畢業(yè)論文格式Word200309886

1、畢 業(yè) 論 文姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 課 題： 指導(dǎo)老師： 其它典型零件三維造型及數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)【摘要】本文基于螺旋銑新工藝方案有效的解決了葉片數(shù)控加工中的效率低下問(wèn)題，詳細(xì)設(shè)計(jì)了葉片螺旋銑多坐標(biāo)加工中的工藝控制參數(shù)和軌跡生成算法，推導(dǎo)出適用于多種控制參數(shù)的螺旋加工編程的多坐標(biāo)刀位點(diǎn)計(jì)算公式。同時(shí)，針對(duì)高速螺旋銑的加工效率瓶頸部分緣頭處曲率劇烈變化的幾何特征，重新設(shè)計(jì)了緣頭處的走刀軌跡，避免了緣頭處的啃切與刀軸晃動(dòng)，計(jì)算出高質(zhì)量的多坐標(biāo)加工刀位軌跡。 通過(guò)對(duì)葉片常規(guī)加工過(guò)程的描述和加工工藝的理論分析，針對(duì)點(diǎn)位加工、側(cè)銑、螺旋銑等幾種常用葉片數(shù)控加工方法進(jìn)行了質(zhì)量和效率的對(duì)比，提出了葉片

2、數(shù)控加工方法的評(píng)價(jià)方法，分析了各種加工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而初步研究了高速螺旋銑在開(kāi)式整體葉盤加工中的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，所完成的葉片多軸數(shù)控高速螺旋銑加工方法取得了良好的效果?！娟P(guān)鍵詞】螺旋銑 葉片 緣頭 數(shù)控加工工藝 走刀軌跡 刀位點(diǎn) 【引言】數(shù)控技術(shù)就是指一種采用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中的各種控制信息進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算、處理、并驅(qū)動(dòng)單元對(duì)機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化控制的技術(shù)。世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)發(fā)展數(shù)控技術(shù)、建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，促使制造業(yè)跨入一個(gè)新的發(fā)展階段，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了巨大的變化。數(shù)控機(jī)床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容，它不但是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，還是汽車、石化、電子和現(xiàn)代醫(yī)療裝備等產(chǎn)業(yè)

3、現(xiàn)代化的主要手段。雖然數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)本身的產(chǎn)值遠(yuǎn)不如汽車、化工等產(chǎn)業(yè)，但高效的數(shù)控機(jī)床給制造業(yè)帶來(lái)了現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式以及高倍率的效益增長(zhǎng)，這是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大源動(dòng)力。特別是數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)的擴(kuò)展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果，足以給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方式及管理模式等帶來(lái)深刻的變化。然而，近年來(lái)，整體葉輪的加工在數(shù)控加工中的重要性越來(lái)越得以體現(xiàn)，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供很大便捷,現(xiàn)以整體葉輪加工為例，介紹典型零件三維造型及數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)。1、整體葉輪的概念 整體葉輪特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量種類繁多、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響大、設(shè)計(jì)研制周期長(zhǎng)、制造工作量大。目前，較重要用途的葉輪都是由非可展

4、直紋面和自由曲面構(gòu)成的，葉輪葉片的型面非常復(fù)雜，使得葉片實(shí)體造型較一般的實(shí)體造型更為復(fù)雜多變。從整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也可以看出:加工整體葉輪時(shí)加工軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。 目前國(guó)外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專用軟件，主要有美國(guó)nrec公司的max-5, max-ab葉輪加工專用軟件，瑞士starrag數(shù)控機(jī)床所帶的整體葉輪加工模塊，還有hypermill等也可用于整體葉輪加工。目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家企業(yè)可以加工整體葉輪，而且工藝水平距國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距。總體上，我國(guó)葉輪加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用同發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，在

