用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床才能準(zhǔn)確地將其加工出來(lái)4。由于數(shù)控機(jī)床具有四軸聯(lián)動(dòng)或五軸聯(lián)動(dòng)的功能，則利用它進(jìn)行葉輪加工時(shí)，既可以保證刀具的球頭部分對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確地切削，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作使刀具的刀體或刀桿部分避讓開工件其它部分，避免發(fā)生干涉或過(guò)切。早在七十年代初我國(guó)的幾家大型企業(yè)就開始將數(shù)控機(jī)床用于整體葉輪的加工上。目前，我國(guó)已有越來(lái)越多的廠家開始采用鍛造毛坯后多坐標(biāo)NC加工成型的方法加工葉輪，尤其是國(guó)防工業(yè)中所用的關(guān)鍵葉輪，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪等。目前都已采用多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工。國(guó)內(nèi)所用的機(jī)床大多是引進(jìn)的具有國(guó)際先進(jìn)

8、水平的四、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床5。1.3數(shù)控加工的概述隨著設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的提高，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈，產(chǎn)品更新越來(lái)越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加,此外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。因此，近幾十年來(lái)，能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件加工問(wèn)題的復(fù)雜曲面加工的數(shù)控機(jī)床和相應(yīng)的數(shù)控加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)銑床是指X、Y、Z三個(gè)方向聯(lián)動(dòng)，因此可以加工出三維曲面形體。20世紀(jì)60年代，國(guó)外在航空工業(yè)生產(chǎn)中把兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引入數(shù)控機(jī)床，采用五

9、坐標(biāo)數(shù)控銑床加工零件。五坐標(biāo)銑床是除了X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)外，再加上銑刀或工件繞X、Y、Z中的兩個(gè)軸線擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控是數(shù)控技術(shù)中難度最大，應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)之一，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。目前，較多采用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工方法來(lái)完成復(fù)雜曲面的加工。飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件葉輪、船用螺旋槳等都是五坐標(biāo)加工的典型例子6。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控加工技術(shù)涉及到的內(nèi)容較多，以加工的技術(shù)要求及現(xiàn)有加工設(shè)備和工人技術(shù)水平選擇合適的工藝方案，機(jī)床、刀具、夾具，確定合理的走刀路線及切削用量等；建立工件的幾何模型、計(jì)算加

10、工過(guò)程中刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡或機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡；按照數(shù)控系統(tǒng)所要求的程序格式，生成零件加工程序，然后對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和修改，直到得到最優(yōu)的加工程序。整體葉輪的實(shí)體造型主要包括創(chuàng)建葉片實(shí)體和輪轂實(shí)體兩部分。葉片曲面為光順性、連續(xù)性要求較高的自由曲面，其截面線是復(fù)雜的自由曲線，因此葉片實(shí)體造型難度較大。目前，一般先創(chuàng)建截面線，再采用通過(guò)引截面線的方法進(jìn)行葉片的曲面造型。輪轂的創(chuàng)建較為簡(jiǎn)單，在草圖方式下創(chuàng)建截面線串，通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令對(duì)截面線串旋轉(zhuǎn)，再創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體。可見，整體葉輪造型的關(guān)鍵是葉片實(shí)體的造型。葉片的實(shí)體造型是整體葉輪造型工作的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)要求較高，曲面特征也較復(fù)雜7。1.4計(jì)算機(jī)輔助加工的

11、過(guò)程正確的加工程序不僅應(yīng)保證加工出符合圖紙要求的合格工件，同時(shí)應(yīng)能使數(shù)控機(jī)床的功能得到合理的應(yīng)用與充分的發(fā)揮，以使數(shù)控機(jī)床能安全、可靠、高效地工作。數(shù)控加工程序的編制過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的工藝決策過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控編程過(guò)程主要包括：分析零件圖樣、工藝處理、數(shù)學(xué)處理、編寫程序單、輸入數(shù)控程序及程序檢驗(yàn)，典型的數(shù)控編程過(guò)程如圖所示。 零件加工數(shù)控程序零件圖確定工藝過(guò)程及參數(shù)零件源程序計(jì)算機(jī)刀位文件主處理后置處理加工過(guò)程仿真圖形效驗(yàn)修改輔助數(shù)控加工流程7,如圖1-2。29圖1-2數(shù)控加工流程圖整個(gè)處理過(guò)程是在數(shù)控系統(tǒng)程序（又稱系統(tǒng)軟件或編譯程序）的控制下進(jìn)行的。數(shù)控系統(tǒng)程序包括前置處理程序和后置處理

