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透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工的研究 摘要 五轴加工应用于航天领域，加工具有自由曲面的机体零部件、涡轮机零部 件和叶轮等复杂类零件已经有了很多年的历史，在最近几年，这种先进加工手 段的运用越来越广泛。五轴加工解决了普通三轴数控机床所不能解决或解决不 好的加工问题，显著提高了复杂零件的加工质量及效率，是在近些年来迅速崛 起的先进制造技术之一。 叶轮类零件种类繁多，而透平叶轮是种典型的自由曲面零件，叶轮小而 精密，其传统的设计和加工方法既费时又难保证精度，而专用的一些c a d c a m 软件价格又及其昂贵。因此，通过研究利用通用的c a d c a m 软件来设计、加 工出透平叶轮，对于类似零件的实际生产加工有着非常重要的意义。 本论文在深入研究自由曲面造型原理，总结前人对于叶轮类零件造型的方 法和叶轮五轴高速加工工艺的基础上，利用反求的方法通过对叶片边缘关键数 据点的采集，得到了理想的叶片边缘线，在此基础上扩展到叶片曲面，最后形 成叶片实体。把叶轮的c a d 几何模型导入到h y p e r m i l l 的c a m 加工模块中， 通过对五轴高速加工工艺规划的研究和加工参数的选择，计算出叶轮的加工刀 轨路径，并通过后置处理得到符合m i k r o nu c p8 0 0 数控机床的n c 代码， 并加工出叶轮产品。采用该方法可以在保证精度的前提下，充分利用u g 、 h y p e r m i l l 等软件的建模、加工功能，使加工精度和效率明显提高，为透平叶轮 这类典型的精密超薄自由啦面零件提供了有效的设计方法和加工工艺。 关键词：透平叶轮；自由曲面；五轴加工；高速加工；后置处理； t h er e s e a r c ho i lt h e d i g i t a lm o d e l i n ga n df i v e a x i s a n d h i g h - - s p e e dn cm a c h i n i n go ft u r b oi m p e l l e r a b s t r a c t f i v e a x i sm a c h i n i n gu s e di na e r o s p a c ei n d u s t r y ，p r o c e s s i n go f b o d yp a r t sw i t h f r e e f o r ms u r f a c e s ，t u r b i n e sa n do t h e rc o m p l e xc o m p o n e n t sa n di m p e l l e r t y p ep a r t s a l r e a d yh a v em a n yy e a r so fh i s t o r y i nr e c e n ty e a r s ，t h i sa d v a n c e dp r o c e s s i n g m e a n sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v eu s e f i v e a x i sm a c h i n i n gt os o l v et h eo r d i n a r y t h r e e - a x i sc n cm a c h i n et o o l sc a nn o ts o l v eo rr e s o l v et h ep r o b l e m sb a d l y ，i m p r o v e t h ep r o c e s s i n go fc o m p l e xp a r t sq u a l i t ya n de f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l y ，o n eo ft h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sr a p i dr i s ei nr e c e n ty e a r s 。 