5、窄槽道、小輪毅比等高性能葉輪制造技術(shù)方面尚未過(guò)關(guān)。2、整體葉輪的cad/cam系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 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)控加工中心上使輪毅與葉片在一個(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)整體加工制造出來(lái)。采用數(shù)控加工方法加工整體葉輪的cadicam系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1. 3、微型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn) 國(guó)內(nèi)大多數(shù)整體葉輪都是根據(jù)國(guó)外葉輪縮比仿制的，而本文研究的葉輪是北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院自主開(kāi)發(fā)的微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)

6、上的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子出口直徑為81mm，有8片一級(jí)葉片，8片二級(jí)葉片，出口葉片高度3mm，葉輪進(jìn)口直徑44.3mm,進(jìn)口葉片高度17.l5mm，葉片厚度最薄處0.4mm，相鄰葉片間最小間距為3.1mm，如圖2. 圖2 為了使氣動(dòng)性設(shè)計(jì)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構(gòu)，給加下提出了很高的要求。轉(zhuǎn)子加工難度如下: a.國(guó)際上同等直徑81 mm的整體葉輪通常有12片葉片或14片葉片，而此轉(zhuǎn)子有16片葉片，而且它的二級(jí)葉片也較長(zhǎng)，這些都使加工槽道進(jìn)一步變窄，加工難度進(jìn)一步增加; b.在刀具直徑為2.smm情況下，剛性差，容易斷，控制切削深度也是關(guān)鍵; c此葉輪曲面為自

7、由曲面、流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重，并且有后仰的趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。有時(shí)為了避免干涉，有的曲面耍分段加工，因此保證加工表面的一致性也有一定困難; d.前緣圓角曲率半徑變化很大，加工過(guò)程中機(jī)床角度變化較大。并且實(shí)現(xiàn)環(huán)繞葉片加工較難; e甲由于葉輪強(qiáng)度的需要，輪毅與葉片之間還采用變圓角。槽道窄、葉片高、變圓角的加工也是難點(diǎn)。 總之，此葉輪的窄槽道、大扭角、變圓角給加工帶來(lái)了很大困難，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有加工出此種高難度的整體葉輪。4、創(chuàng)建葉輪的三維模型4. 1葉輪葉片數(shù)據(jù)的獲取方法 葉輪葉片數(shù)據(jù)的獲取主要有兩種方法:一種是通過(guò)逆向工程;一種是通過(guò)理論計(jì)算。逆向工程是把原型的幾何尺寸通過(guò)各種測(cè)量

8、方法(如:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀、三坐標(biāo)測(cè)頭等)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)文件，然后重新建立此零件的cad模型的技術(shù)。理論計(jì)算是根據(jù)流體力學(xué)原理計(jì)算出的葉型數(shù)據(jù)，本文的原始造型數(shù)據(jù)就是通過(guò)理論計(jì)算得出的。 數(shù)據(jù)文件提供的是:一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)格式為；xc空格yc空格zc空格，與ug對(duì)數(shù)據(jù)源文件的要求一致。這樣才可以根據(jù)曲面的連續(xù)、光滑性要求，在ug的自由曲面模塊中，由葉片的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合生成光滑、準(zhǔn)確的閉合曲線，從而再通過(guò)這些曲線生成葉片曲面。4. 2創(chuàng)建葉片 通常情況下，葉片的基元線主要分為兩類:一類是平面曲線(一般出現(xiàn)在渦輪中)，一類是空間曲線(一般出現(xiàn)在壓氣機(jī)葉輪中)。而ug中對(duì)這兩類曲線生

9、成葉片實(shí)體的處理方法是不同的。4.2.1葉片基元線是平面曲線 從菜單欄中選擇【樣條】命令，根據(jù)需要選擇其中的一種擬合方式，把己生成的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，系統(tǒng)將按照數(shù)據(jù)繪制封閉的樣條曲線。按照上述方法，用其它的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)繪制其它封閉樣條曲線。從菜單欄中選擇【通過(guò)曲線】命令，系統(tǒng)將彈出【通過(guò)曲線】對(duì)話框，分別選取已建的樣條曲線串。這樣就生成了葉片實(shí)體(如圖3)。4.2.2葉片基元線是空間曲線導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，繪制樣條曲線;通過(guò)曲線串生成葉片實(shí)體:同4.2.1。但是這時(shí)候生成的是葉片片體(如圖4)。要想生成實(shí)體，必須在葉片片體的兩側(cè)建立兩個(gè)縫合面，縫合成實(shí)體。利用【掃描】命令，通過(guò)片體兩側(cè)的最外邊曲線，