12、程序兩大模塊。每個(gè)模塊又由多個(gè)子模塊及子處理程序組成。計(jì)算機(jī)有了這套處理程序，才能識(shí)別、轉(zhuǎn)換和處理全過(guò)程，它是系統(tǒng)的核心部分。 編程人員首先將被加工零件的幾何圖形及有關(guān)工藝過(guò)程用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的形式輸入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)程序?qū)斎胄畔⑦M(jìn)行翻譯，形成機(jī)內(nèi)零件拓?fù)鋽?shù)據(jù)；然后進(jìn)行工藝處理（如刀具選擇、走刀分配、工藝參數(shù)選擇等）與刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算，生成一系列的刀具位置數(shù)據(jù)（包括每次走刀運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)），這一過(guò)程稱為主信息處理（或前置處理）；然后按照NC代碼規(guī)范和指定數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，將主信息處理后得到的刀位文件轉(zhuǎn)換為NC代碼，這一過(guò)程稱之為后置處理。經(jīng)過(guò)后置處理便能輸

13、出適應(yīng)某一具體數(shù)控機(jī)床要求的零件數(shù)控加工程序（即NC加工程序），該加工程序可以通過(guò)控制介質(zhì)（如磁帶、磁盤等）或通訊接口送入機(jī)床的控制系統(tǒng)8。第2章 整體葉輪的三維實(shí)體造型2.1 造型方法的概述2.1.1 一般的造型方法曲面造型有三種應(yīng)用類型：一是原創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，由草圖建立曲面模型；二是根據(jù)二維圖紙進(jìn)行曲面造型，即所謂圖紙?jiān)煨?；三是逆向工程，即點(diǎn)測(cè)繪造型。此次介紹第二種類型的一般實(shí)現(xiàn)步驟。圖紙?jiān)煨瓦^(guò)程可分為兩個(gè)階段9。第一階段是造型分析，確定正確的造型思路和方法。包括：（1） 在正確識(shí)圖的基礎(chǔ)上將產(chǎn)品分解成單個(gè)曲面或面組。（2） 確定每個(gè)曲面的類型和生成方法，如直紋面、拔模面或掃略面等；（3） 確

14、定各曲面之間的聯(lián)接關(guān)系（如倒角、裁剪等）和聯(lián)接次序。第二階段是造型的實(shí)現(xiàn)，包括：（1） 根據(jù)圖紙?jiān)贑AD/CAM軟件中畫出必要的二維視圖輪廓線，并將各視圖變換到空間的實(shí)際位置.（2） 針對(duì)各曲面的類型，利用各視圖中的輪廓線完成各曲面的造型；（3） 根據(jù)曲面之間的聯(lián)接關(guān)系完成倒角、裁剪等工作；（4） 完成產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)部分（實(shí)體）的造型。顯然，第一階段是整個(gè)造型工作的核心，它決定了第二個(gè)階段的操作方法?？梢哉f(shuō)，在CAD/CAM軟件上畫第一條線之前，已經(jīng)在其頭腦中完成了整個(gè)產(chǎn)品的造型，做到“胸有成竹”。第二階段的工作只不過(guò)是第一階段工作的在某一類CAD/CAM軟件上的反映而已。在一般情況下，曲面造型只

15、要遵守以上步驟，再結(jié)合一些具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法，不需要特別的技巧即可解決大多數(shù)產(chǎn)品的造型問(wèn)題。2.1.2 葉輪的造型方法整體葉輪的實(shí)體造型主要包括創(chuàng)建葉片實(shí)體和輪轂實(shí)體兩部分。葉片曲面為光順性、連續(xù)性要求較高的自由曲面，其截面線是復(fù)雜的自由曲線，因此葉片實(shí)體造型難度較大。目前，一般先創(chuàng)建截面線，再采用通過(guò)引截面線的方法進(jìn)行葉片的曲面造型。輪轂的創(chuàng)建較為簡(jiǎn)單，在草圖方式下創(chuàng)建截面線串，通過(guò)拉伸命令對(duì)截面線串拉伸，創(chuàng)建輪轂。也可用回轉(zhuǎn)命令對(duì)輪轂進(jìn)行建模。可見，整體葉輪造型的關(guān)鍵是葉片實(shí)體的造型。葉片的實(shí)體造型是整體葉輪造型工作的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)要求較高，曲面特征也較復(fù)雜。2.2輪轂的創(chuàng)建輪轂的創(chuàng)建