i m p e l l e rp a r t sv a r i e t y ，a n dt h et u r b i n ei m p e l l e ri sat y p i c a lf r e e - f o r ms u r f a c e i m p e l l e rs m a l la n dp r e c i s e ，i t st r a d i t i o n a ld e s i g na n dp r o c e s s i n gm e t h o d sa r et i m e c o n s u m i n ga n dd i f f i c u l tt oe n s u r ea c c u r a c y ，b u td e d i c a t e dn u m b e ro fc a d c a m s o f t w a r eh a v eh i g hp r i c e t h e r e f o r e ，b ys t u d y i n gu s eo fc o m m o nc a d c a m s o f t w a r et od e s i g n ，m a n u f a c t u r eat u r b i n ei m p e l l e r ，s i m i l a rt op a r t so ft h ea c t u a l p r o d u c t i o nf o rp r o c e s s i n gh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f r e ei n d e p t hs t u d yo ft h i sp a p e rp r i n c i p l e so fs u r f a c em o d e l i n g ，i m p e l l e rp a r t s p r e d e c e s s o rf o rm o d e l i n gm e t h o d sa n di m p e l l e r a x i s h i g hs p e e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g yb a s e do nt h em e t h o db yu s i n gt h e r e v e r s ek e yd a t ap o i n t so nt h el e a f e d g ea c q u i s i t i o n ，h a sb e e nt h ei d e a lb l a d ee d g el i n e ，i nt h i sb a s e do nt h ee x t e n s i o n t ot h eb l a d es u r f a c e ，a n df i n a l l yt h ef o r m a t i o no fl e a fe n t i t i e s t h ei m p e l l e ro ft h e c a dg e o m e t r yi n t ot h ec a mh y p e r m i l l p r o c e s s i n gm o d u l e ，t h r o u g ht h e f i v e a x i sh i g hs p e e dm a c h i n i n g p r o c e s sp l a n n i n go ft h es t u d ya n dt h ec h o i c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r st oc a l c u l a t et h ep a t ho ft h ei m p e l l e rm a c h i n i n gt o o lp a t h ，a n d t h r o u g hp o s t - p r o c e s s i n ga r ec o n s i s t e n tw