10、生成縫合面(如圖5，這樣這兩個(gè)平面和所建立的葉片片體共同圍成了一個(gè)封閉的葉片休。利用【縫合】命令，選擇以上建立的兩個(gè)平面和片體，生成葉片實(shí)體，如圖6。 圖5，6 4. 3創(chuàng)建輪毅ug提供了兩種建立曲線的方式:一種是直接在三維建模方式下，一種是在草圖方式下。草圖中建立便于參數(shù)化，推薦用草圖建立.利用【回轉(zhuǎn)】命令，選擇所建的截面曲線作為剖面線串，創(chuàng)建輪毅回轉(zhuǎn)體。4. 4修整葉片與輪毅通過(guò)定義基準(zhǔn)面和裁剪休，利用【裁剪】命令，裁掉多余的部分.4. 5建立其他的葉片因?yàn)槿~片是圓周均布的，所以利用【變換】命令，選擇要復(fù)制的葉片，在【角度】文本框中輸入?yún)?shù)值360/n(n為葉片個(gè)數(shù))，連續(xù)復(fù)制n-1次，這

11、樣就完成了n個(gè)葉片在輪毅上的均勻分布。4.6建立整體葉輪到此，葉片、輪毅已經(jīng)建立完畢，但它們都是獨(dú)立的實(shí)體，因此，把它們組合成一個(gè)實(shí)體，最終完成葉輪的二維實(shí)體造型(如圖7, 8).圖7，85、葉片曲線、曲面分析由于葉片數(shù)據(jù)的獲取來(lái)源，決定了生成的葉片曲線、曲面可能存在不需要的拐點(diǎn)，出現(xiàn)不光滑的凹凸現(xiàn)象，這直接影響著后續(xù)的加工效果。因此在三維建模過(guò)程中需要對(duì)曲線、曲面進(jìn)行光順檢查。5.1曲線分析5.1.1分析曲線質(zhì)量用ug中的曲線分析工具，分析葉片的每一條基元線的曲率分布情況，有無(wú)斷點(diǎn)、尖點(diǎn)、交叉、重疊。下面以一條空間基元線為例，分析曲線的質(zhì)量。曲率梳可以反映曲線的曲率變化規(guī)律井由此發(fā)現(xiàn)曲線的形

12、狀問(wèn)題。原始曲線的曲率梳分布如圖9，光順后的曲率梳分布如圖l0。通過(guò)曲率圖可以看出:光順后的曲線比原始曲線要光順的多。因此，光順后的曲線更有利于后續(xù)的數(shù)控加工編程。5.1.2光順曲線通過(guò)編輯曲線中的光順曲線命令，修改光順因子，來(lái)達(dá)到需要的光順曲線。5.2曲面分析5. 2. 1法矢量各分量的分布(評(píng)價(jià)光滑性)葉片曲面的理想情祝是在各處法向矢量呈發(fā)散的趨勢(shì)。如果兩法向矢量有相交的趨勢(shì)，原因可能是由于前緣、尾緣的半徑設(shè)置不合理。這種情況下，需將前、后緣的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修改。用ug中的橋接曲線功能，在保證連接點(diǎn)曲率連續(xù)的前提下，通過(guò)修改相切模量來(lái)調(diào)整前緣、尾緣形狀。最后重新分析曲面的法矢量。以轉(zhuǎn)子葉片為例