16、較為簡(jiǎn)單，有兩種方式可以選擇，一種是直接進(jìn)行三維建模，另一種是先創(chuàng)建草圖再進(jìn)行拉伸。此次采用第二種方法，在草圖方式下先創(chuàng)建截面線串，再利用拉伸命令對(duì)截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體10，如圖2-1 、2-2。 圖2-1輪轂草圖 圖2-2輪轂2.3葉片的創(chuàng)建做出葉片草圖曲線，并生成單個(gè)葉片，如圖2-3、2-4。 圖2-3葉片平面投影 圖2-4葉片實(shí)體通過(guò)變換命令，生成其他葉片，如圖2-5 、2-6。 圖2-5旋轉(zhuǎn)葉片 圖2-6旋轉(zhuǎn)葉片俯視圖2.4葉輪的生成將葉片與輪轂通過(guò)求和命令連接在一起12，如圖2-7 、2-8。 圖2-7葉輪實(shí)體 圖2-8葉輪實(shí)體俯視圖制作中心孔和鍵槽，并在葉片與輪轂相接處加入

17、倒角，如圖2-9 、2-10。 圖2-9葉輪 圖2-10葉輪第3章 葉輪的加工工藝分析3.1材料的選擇葉輪材料應(yīng)具有良好的綜合機(jī)械性能，常溫及高溫強(qiáng)度、塑性、韌性都要求較高。為此，葉輪必須要滿足足夠的要求：（1）足夠的室溫、高溫力學(xué)性能；（2）有高的抗振動(dòng)衰減能力；（3）高的組織穩(wěn)定性；（4）良好的耐腐蝕和抗沖蝕能力；（5）良好的工藝性能。 五軸數(shù)控加工中心上使輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上一次加工完成，五軸數(shù)控加工技術(shù)的成熟使這種原來(lái)需要手工制造的零件可以通過(guò)整體加工制造出來(lái)，因此較理想的毛坯是鍛壓件它可以滿足葉輪產(chǎn)品強(qiáng)度要求，曲面誤差小，動(dòng)平衡時(shí)去質(zhì)量較少。由于葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它對(duì)

18、材料的要求是在保證零件有足夠的強(qiáng)度時(shí)盡量減輕零件的重量。在綜合考慮零件的使用性和工藝性之后選擇采用牌號(hào)為的LD5鋁合金13。整體葉輪為中心對(duì)稱零件，葉輪加工時(shí)要準(zhǔn)確定位。選擇定位基準(zhǔn)為：孔+面，用出氣端的短平面作為軸向定位基準(zhǔn)，用葉輪的中心孔作為軸向定位基準(zhǔn)。整體葉輪加工時(shí)，把葉輪毛坯安裝在夾具的心軸上，然后在上下兩端壓緊。 3.2工藝路線的制定考慮到整體葉輪實(shí)際的工作情況，一般整體葉輪的曲面部分精度高，工作中高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)動(dòng)平衡的要求高等諸多要求，結(jié)合葉輪的形狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料葉輪加工特點(diǎn)分析：（1）葉輪上有很多葉片，葉片數(shù)按輪轂直徑大小不同而不同，葉片有長(zhǎng)有短，葉片為空間曲面、扭曲程度高，并

19、且有仰角，加工時(shí)刀具的相對(duì)擺動(dòng)極易對(duì)相鄰葉片產(chǎn)生切削干涉，因此刀具切削方向的選擇尤其重要。另外，曲面需要分段加工，應(yīng)注意保證加工表面的一致性；（2）葉片之間的流道相對(duì)較窄，加工空間較小，難以采用強(qiáng)度和剛性較好的大直徑刀具；（3）葉片進(jìn)氣與出氣邊緣圓角曲率半徑變化大，使刀具和夾具角度變化大；（4）為滿足強(qiáng)度的需要，葉輪輪轂與葉片之間的過(guò)渡采用了倒圓角方式，應(yīng)十分注意刀具的選擇；（5）葉片屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件、工藝剛性差，在工藝安排上需要考慮多工步反復(fù)加工葉片型面的措施，以防加工殘余應(yīng)力所帶來(lái)的形變；（6）整體葉輪的材料一般有鋁合金、不銹鋼、鈦合金等，因此在工藝安排上為了提高整體葉輪的強(qiáng)度，毛坯一

