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1、毕 业 论 文姓 名： 班 级： 学 号： 课 题： 指导老师： 其它典型零件三维造型及数控加工程序设计【摘要】本文基于螺旋铣新工艺方案有效的解决了叶片数控加工中的效率低下问题，详细设计了叶片螺旋铣多坐标加工中的工艺控制参数和轨迹生成算法，推导出适用于多种控制参数的螺旋加工编程的多坐标刀位点计算公式。同时，针对高速螺旋铣的加工效率瓶颈部分缘头处曲率剧烈变化的几何特征，重新设计了缘头处的走刀轨迹，避免了缘头处的啃切与刀轴晃动，计算出高质量的多坐标加工刀位轨迹。 通过对叶片常规加工过程的描述和加工工艺的理论分析，针对点位加工、侧铣、螺旋铣等几种常用叶片数控加工方法进行了质量和效率的对比，提出了叶片
2、数控加工方法的评价方法，分析了各种加工方案的优缺点，进而初步研究了高速螺旋铣在开式整体叶盘加工中的应用。经实例验证，所完成的叶片多轴数控高速螺旋铣加工方法取得了良好的效果。【关键词】螺旋铣 叶片 缘头 数控加工工艺 走刀轨迹 刀位点 【引言】数控技术就是指一种采用计算机对机械加工过程中的各种控制信息进行数字化运算、处理、并驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的技术。世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使制造业跨入一个新的发展阶段，给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床是世界第三次产业革命的重要内容，它不但是机电工业的重要基础装备，还是汽车、石化、电子和现代医疗装备等产业
3、现代化的主要手段。虽然数控机床产业本身的产值远不如汽车、化工等产业，但高效的数控机床给制造业带来了现代化的生产方式以及高倍率的效益增长，这是促进国民经济发展的巨大源动力。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果，足以给机械制造业的产业结构、产品结构、制造方式及管理模式等带来深刻的变化。然而，近年来，整体叶轮的加工在数控加工中的重要性越来越得以体现，为现实生产提供很大便捷,现以整体叶轮加工为例，介绍典型零件三维造型及数控加工程序设计。1、整体叶轮的概念 整体叶轮特点是:结构复杂、数量种类繁多、对发动机性能影响大、设计研制周期长、制造工作量大。目前，较重要用途的叶轮都是由非可展
4、直纹面和自由曲面构成的，叶轮叶片的型面非常复杂，使得叶片实体造型较一般的实体造型更为复杂多变。从整体叶轮的结构特点也可以看出:加工整体叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。 目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，主要有美国NREC公司的MAX-5, MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有Hypermill等也可用于整体叶轮加工。目前，国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有差距。总体上，我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距，在
5、窄槽道、小轮毅比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关。2、整体叶轮的CAD/CAM系统结构图 整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毅与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用数控加工方法加工整体叶轮的CADICAM系统结构图如图1. 3、微型压气机转子的结构特点及加工难点 国内大多数整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，而本文研究的叶轮是北航能源与动力工程学院自主开发的微型航空发动机