i t hm i k r o nu c p 8 0 0n cc o d ef o rc n c m a c h i n et o o l s ，a n df i n a l l yt h r o u g ht h en cc o d es i m u l a t i o n a c c u r a c y ，a n d p r o c e s s i n go ft h ei m p e l l e rp r o d u c t s t h em e t h o dc a nb eu s e du n d e rt h ep r e m i s eo f g u a r a n t e e i n gt h ea c c u r a c y ，f u l lu s eu g ，h y p e r m i l l s o f t w a r es u c ha sm o d e l i n g ， p r o c e s s i n ga n ds i m u l a t i o n ，s ot h a tm a c h i n i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c yi n c r e a s e sf o r at y p i c a lt u r b i n ei m p e l l e rp r e c i s i o nu l t r a t h i nf r e e - f o r ms u r f a c et op r o v i d ee f f e c t i v e d e s i g nm e t h o d sa n dp r o c e s s e s k e y w o r d s ：t u r b i n ei m p e l l e r ；f l e es u r f a c e ，f i v e a x i sm a c h i n i n g ，h i g hs p e e d m a c h i n i n g ，p o s t p r o c e s s i n g 插图清单 图1 - 1 数控加工过程4 图卜2 高速与超高速切削速度范围：8 图2 一l z e r k o w i t z 型冲动式径流透平膨胀机1 1 图2 2 s w e a r in g e n 型反作用径流式透平膨胀机1 2 图2 3 直接传动的总体布置1 3 图2 4 带减速器的总体布置l3 图2 5 透平膨胀机机组组成1 4 图2 6 俄罗斯进口透平机图片1 6 图2 7 两种规格叶轮二维图17 图3 1 有理基函数2 0 图3 2 有理三次b 样条曲线中改变权重w 1 的作用2 1 图3 3 反求工程原理图2 2 图3 4 叶毂建模思路框图2 3 图3 5 叶毂实体2 4 图3 6 初始点的输入2 4 图3 7 截面图形2 4 图3 8 叶片曲面2 4 图3 - 9 大叶片实体2 5 图3 1 0 小叶片上部截面2 5 图3 11 分流叶片实体2 5 图3 1 2 整体叶轮实体2 5 图4 - 1 复杂零件数控加工流程图2 7 图4 2 走刀步长的参数线法3 l 图4 3 行距的计算3 2 图4 4 叶轮的基本几何特征3 3 图4 5 流道半精加工中干涉面的选择3 4 图4 6 采用相对驱动面方式规划叶片加工轨迹3 4 图4 7 m i k r o nu c p8 0 0 机床3 5 图4 8 叶轮结构图3 6 图4 - 9 叶轮外轮廓在u g 环境下的加工图3 7 图4 1 0 叶轮夹具二维图3 9 图4 1 1 叶轮夹具实物图3 9 图4 1 2 叶轮五轴加工刀具图3 9 图4 1 3 叶轮在h y p e r m i l l 环境下的加工图4 0 图4 - i4 n c 程序生成的一般过程4 3 图4 - 1 5 选择s e l e c t 进入机床选择菜单4 5 图4 - 1 6 选择对应的机床4 5 图4 - 17 刀具清单图4 5 图4 - i 8 后置代码图4 5 图4 - 1 9 球头刀插补误差4 8 图4 - 2 0 加工出的叶轮实物图4 9 表格清单 表2 - 1 叶轮外形尺寸l 1 6 表2 - 2 叶轮外形尺寸2 1 6 表4 一i m i k r o nu c p8 0 0 主要参数表3 5 表4 - 2 数控车削工艺参数表3 7 表4 - 3 叶轮五轴加工工艺参数表4 0 表4 - 4 叶轮外轮廓加工轨迹表4 0 表4 - 5 叶轮五轴加工轨迹表4 1 表4 - 6 进给系统分类4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：2 6 f 眸 o ，i = o ，1 ，2 n + k 。