20、般采用鍛壓件，然后進(jìn)行基準(zhǔn)面的車削加工，加工出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。 安排刀具路線14如下：1、車外圓；2、銑端面；3、鉆中心孔；4、鏜孔；5、插鍵槽；6、粗加工葉輪輪廓；7、粗加工葉片；8、粗加工流道面；9、精加工葉片；10、精加工流道面；11、磨棱角去毛刺。對(duì)于整體葉輪為葉片分布均勻的回轉(zhuǎn)體類零件，應(yīng)選擇它的底面圓心作為工件的原點(diǎn)，進(jìn)而簡(jiǎn)化工件的找正和后處理過(guò)程。根據(jù)整體葉輪的幾何模型特征，可以基本上確定例如加工所使用機(jī)床型號(hào)、刀具參數(shù)、夾具和裝夾方式等。刀具的使用方面，五軸聯(lián)動(dòng)加工中優(yōu)先使用平底刀加工，這樣可以最大程度上減少由刀具引起的過(guò)切和干涉。對(duì)于流道較窄的葉輪，在加工窄流道處時(shí)，可

21、以適當(dāng)選擇錐度較小的平底銑刀，可以有效的提高刀具的剛性。流道開粗加工過(guò)程去除主要加工余量，直接影響著精加工的效率和質(zhì)量，提高開粗加工的效率和質(zhì)量對(duì)整個(gè)葉輪的加工具有重要意義。葉輪流道部分的加工余量并不隨著葉輪型線均勻分布，切削過(guò)程中切削深度不斷變化，刀具受力變化較為劇烈，大大縮短了刀具壽命，降低了加工質(zhì)量，這需要合理規(guī)劃加工軌跡。流道開粗加工通常需分成若干層漸進(jìn)開粗。順著流道面的方向分割流道區(qū)域，可使粗加工的各層厚度比較均勻，加工過(guò)程穩(wěn)定。3.3編制簡(jiǎn)要的工藝文件編制工藝過(guò)程卡現(xiàn)代制造技術(shù)系機(jī)械加工工藝卡產(chǎn)品名稱葉輪圖號(hào)零件名稱整體式葉輪共1頁(yè)第1頁(yè)毛坯種類鋁鍛件材料牌號(hào)LD5毛坯尺寸

22、6;200x100序號(hào)工種工步工藝內(nèi)容備注工具夾具刀具量具1下料鍛件卡盤三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2加工中心粗加工粗銑葉片專用卡具平底刀3粗銑流道面4精加工精銑葉片平底刀5精銑流道面6清根倒角加工 根部清理平底刀7工序卡零件名稱整體式葉輪零件圖號(hào)夾具名稱卡盤設(shè)備名稱及型號(hào)加工中心材料名稱及牌號(hào)鋁鍛件硬度75HBS工序名稱葉輪加工工序號(hào)1工步號(hào)工步內(nèi)容切削用量刀具量具nr/mmVfmm/minapmm編號(hào)名稱名稱1流道粗加工4000300011T01三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2葉片粗加工4000300011T01三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1流道精加工400030000.22T02三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2葉片精加工400030000.22T02三坐

23、標(biāo)測(cè)量機(jī)1清根1000020000.13三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)刀具卡產(chǎn)品名稱或代號(hào)零件名稱典型軸零件圖號(hào)序號(hào)刀具號(hào)刀具規(guī)格名稱數(shù)量加工表面?zhèn)渥?T01Ø8R31葉輪粗加工2T02Ø5R21精加工3T03Ø5R21清根編制審核批準(zhǔn)第1 頁(yè)第4章 葉輪數(shù)控加工編程4.1 CAD/CAM加工編程過(guò)程 整體銑削葉輪加工是指毛坯采用鍛壓件，然后車削成為葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀，在五軸數(shù)控加工中心上使輪轂與葉片在一個(gè)毛坯上一次加工完成，它可以滿足壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)品強(qiáng)度要求，曲面誤差小，動(dòng)平衡時(shí)去質(zhì)量較少，因此是較理想的加工方法。五軸數(shù)控加工技術(shù)的成熟使這種原來(lái)需要手工制造的零件，可以通過(guò)整體加