6、上的压气机转子。压气机转子出口直径为81mm，有8片一级叶片，8片二级叶片，出口叶片高度3mm，叶轮进口直径44.3mm,进口叶片高度17.l5mm，叶片厚度最薄处0.4mm，相邻叶片间最小间距为3.1mm，如图2. 图2 为了使气动性设计达到了国际先进水平，压气机转子采用了大扭角、根部变圆角等结构，给加下提出了很高的要求。转子加工难度如下: a.国际上同等直径81 mm的整体叶轮通常有12片叶片或14片叶片，而此转子有16片叶片，而且它的二级叶片也较长，这些都使加工槽道进一步变窄，加工难度进一步增加; b.在刀具直径为2.Smm情况下，刚性差，容易断，控制切削深度也是关键; c此叶轮曲面为自
7、由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。有时为了避免干涉，有的曲面耍分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难; d.前缘圆角曲率半径变化很大，加工过程中机床角度变化较大。并且实现环绕叶片加工较难; e甲由于叶轮强度的需要，轮毅与叶片之间还采用变圆角。槽道窄、叶片高、变圆角的加工也是难点。 总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。4、创建叶轮的三维模型4. 1叶轮叶片数据的获取方法 叶轮叶片数据的获取主要有两种方法:一种是通过逆向工程;一种是通过理论计算。逆向工程是把原型的几何尺寸通过各种测量
8、方法(如:三坐标测量机、激光跟踪仪、三坐标测头等)转化成数据文件，然后重新建立此零件的CAD模型的技术。理论计算是根据流体力学原理计算出的叶型数据，本文的原始造型数据就是通过理论计算得出的。 数据文件提供的是:一系列数据点坐标，数据点坐标格式为；XC空格YC空格ZC空格，与UG对数据源文件的要求一致。这样才可以根据曲面的连续、光滑性要求，在UG的自由曲面模块中，由叶片的离散数据点拟合生成光滑、准确的闭合曲线，从而再通过这些曲线生成叶片曲面。4. 2创建叶片 通常情况下，叶片的基元线主要分为两类:一类是平面曲线(一般出现在涡轮中)，一类是空间曲线(一般出现在压气机叶轮中)。而UG中对这两类曲线生
9、成叶片实体的处理方法是不同的。4.2.1叶片基元线是平面曲线 从菜单栏中选择【样条】命令，根据需要选择其中的一种拟合方式，把己生成的数据文件导入，系统将按照数据绘制封闭的样条曲线。按照上述方法，用其它的数据文件中的数据绘制其它封闭样条曲线。从菜单栏中选择【通过曲线】命令，系统将弹出【通过曲线】对话框，分别选取已建的样条曲线串。这样就生成了叶片实体(如图3)。4.2.2叶片基元线是空间曲线导入数据文件，绘制样条曲线;通过曲线串生成叶片实体:同4.2.1。但是这时候生成的是叶片片体(如图4)。要想生成实体，必须在叶片片体的两侧建立两个缝合面，缝合成实体。利用【扫描】命令，通过片体两侧的最外边曲线，
10、生成缝合面(如图5，这样这两个平面和所建立的叶片片体共同围成了一个封闭的叶片休。利用【缝合】命令，选择以上建立的两个平面和片体，生成叶片实体，如图6。 图5，6 4. 3创建轮毅UG提供了两种建立曲线的方式:一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。草图中建立便于参数化，推荐用草图建立.利用【回转】命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毅回转体。4. 4修整叶片与轮毅通过定义基准面和裁剪休，利用【裁剪】命令，裁掉多余的部分.4. 5建立其他的叶片因为叶片是圆周均布的，所以利用【变换】命令，选择要复制的叶片，在【角度】文本框中输入参数值360/n(n为叶片个数)，连续复制n-1次，这