这样的节点矢量定义了均匀b 样条基。 2 ) 准均匀b 样条曲线( q u a s i u n i f o r mb s p li n ec u r v e ) 其节点矢量中两端节点具有重复度 k + i ， 即 2 “5 5 ，+ ，2 毪+ 22 2 m ，所有内节点均匀分布，具有重复度1 。 定义域“【，“槲j 内节点区间长度宠i = 常数 o ，i = k ，k + 1 ，1 1 , 与均匀 b 样条曲线定义域内节点分布相同，差别仅在于两端节点。这样的节点矢量定 义了准均匀b 样条基。 3 ) 一般非均匀b 样条曲线( g e n e r a l n o n u n i f o r mb s p l i nc u r v e ) 在这种类型里，任意分布的节点矢量u = 【，铂，甜袱+ ，j ，只要在数学上成立 ( 其中节点序列非减，两端点重复度k + 1 ，内节点重复度k ) 都可取。这样的 节点矢量定义了般非均匀b 样条基。可见前两种类型都可以作为特例被包括 在这种里。 1 9 ( 3 ) 非均匀有理b 样条曲线与曲面 n u r b s 是n o n - u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e s 的缩写，是非统一有理b 样条的 意思。具体解释是： n o n - u n i f o r m ( 非统一) ：指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创 建一个不规则曲面的时候，这一点非常有用。同样，统一的曲线和曲面在透视 投影下也不是无变化的，对于交互的3 d 建模来说，这是一个严重的缺陷。 r a t i o n a l ( 有理) ：指每个n u r b s 物体都可以用数学表达式来定义。 b - s p li n e ( b 样条) ：指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间 以内插值替换。 非均匀有理b 样条( n o nu n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ) 其方法的主要贡献 是统一了描述自由型曲线曲面的b 样条方法和精确表示二次曲线与二次曲面的 数学方法。由于n u r b s 在定义形状方面有着强大的功能和潜力。国际标准组织 ( i s o ) 在1 9 9 1 年正式颁布的工业产品几何定义s t e p 标准中将n u r b s 规定为自由 型曲线、曲面的唯一表示方法。t ill e r 在1 9 8 3 年将b 样条推广到四维齐次坐标空 间中，从而引出有理b 样条曲线。设在四维空间中表示为： 召 ( 甜) = 尸 。泓( 甜) 3 - 2 其中凡是齐次空间中的控制点。如果p h i = ( h x i ，b y i ，h z i ，h ) ，那么它在 三维空间中的曲线由下式给出： hi p nh ( u ) “2 专h i i n 百 3 3 i ，k ( u ) 3 - 3 上式所描绘的曲线称为有理b 样条曲线。 图3 - 1 给出了有理基函数r i ，k ( u ) 在一个区间内的图。上式中的h i 也可看 作是对第l 项的权重，图3 - 2 给出了在有理三次b 样条中改变权重h ；所产生的几 何推拉作用。 图3 - i 有理基函数 2 0 图3 - 2 有理三次b 样条曲线中改变权重w l 的作用 如果上式中基函数n i ，k ( u ) 的节点是均匀分布的，则b ( u ) 称为均匀有理b 样条曲线( u r b ) 。如果是非均匀的，则称为( n u r b ) 非均匀有理b 样条。