13、，葉片曲面法矢量三維分布，可以看出法矢量的變化比較連續(xù)，只是在前緣、尾緣與吸力面、壓力面的相接處存在較人的轉(zhuǎn)折。通過(guò)放大法矢量圖，分析在銜接處的法矢量變化，發(fā)現(xiàn)法矢量的變化是連續(xù)的，即法向矢量之間沒(méi)有相交的趨勢(shì)。如圖11，這是合理的。但是法矢量變化較大的地方，可能成為曲面加工中的難點(diǎn)，因此在數(shù)控編程中應(yīng)特別注意干涉過(guò)切與刀具轉(zhuǎn)角這兩方面的問(wèn)題。如果干涉太嚴(yán)重，可以將壓力面、吸力面、前緣角分開(kāi)加工。5.2.2相鄰面的最小空間距離使用ug中的距離分析命令可以求出相鄰葉片曲面的最小距離，這個(gè)最小距離可以作為選取刀具的參考依據(jù)之一。所選刀具的直徑最大不能超過(guò)該值。6、葉輪數(shù)控加工工藝流程規(guī)劃6.1刀具

14、的選擇 為提高加工效率，在進(jìn)行流道粗加工、半精加工過(guò)程中盡可能選用大直徑球頭銑刀，但是必須保證刀具直徑r1小于葉片間最小距離lmin , lmin的大小可以根據(jù)ug軟件的分析面面距離的功能測(cè)得。 在葉片精加工過(guò)程中，應(yīng)在保證不過(guò)切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀，即保證刀具半徑r2大于流道和葉片相接部分的最大圓角半徑。 在對(duì)流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí)，選擇的刀具半徑r3小于流道和葉片相接部分的最小圓角半徑。6. 2加工工藝流程 為了提高整體葉輪的強(qiáng)度，毛坯一般采用鍛壓件，然后進(jìn)行基準(zhǔn)面的車削加工.加丁出葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。 葉輪整體加工采用輪毅與葉片在一個(gè)毛坯上進(jìn)行成形加工，而不采用葉

15、片加工成形后焊接在輪毅上的工藝方法。其加工工藝方案如下：6.2.1鍛壓毛坯6.2.2葉輪氣流通道的開(kāi)槽加工 開(kāi)槽加工槽的位置宜選在氣流通道的中間位置，采用平底錐柄棒銑刀平行于氣流通道走刀，并保證槽底與輪毅表面留有一定的加工余量。 根據(jù)整體葉輪流道部分的幾何特征，流道開(kāi)槽需分成3部分加工:小葉片前端、左端、右端，如圖12所示。每部分開(kāi)槽需采用分層漸進(jìn)的方法，將流道部分的總加工余量根據(jù)整體葉輪和刀具材料的力學(xué)性質(zhì)以及進(jìn)給速度等分成若干層進(jìn)行加工。所分層數(shù)和每層的加工余量應(yīng)該根據(jù)總加工余量的最大厚度部分來(lái)進(jìn)行合理分配。可采用的驅(qū)動(dòng)方法為:前端流道面加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)( normal t

16、o drive )，趨向于點(diǎn)(toward point);左端流道面加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)(normal to drive )、相對(duì)子驅(qū)動(dòng)面(relative to drive );右端流道面曲率變化很平緩，曲面上各點(diǎn)法向與葉片曲面夾角都接近00，因此加工采用的驅(qū)動(dòng)方法為:垂直于驅(qū)動(dòng)(normal to drive )。 因?yàn)殚_(kāi)槽時(shí)余量大，剛開(kāi)始就用五軸加工，對(duì)刀具直徑有限制，切削速度慢。因此可以先用型腔銑對(duì)流道從兩個(gè)不同的方向進(jìn)行開(kāi)槽。相對(duì)于分層漸進(jìn)法，此方法開(kāi)槽效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，但開(kāi)槽后剩余加工量大，且不規(guī)則，還需要用分層漸進(jìn)法補(bǔ)加工。6.2.3葉輪氣流通道的擴(kuò)槽加工及葉片的