11、样就完成了n个叶片在轮毅上的均匀分布。4.6建立整体叶轮到此，叶片、轮毅已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的二维实体造型(如图7, 8).图7，85、叶片曲线、曲面分析由于叶片数据的获取来源，决定了生成的叶片曲线、曲面可能存在不需要的拐点，出现不光滑的凹凸现象，这直接影响着后续的加工效果。因此在三维建模过程中需要对曲线、曲面进行光顺检查。5.1曲线分析5.1.1分析曲线质量用UG中的曲线分析工具，分析叶片的每一条基元线的曲率分布情况，有无断点、尖点、交叉、重叠。下面以一条空间基元线为例，分析曲线的质量。曲率梳可以反映曲线的曲率变化规律井由此发现曲线的形
12、状问题。原始曲线的曲率梳分布如图9，光顺后的曲率梳分布如图l0。通过曲率图可以看出:光顺后的曲线比原始曲线要光顺的多。因此，光顺后的曲线更有利于后续的数控加工编程。5.1.2光顺曲线通过编辑曲线中的光顺曲线命令，修改光顺因子，来达到需要的光顺曲线。5.2曲面分析5. 2. 1法矢量各分量的分布(评价光滑性)叶片曲面的理想情祝是在各处法向矢量呈发散的趋势。如果两法向矢量有相交的趋势，原因可能是由于前缘、尾缘的半径设置不合理。这种情况下，需将前、后缘的数据点进行修改。用UG中的桥接曲线功能，在保证连接点曲率连续的前提下，通过修改相切模量来调整前缘、尾缘形状。最后重新分析曲面的法矢量。以转子叶片为例
13、，叶片曲面法矢量三维分布，可以看出法矢量的变化比较连续，只是在前缘、尾缘与吸力面、压力面的相接处存在较人的转折。通过放大法矢量图，分析在衔接处的法矢量变化，发现法矢量的变化是连续的，即法向矢量之间没有相交的趋势。如图11，这是合理的。但是法矢量变化较大的地方，可能成为曲面加工中的难点，因此在数控编程中应特别注意干涉过切与刀具转角这两方面的问题。如果干涉太严重，可以将压力面、吸力面、前缘角分开加工。5.2.2相邻面的最小空间距离使用UG中的距离分析命令可以求出相邻叶片曲面的最小距离，这个最小距离可以作为选取刀具的参考依据之一。所选刀具的直径最大不能超过该值。6、叶轮数控加工工艺流程规划6.1刀具
14、的选择 为提高加工效率，在进行流道粗加工、半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀，但是必须保证刀具直径R1小于叶片间最小距离Lmin , Lmin的大小可以根据UG软件的分析面面距离的功能测得。 在叶片精加工过程中，应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀，即保证刀具半径R2大于流道和叶片相接部分的最大圆角半径。 在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时，选择的刀具半径R3小于流道和叶片相接部分的最小圆角半径。6. 2加工工艺流程 为了提高整体叶轮的强度，毛坯一般采用锻压件，然后进行基准面的车削加工.加丁出叶轮回转体的基本形状。 叶轮整体加工采用轮毅与叶片在一个毛坯上进行成形加工，而不采用叶
15、片加工成形后焊接在轮毅上的工艺方法。其加工工艺方案如下：6.2.1锻压毛坯6.2.2叶轮气流通道的开槽加工 开槽加工槽的位置宜选在气流通道的中间位置，采用平底锥柄棒铣刀平行于气流通道走刀，并保证槽底与轮毅表面留有一定的加工余量。 根据整体叶轮流道部分的几何特征，流道开槽需分成3部分加工:小叶片前端、左端、右端，如图12所示。每部分开槽需采用分层渐进的方法，将流道部分的总加工余量根据整体叶轮和刀具材料的力学性质以及进给速度等分成若干层进行加工。所分层数和每层的加工余量应该根据总加工余量的最大厚度部分来进行合理分配。可采用的驱动方法为:前端流道面加工采用的驱动方法为:垂直于驱动( Normal t