基函 数的均匀分布，即节点矢量在参数轴上的均匀选择，使生成曲线有一些局限性 ( 比如节点区间对应的曲线长不等) ，基函数参数的非均匀分布可改变这一情 况。我们可适当选择使对应曲线段等长或接近等长，从b 给出较好的控制 非均匀有理b 样条曲线有以下4 个特点： ( 1 ) 非均匀有理b 样条曲线中继承了b 样条曲线的所有优点。 ( 2 ) 透视不变性。控制点经过透视变换后所生成的曲线或曲面与原先生成 的曲线或曲面的再变换是等价的。 ( 3 ) 球面等二次曲面的精确表示。n u r b 不仅可以表示自由曲线曲面，还可 以精确表示球面等二次曲面形状，这是其他b 样条表示方法所不具备的。 ( 4 ) 更多的形状控制自由度。n u r b 给出更多的控制形状的自由度可用来生 成各种形状。 3 2 透平机叶轮的建模思路分析 3 2 1 反求工程概述【2 2 也3 j 反求工程，通常也被称为逆向工程，反向工程等。反求工程技术源于精密 测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路，其原理如图3 3 。 目前，市场竞争越发激烈，产品的生命周期逐渐变短，导致企业对新产品 的开发力度不断加大。总的来说，新产品开发有两种模式：一是根据市场需要， 历经产品的概念设计，结构设计，加工制造，装配检测等产品开发过程，被称 之为产品开发的正向工程：另一种是对已有的产品进行消化吸收并对其进行创 新改进，使之成为新产品，这一种新产品的开发模式就是反求工程。 根据产品信息的来源的不同，可将反求工程分为以下三种：1 实物反求， 其信息的来源为产品的实物模型；2 软件反求，信息源为产品的工程图样，技 术文件等。3 影像反求，信息源为图片，照片或影像资料。其中，实物反求的 研究最为深入，应用也最广泛。 实现反求工程有着多种途径和手段，涉及各种影响因素，其主要影响因素 有：1 信息源的形式；2 反求对象的形状，结构，精度要求；3 制造企业的软， 2 1 硬件条件及工程技术人员自身的素质。 反求对象信息源 ( 实物、图样、图片、n c 程序、图像等) 1 分析样本，确定技术指标 0、 定义零件的拓扑关系 f v 样本零件的数据获取 j 测量数据修正 j 反求对象模型重构 0 模型的再分析和再设计 l t 制造工艺规划 上 零件加工 上 检验、测试 0 反求工程新产品 图3 - 3 反求工程原理图 c a d c a m 技术的的不断发展与成熟，导致了反求工程应用越来越多，其 基本过程是：首先采用某种测量设备和测量方法对实物模型进行测量，以获取 实物模型的特征参数，如数据点等，然后将获取的实物信息利用计算机重构技 术反求出模型，并且对重建出的模型进行一些的改进、分析，最后利用相关c a m 软件进行数控编程并快速地加工出新产品。 反求工程的基本步骤： ( 1 ) 分析阶段首先需对反求对象自身的功能原理、形状结构、材料性能、 加工工艺等方面有深入而全面的了解，明确其关键功能及关键技术，对其设计 特点和不足之处做出评估。 ( 2 ) 再设计阶段在先前分析的基础上，对反求对象进行再设计，包括对样 本模型的测量规划、模型的重构、改进设计、仿制等过程。 ( 3 ) 反求产品的制造阶段按照产品自身的性质和需要，利用适合的制造手 2 2 段，加工出产品。还需对其进行相关检测，如果不符合设计的要求，还应重新 修改设计。 项目正是利用了反求工程的基本原理，对俄罗斯进口的透平叶轮的叶片边 缘运用三坐标测量仪进行数据点采集，从实物获取所需信息，并对其采集的数 据进行分析、修正，最终确定叶轮建模所需的数据点集，从而为叶轮的建模做 好了相应的前期准备工作。 3 2 2 透平叶轮建模思路 透平叶轮是一种自由曲面零件，形状复杂。要对其进行造型，首先要分析 清它的几何形状特点。叶轮通常由叶片和叶毂两部分组成，而叶片又分为大叶 片和分流叶片。本项目有大小两种叶轮，大叶轮直径3 5 m m ，共1 4 片叶片，大 叶片与分流叶片各7 片，小叶轮直径2 8 m m ，共18 ) 4 叶片，大叶片与分流叶片各 9 p f 。项目采用u g 软件作为叶轮造型的c a d 系统。 目前，叶轮的建模主要利用逆向工程反求数据点或者通过理论计算得出数 据点。