24、工制造出來(lái)。采用數(shù)控加工方法加工整體葉輪的CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。CAD/CAM編程過(guò)程15，如圖4-1整體葉CAD/CAM加工仿真刀位軌跡生成五軸后處理葉輪CAD造型 加工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真圓角流道葉片葉片輪轂型值點(diǎn)曲線曲面 圖4-1CAD/CAM編程過(guò)程4.2加工環(huán)境的創(chuàng)建UG可以選擇的加工方式有很多種，有用于普通加工的有用于多軸加工的，葉輪加工為三坐標(biāo)以上的多軸加工，所以普通的加工方式不能滿足葉輪的加工，因此確定加工環(huán)境為可變輪廓銑，如圖4-2 、4-3 。 圖4-2CAM配置 圖4-3加工環(huán)境4.3加工坐標(biāo)系的確定加工坐標(biāo)系，如圖4-4、4-5、4-6。圖4-4加工坐標(biāo)系

25、圖4-5指定加工坐標(biāo)系圖4-6加工坐標(biāo)系設(shè)定位置4.4加工參數(shù)設(shè)定及走刀路線的生成4.4.1 刀具軌跡規(guī)劃方法刀具軌跡規(guī)劃的目的就是針對(duì)待加工零件產(chǎn)生一組刀位點(diǎn)，使得在保證加工精度的前提下，加工效率最高。對(duì)于二軸、三軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃來(lái)說(shuō)，可以把規(guī)劃過(guò)程看成是確定刀位點(diǎn)X、Y軸坐標(biāo)的過(guò)程，同時(shí)可以確定Z軸坐標(biāo)的初始值，然后由后續(xù)的干涉處理過(guò)程完成Z軸坐標(biāo)的無(wú)干涉計(jì)算。而對(duì)于五軸曲面加工刀具軌跡規(guī)劃來(lái)說(shuō)，刀軸矢量的初始位置是與刀位點(diǎn)處的法矢量平行的，則規(guī)劃過(guò)程還包括確定在刀位點(diǎn)處刀軸矢量繞最大主曲率方向的旋轉(zhuǎn)角，即后跟角，以及繞法矢量方向的旋轉(zhuǎn)角，即側(cè)偏角，這兩個(gè)角度共同確定了刀具的空間姿態(tài)

26、。可以將刀具軌跡規(guī)劃的任務(wù)歸納如下：（1）確定刀具軌跡線的幾何形狀；（2）確定刀具軌跡線的連接順序及連接方式；（3）確定刀具軌跡線的疏密與刀具軌跡線上的刀位點(diǎn)的疏密；（4）五軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃中還需要確定每一刀位點(diǎn)處的刀具空間姿態(tài)。多坐標(biāo)數(shù)控加工刀具軌跡生成是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，針對(duì)不同的加工對(duì)象有許多不同的計(jì)算方法。有的工件曲面可以在一次走刀中完成，這時(shí)只要確定最優(yōu)的走刀方向即可；有的需要多次走刀才能完成，這會(huì)產(chǎn)生多條刀軌。4.4.2 各種加工參數(shù)的設(shè)定毛坯的選擇，如圖4-7。圖4-7指定毛坯刀具的選取，葉輪加工方法為多軸加工，這里選擇平底銑刀進(jìn)行加工，在刀具加工過(guò)程中用到刀具的側(cè)刃，

27、如圖4-8、4-9、4-10。圖4-8刀具圖 圖4-9刀具參數(shù) 圖4-10刀具參數(shù)加工方式的選擇，如圖4-11、4-12。圖4-11粗加工輪廓方式圖4-12葉輪加工方式加工參數(shù)的設(shè)定，如圖4-13、4-14。圖4-13加工參數(shù)設(shè)計(jì)圖4-13加工參數(shù)設(shè)計(jì)葉輪開粗的走刀路線生成，如圖4-14、4-15。 圖4-14葉輪輪廓走刀路線 圖4-15葉輪輪廓走刀路線葉片的走刀路線生成，如圖4-16、4-17。 圖4-6葉片走刀路線 圖4-17葉片走刀路線流道面的走刀路線，如圖4-18、4-19。 圖4-18流道面走刀路線 圖4-19流道面走刀路線4.4.3 加工仿真所有的走刀路線設(shè)置好以后，進(jìn)行3D仿真，