16、o Drive )，趋向于点(Toward Point);左端流道面加工采用的驱动方法为:垂直于驱动(Normal to Drive )、相对子驱动面(Relative to Drive );右端流道面曲率变化很平缓，曲面上各点法向与叶片曲面夹角都接近00，因此加工采用的驱动方法为:垂直于驱动(Normal to Drive )。 因为开槽时余量大，刚开始就用五轴加工，对刀具直径有限制，切削速度慢。因此可以先用型腔铣对流道从两个不同的方向进行开槽。相对于分层渐进法，此方法开槽效率高，加工质量稳定，但开槽后剩余加工量大，且不规则，还需要用分层渐进法补加工。6.2.3叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的
17、粗加工 开槽加工后己经加工掉流道大部分余量，为了保证精加工之前有均匀的加工余量，提高最终的表面加工质量，还需要扩槽和叶片粗加工。扩槽加工采用球形锥柄棒铣刀，从开槽位置开始，从中心向外缘往两边叶片扩槽，扩槽加工要保证叶型留有一定的精加工余量。通常情况下，扩槽加工与精铣轮毅表面在一次加工完成。由于此叶轮槽道窄、叶片高、扭曲严重，且UG数控加工编程需要根据驱动面来决定切削区域，因此扩槽加工需要分两部分来加工。 a.选择驱动面为轮毅面，进行扩槽。此时不能完全加工轮毅表面，还需进一步扩槽加工，来辅助加工轮毅表面。 b.进一步扩槽及叶片粗加工。选择驱动面为叶片表面的偏置面，在叶片粗加工的同时，进一步扩槽。
18、加工驱动面选择叶片的偏置面，流道面、其他相邻叶片面作为干涉检查面，可采用的驱动方式为:趋向于点(Toward Point)、趋向于线(Toward Line),生成的刀轨如图13所示。6.2.4叶片、轮载的精加工 在均匀余量下进行的精加工，保证了良好的表面加工质量，采用球头铣刀精加工，因为相邻叶片间最小间距为3.1mm，且叶片最深处为17.15mm，考虑到干涉，转r精加工刀具采用瑞士Fraisa公司的直径2.5snm的球头棒铣刀，刀具避空位为20mm. 从吸力面过渡到压力面曲率变化剧烈，因此，采取吸力面、压力面、前圆角分开加工。驱动几何选择要加工的曲面:可采用的驱动方法为相对于驱动(Relat
19、ive to Drive)，必要时需要合理设置前倾角和侧倾角，生成的刀轨如图14所示。6.2.5变圆角精加工大、小叶片的左侧为变圆角，圆角半径从叶片前缘到尾缘为1.25rnm到2.2mm到1.25mm线性变化。其中最大圆角发生在靠近尾缘22%处。叶片右侧为常数圆角1.25mm。变圆角可以通过一次走刀加工完成，这时刀具球头部分的半径最大为变圆角的最小半径。 因为变圆角的曲率变化剧烈，因此用Relative Normal To Drive控制刀轴方向容易与其它叶片千涉，因此大、小叶片的刀轴控制方式都为:Toward Line，有时只用一条控制刀轴线，还不能控制加工一张完整的曲面，可能要选用几条控制
20、线。 以上程序都要经过分度、旋转，加工完全部的轮毅或叶片再执行下一个程序，保证应力均匀释放，减少加工变形误差。 五轴编程不仅要合理选择驱动面，而且还要根据叶轮的几何特征合理地设置进退刀方式，从而避免过切和干涉。7、结论 本文利用UGNX软件对复杂曲面叶轮进行了三维造型、加工轨迹规划，合理选择加工刀具，针对流道、叶片的特点选择了合适的刀轨驱动方法。并在MIKRON HSM400U机床上实际加工出该压气机转转子的实物图如图15所示。实验结果证明此微型整体叶轮数控加工的方案是可行的，用UG可以实现复杂微型整体叶轮的数控加工编程，加工效果良好。但是，UGNX为通用软件，加工复杂零件，需要做很多辅助点、
21、线、面，操作复杂同时在生成刀位轨迹的时候，常常出现过切提示，要通过不断地缩小加工区域来反复实验。这样给编程人员带来很多麻烦，影响编程效率。因此研究高性能叶轮的加工技术、自主开发专用编程软件势在必行。讨论：大型雕塑曲面零件的五轴联动加工技术可以有效解决这类零件加工精度和加工效率之间的矛盾，这种技术涉及到计算机辅助三维曲面造型，计算机辅助制造及机械加工工艺技术等多学科综合技术。笔者将研究得到的技术成果实际应用到大型水轮机转轮叶片的五轴联动加工中，取得了很好的技术经济效益，大大增强了我公司市场竞争力。 【参考文献】1、刘维伟,任军学,潘天丽;叶轮类零件测量造型方法研究;航空计算技术;2000年04期
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