叶轮叶片数据点的获取主要有2 种方法：一种是通过三坐标测量仪等仪 器对实物进行测量获取数据点信息，即对叶轮原型的几何尺寸进行测量，再将测 得的数据进行分析，最终获取出有用的数据，并根据这些数据重建此零件的c a d 模型。另一种是利用空气动力学，流体力学等学科相关知识通过理论计算获取 数据点【2 0 - 2 2 1 。 通常，叶轮的实体造型分为两个部分如图3 - 4 ，即叶毂实体造型和叶片实 体造型。叶毂形状相对简单，其造型比较方便。在草图环境下创建截面曲线并 对其回转就可得到。难点主要集中在叶片造型，叶片曲面多为自由曲面，其连 续性和光顺性要求较高。本文根据叶片边缘初始数据点，按照相应尺寸要求， 作出叶片上下截面，在此基础上对截面按照叶片边缘曲线方向进行扫描的方法 做出叶片实体。综上可见，叶片的实体造型是整体叶轮造型的关键【1 9 五1 1 。 图3 4 叶轮建模思路框图 2 3 3 23 叶轮在u g 环境下建模具体过程 1 叶毂的创建 根据叶轮造型的一般步骤，首先是叶毂的创建。在u g 的草图环境下创建截 面曲线，然后对其回转生成叶毂实体( 如图3 - 5 ) 。 2 叶片的创建 叶片的实体造型是叶轮造型的关键，其曲面特征比较复杂，因而造型要求 也较高。本文的叶轮共1 8 片叶片，大小叶片各9 片。笔者通过设计图纸给定的 叶片边缘数据点，并在对叶轮造型的一般方法研究的基础上，结台具体的实物， 提出本文叶轮造型的方法。 ( 1 ) 数据点的输入。利用u g 中的点构造器将叶片边缘韧始点输入，并用 样条曲线( s p l i n e ) 拟合( 如图3 - 6 ) 。 图3 - 5 叶毂实体图3 - 6 初始点的输入 围3 7 截面图形国3 - 8 叶片曲面 ( 2 ) 大叶片上下截面的创建。根据叶片的截面尺寸在空间中创建截面图形。 在创建截面的过程中，不能单纯的使用三维空间直接作图的方法，而是应该先 以叶片边缘线为直纹面的两条剖面线串做出直纹面后，多次使用曲面偏置命令， 根据截面尺寸，做出截面轮廓，这样做可以达到两个目的：一是保证叶片与叶 毂接触的部分不会脱离叶毂本身，二是保证截面图形的准确性，不会出现方向 上的偏离( 如图37 ) 。 ( 3 ) 利用u g 曲面命令中的已扫掠命令，采用双引导线的方法，以叶片两条 霉鬻黧童 边缘线为导线，以叶片上下截面轮廓线为扫描剖面，用参数对齐方式扫描出叶 片，如果扫描出的不是实体，要对其形成的三个片体进行缝合，缝合后自动变 成大叶片宴体( 如图39 ) 。 图3 一1 1 分流叶片实体图3 一1 2 整体叶轮实体 33 本章小结 本章首先对自由曲面造型的发展情况做了简单介绍，通过对自由曲线数学 定义的描述，介绍了贝塞尔曲线与曲面，b 样条曲线与曲面，非均匀有理b 样 条曲线和曲面这几种常见的自由曲线曲面类型，并对现有的主要c a d c a m 系统 的曲面造型能力进行了比较。重点介绍了透平叶轮造型的基本原理( 反求工程) 、 基本思路及叶轮在u g 环境下造型的具体步骤及重点难点问题和解决方法，为下 一章叶轮的加工提供了c a d 几何模型。 2 6 第四章自由曲面五轴高速数控加工 4 1 复杂零件的数控加工1 3 1 1 复杂零件的数控加工，如粗加工、精加工，用户可以根据零件的几何结构、 加工表面的形状要求和加工精度要求选择与零件相适应的加工类型。 复杂形状零件的数控加工，由于其编程非常复杂，所以都必须采用相应的 数控编程软件来实现加工程序的自动编制。各种数控编程软件的数控编程过程 都需经过获取零件几何模型、加工工艺的分析与加工方案的规划、完善零件几 何模型、设置相应加工参数、生成数控刀具轨迹、检验刀具轨迹的正确性与安 全性和生成数控程序七个步骤，其流程如图4 1 ： 图4 - 1 零件数控加工流程图 1 建立或者获取零件几何模型 零件几何模型是数控编程的加工对象，同时也是数控编程的前提和基础， 良好的几何模型会提高零件的加工质量及加工效率。c a d c a m 集成软件具有强 大的c a d 系统，用户可以在零件设计、曲面造型等模块中建立所需的c a d 模型， 完成后再将模型导入到相应的数控加工模块中。也可以将其他的c a d 系统所建 立的零件模型转换为i g s ，s t e p 等公共的数据转换格式，再导入相应的c a d c a m 软件中。 