17、粗加工 開(kāi)槽加工后己經(jīng)加工掉流道大部分余量，為了保證精加工之前有均勻的加工余量，提高最終的表面加工質(zhì)量，還需要擴(kuò)槽和葉片粗加工。擴(kuò)槽加工采用球形錐柄棒銑刀，從開(kāi)槽位置開(kāi)始，從中心向外緣往兩邊葉片擴(kuò)槽，擴(kuò)槽加工要保證葉型留有一定的精加工余量。通常情況下，擴(kuò)槽加工與精銑輪毅表面在一次加工完成。由于此葉輪槽道窄、葉片高、扭曲嚴(yán)重，且ug數(shù)控加工編程需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)面來(lái)決定切削區(qū)域，因此擴(kuò)槽加工需要分兩部分來(lái)加工。待添加的隱藏文字內(nèi)容2 a.選擇驅(qū)動(dòng)面為輪毅面，進(jìn)行擴(kuò)槽。此時(shí)不能完全加工輪毅表面，還需進(jìn)一步擴(kuò)槽加工，來(lái)輔助加工輪毅表面。 b.進(jìn)一步擴(kuò)槽及葉片粗加工。選擇驅(qū)動(dòng)面為葉片表面的偏置面，在葉片粗加

18、工的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)槽。加工驅(qū)動(dòng)面選擇葉片的偏置面，流道面、其他相鄰葉片面作為干涉檢查面，可采用的驅(qū)動(dòng)方式為:趨向于點(diǎn)(toward point)、趨向于線(toward line),生成的刀軌如圖13所示。6.2.4葉片、輪載的精加工 在均勻余量下進(jìn)行的精加工，保證了良好的表面加工質(zhì)量，采用球頭銑刀精加工，因?yàn)橄噜徣~片間最小間距為3.1mm，且葉片最深處為17.15mm，考慮到干涉，轉(zhuǎn)r精加工刀具采用瑞士fraisa公司的直徑2.5snm的球頭棒銑刀，刀具避空位為20mm. 從吸力面過(guò)渡到壓力面曲率變化劇烈，因此，采取吸力面、壓力面、前圓角分開(kāi)加工。驅(qū)動(dòng)幾何選擇要加工的曲面:可采用的驅(qū)動(dòng)方法為

19、相對(duì)于驅(qū)動(dòng)(relative to drive)，必要時(shí)需要合理設(shè)置前傾角和側(cè)傾角，生成的刀軌如圖14所示。6.2.5變圓角精加工大、小葉片的左側(cè)為變圓角，圓角半徑從葉片前緣到尾緣為1.25rnm到2.2mm到1.25mm線性變化。其中最大圓角發(fā)生在靠近尾緣22%處。葉片右側(cè)為常數(shù)圓角1.25mm。變圓角可以通過(guò)一次走刀加工完成，這時(shí)刀具球頭部分的半徑最大為變圓角的最小半徑。 因?yàn)樽儓A角的曲率變化劇烈，因此用relative normal to drive控制刀軸方向容易與其它葉片千涉，因此大、小葉片的刀軸控制方式都為:toward line，有時(shí)只用一條控制刀軸線，還不能控制加工一張完整的曲

20、面，可能要選用幾條控制線。 以上程序都要經(jīng)過(guò)分度、旋轉(zhuǎn)，加工完全部的輪毅或葉片再執(zhí)行下一個(gè)程序，保證應(yīng)力均勻釋放，減少加工變形誤差。 五軸編程不僅要合理選擇驅(qū)動(dòng)面，而且還要根據(jù)葉輪的幾何特征合理地設(shè)置進(jìn)退刀方式，從而避免過(guò)切和干涉。7、結(jié)論 本文利用ugnx軟件對(duì)復(fù)雜曲面葉輪進(jìn)行了三維造型、加工軌跡規(guī)劃，合理選擇加工刀具，針對(duì)流道、葉片的特點(diǎn)選擇了合適的刀軌驅(qū)動(dòng)方法。并在mikron hsm400u機(jī)床上實(shí)際加工出該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的實(shí)物圖如圖15所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此微型整體葉輪數(shù)控加工的方案是可行的，用ug可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微型整體葉輪的數(shù)控加工編程，加工效果良好。但是，ugnx為通用軟件，加工復(fù)雜零件，需要做很多輔助點(diǎn)、線、面，操作復(fù)雜同時(shí)在生成