28、并進(jìn)行后處理，后處理選擇四軸加工。仿真結(jié)果，如圖4-20、4-21、4-22。圖4-20輪廓仿真結(jié)果圖4-21葉輪粗加工圖4-22葉輪精加工4.5后置處理 數(shù)控編程后置處理包括加工刀具路徑文件的生成和機(jī)床數(shù)控代碼指令集的生成。通過(guò)后置處理器讀取由系統(tǒng)生成的刀具路徑文件，從中提取相關(guān)的加工信息，并根據(jù)指定數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及NC程序格式要求進(jìn)行分析、判斷和處理，最終生成數(shù)控機(jī)床所能直接識(shí)別的NC程序，就是數(shù)控加工的后置處理，它直接影響CAD/CAM軟件的使用效果及零件的加工質(zhì)量。選擇五軸加工，并導(dǎo)出數(shù)控程序，如圖4-23。圖4-23后置處理4.6機(jī)床仿真機(jī)床使用五軸立式銑床，控制系統(tǒng)為Sinumer

29、k。如果在UG后處理模塊中沒(méi)有所選擇的機(jī)床型號(hào)和控制系統(tǒng)，則必須通過(guò)UG開始菜單選擇加工工具里面的后處理構(gòu)造器。后處理構(gòu)造器就是通過(guò)設(shè)定所選的機(jī)床的加工參數(shù)和控制系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)，生成后處理文件，然后通過(guò)UG加工模塊，選擇相應(yīng)的程序，選擇后處理，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)后處理對(duì)話框，在對(duì)話框里有默認(rèn)的后處理文件，同還可以選擇自己創(chuàng)建的后處理文件，之后選擇要保存的位置和單位17。機(jī)床的選擇，如圖4-24、4-25。圖4-24機(jī)床的選擇圖4-25機(jī)床的選擇工件的安裝，如圖4-26圖4-26安裝工件UG能直接從仿真模塊里調(diào)用生成的程序段進(jìn)行加工，在仿真界面，可以看到機(jī)床的轉(zhuǎn)速，進(jìn)給率和冷卻液狀態(tài)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控刀具

30、的坐標(biāo)，在NC程序區(qū)，可以看到當(dāng)前加工階段的程序代碼。如圖4-27。圖4-27代碼仿真 虛擬機(jī)床仿真結(jié)果，如圖4-28。圖4-28單葉片仿真結(jié)果第5章 總結(jié)本次設(shè)計(jì)的的主要工作是葉輪的數(shù)控加工及機(jī)床仿真，從零件的選擇到最終的虛擬機(jī)床的仿真完成，經(jīng)歷了很多失敗，經(jīng)過(guò)改進(jìn)最終完成了設(shè)計(jì)。五坐標(biāo)數(shù)控加工是獲得復(fù)雜曲面和不規(guī)則零件的較好解決方法之一，特別是那些由一定的數(shù)字理論方程式所描述的并要求有足夠精度的曲線和曲面，如整體葉輪葉片，同時(shí)，五坐標(biāo)加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與CAD/CAM技術(shù)是密切相關(guān)的。本設(shè)計(jì)主要以航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪為例，對(duì)其幾何造型、刀位計(jì)算、刀具路徑規(guī)劃、數(shù)控加工工藝等內(nèi)容進(jìn)行了分析與

31、研究。從選擇零件角度分析，葉輪是一個(gè)典型的多軸加工的零件，普通的機(jī)床無(wú)法完成，這樣更能體現(xiàn)出數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)。對(duì)整體葉輪在五坐標(biāo)數(shù)控加工過(guò)程中的工藝規(guī)劃進(jìn)行了研究。粗加工過(guò)程中，根據(jù)整體葉輪的形狀特點(diǎn)，針對(duì)鍛件毛坯，提出了類似型腔加工的粗加工方法。并根據(jù)這種方法編制了粗加工程序。在刀軌生成過(guò)程中走刀路線有很多種方法，每種都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候要綜合各種因素分別對(duì)葉片的背、腹面和流道面生成無(wú)干涉刀具路徑，并確定刀軸傾角、切削行距從而選出合理的刀軌路線。從零件的造型到導(dǎo)入虛擬機(jī)床整個(gè)過(guò)程都是用UG完成的，讓我掌握了UG三維實(shí)體造型、刀具軌跡仿真、后置處理、虛擬機(jī)床代碼仿真功能。使我對(duì)數(shù)控加工有了更深入的了解。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程包括：1. 搜集材料；2. 選擇零件；3. 繪制零件圖紙；4. 對(duì)零件進(jìn)行工