2 加工工艺分析及规划 2 7 一一一一 加工工艺分析和规划在很大程度上决定了数控程序的质量最终加工出的 零件实物的质量，主要是确定加工方式、加工区域、走刀方式、刀具类型、主 轴转速和切削进给等项目。加工工艺分析及规划主要包括以下内容： ( 1 ) 加工对象的确定：通过对模型的分析，确定工件的哪些部位需要在数控 铣床或者数控加工中心加工，哪些部位在普通机床加工即可。数控铣床加工的 工艺适应性也是一定的，不适合加工尖角、细小的筋条等部位，此类部位应使 用线切割或者电加工来加工；而某些加工内容使用普通机床有着更好的经济性， 可以降低成本，如孔的加工可以使用钻床，回转体加工可以使用车床。 ( 2 ) 加工区域规划：即对加工对象进行分析，按其形状、功能特征及精度、 粗糙度要求将加工对象划分成若干区域。对加工区域进行合理规划，可以提高 零件的加工效率和加工质量。 ( 3 ) 加工工艺路线规划：定制零件从粗加工到精加工，再到清根加工的相应 加工流程，以及在不同加工阶段加工余量的分配。 ( 4 ) 加工工艺和加工方式确定：如刀具的选择、加工工艺参数的设置和切削 方式的选择等。 3 完善零件模型 由于c a d 造型人员在零件加工方面知识的限制，他们在造型时更多考虑零 件设计的方便性和正确性，较少顾及零件模型对零件加工的影响，因此要根据 加工对象的确定及加工区域划分对模型做一些完善。零件模型的完善主要包含 以下内容： ( 1 ) 确定坐标系。坐标系是加工的基准，坐标系定位首先要适合机床操作人 员的位置，同时应保持坐标系的统一。 ( 2 ) 清理造型中隐藏的、对加工没有影响的元素。 ( 3 ) 修补部分曲面。对于因由不加工部位存在而造成的曲面空缺部位，应该 补充完整。如钻孔的曲面，在狭小的凹槽部位等，应该将这些曲面重新做完整， 这样获得的刀具路径更加规范与安全。 ( 4 ) 增加安全曲面。 ( 5 ) 对轮廓曲线进行修整。对于通过公共数据转换格式得到的零件c a d 模型， 可能在数据转换过程中出现损坏，比如看似光滑的曲线可能存在断点等，可以 通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。 ( 6 ) 构建刀路限制边界。使用边界来限制加工范围的加工区域，先构建出边 界曲线，这在一定程度上增加了加工的安全性。 4 设置加工参数 加工参数的设置可视为对工艺分析和规划的具体实施，也是加工过程中的 最重要一个环节，它构成了利用c a d c a m 软件进行数控编程的主要操作内容， 直接影响生成的数控程序质量和加工出的零件质量。参数设置的内容主要有以 2 8 下几个方面。 ( 1 ) 设置加工对象：用户通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分 区、毛坯和避让区域等。 ( 2 ) 设置切削方式：指定刀轨的类型及相关参数。 ( 3 ) 设置刀具及机械参数：针对每一个加工工序选择合适的加工刀具，并在 c a d c a m 软件中设置相应的机械参数，包括主轴转速、切削进给、切削液控制 在盘 号手0 ( 4 ) 设置加工程序参数：包括对进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加 工余量、安全高度等的设置。 ( 5 ) 在完成参数的设置后，c a d c a m 软件将自动进行刀轨的计算。 ( 6 ) 检验数控刀路：为确保数控程序的安全性，必须对生成的刀轨进行检查 校验，c a d c a m 软件都具有刀轨的仿真功能，用来检查刀路是否有过切或者加 工不到位等问题，并检查是否发生与工件及夹具的干涉。当检查中发现问题时， 应该及时调整参数的设置，再重新进行计算、校验、直到准确无误。 ( 7 ) 生成数控程序：在数控刀轨生成后，还需要将刀轨以规定的标准格式转 换成数控代码并输出保存。在生成数控程序后，还需要检查这个程序文件的正 确性，如有必要可以修改。数控程序文件可以通过传输软件传输到数控机床的 控制器上，再由控制器按程序语句驱动机床加工。 4 2 五轴数控加工工艺规划【3 2 - 3 3 】 4 2 1 五轴数控加工刀轴控制方法和驱动方式 在普通三轴加工中，刀轴是保持垂直的，在五轴加工中则采用了一些特殊 的刀轴控制方式和驱动方式，使得加工的灵活性更大。通过控制刀具轴、投射 方向和驱动方法，五轴加工可以生成复杂零件的加工刀轨。 刀轨创建需要两个步骤，第1 步从驱动几何体上产生驱动点，第2 步将驱 动点沿投射方向投到零件几何体上。 可变轴曲面轮廓铣提供了许多方式以确保刀具轨迹的准确性，包括： 1 ) 用于停止刀具运动的检查几何体； 2 ) 防止零件过切的过切检查； 3 ) 各种误差控制选项。 1 、可变轴曲面轮廓铣的驱动方法 1 ) 曲线点驱动方法：通过选择曲线和点定义驱动几何体。 2 ) 边界驱动方法：使用多个边界和环来定义加工区域。 3 ) 螺旋驱动方法：通过从个指定的中心点向外作螺旋移动来得到驱动点 的方法。它是一种连续切削运动，在高速加工中应用很多。 4 ) 曲面区域驱动方法：在选择的驱动曲面上去创建呈阵列分布的驱动点。 2 9 它适用于加工比较复杂的曲面，且比边界驱动方法计算更加准确，特别适用于 曲面精加工。它可以对刀具轴和投射矢量的提供附加控制的功能，并且可以使 用零件几何体作为直接驱动几何体。 5 ) 刀轨驱动方法：沿着刀位轨迹的源文件产生驱动点，用于生成类似原刀 位轨迹的可变轴曲面轮廓铣刀轨。 6 ) 径向切削驱动方法：在用户指定的边界生成一条垂直于它的驱动刀轨。 在清根加工的环节非常有用。 7 ) 区域铣削驱动方式：用户通过定义一块切削加工的区域来驱动刀具轨迹。 2 、刀轴控制 五轴加工中可以定义刀具轴，对刀具轴进行几何体分类，以此来控制刀具 轴的位置及方向。主要有下面几种方法： 1 ) 点和线刀具轴：用聚焦一条线或者一个点的方法定义的刀具轴。 2 ) 法向刀具轴：使刀具轴在走刀过程中与工件接触的每个接触点上总是保 持垂直于零件几何体、驱动几何体或者四轴加工中的旋转轴。 3 ) 相对刀具轴：保持刀具轴总是垂直于零件几何体、驱动几何体或者旋转 轴，并给刀具轴引入引导角( l e a da n g l e ) 和倾角( t i l ta n g l e ) 两个概念。 4 ) 直纹面驱动刀具轴：使刀具轴平行于用户指定的驱动几何体。在这种情 况下，刀具侧刃被驱动几何体引导，刀具底部被零件几何体引导。但是，这种 刀轴控制方法只适合驱动几何体是直纹面的情况。 5 ) 刀具轴插补：用户在需要控制刀轴的位置依靠指定点和矢量来控制刀轴 的位置。它的优点是在驱动几何体和零件几何体非常复杂的情况下可以控制刀 具轴的强烈变化。 6 ) 旋转角：当用户使用旋转工作台时，旋转角使零件绕旋转轴旋转，4 轴 定位引起刀具在垂直于定义的旋转轴的平面内移动。4 轴加工时旋转角总是往 其法向的同一侧倾斜，它与刀具运动方向无关。 7 ) 引导角：引导角用来规定刀具沿刀轨方向向前或向后的角度。当刀具沿 刀具轨迹方向向前偏摆时为正值，当刀具沿刀具轨迹方向向后偏摆时为负值。 8 ) 倾角：倾角用来定义刀具轴的倾角角度，通常是沿刀具运动的前方看， 来判定刀轴的倾斜角度值。一般规定，刀轴向右倾斜时是正值，反之为负值。 3 、投影矢量 用户定义驱动点投影到零件表面的方法称为投影矢量。刀具沿着投影矢量 方向由驱动体逐渐逼近零件表面，进而创建接触点。在不同的驱动模式下有着 不同的方法来构造投影矢量，一般情况下，建立投影矢量一般有如下方法：刀 轴、离开点、指向点、指向直线、离开直线、指定矢量、垂直于驱动体、s w a r f 驱动、指向驱动体等。 3 0 4 22 等参数线法走刀步长和行距的计算方法口4 j 在多轴加工中，参数线法是一种生成刀轨的重要方法，也是在加工叶轮叶 片时非常常用的一种方法，由于叶片曲面的网格比较规范，所以比较适台用参 数线法加工。典特点是切削行沿曲面的参数线分布，即切削行沿u 线或v 线分 稚，u 代表水平，v 代表竖直，叶轮加工时刀具沿着u v 线的方向。曲面参数线 加工的刀具轨迹计算方法的基本思想是利用样条曲线曲面的细分特性，将加工 表面沿参数线方向进行细分，生成的点位即为刀具与曲面在加工时的切触点。 l 、走刀步长的确定 走刀步长可以理解为同一条刀位轨迹上相邻两个刀位点之间的距离。由于 数控机床插补能力的限制，导致曲面加工中的刀轨并不是刀具与曲面的啮合关 系所确定的复杂曲线，而是用很多微小的直线段来逼近，再由c n c 机床作线性 运动来近似成型，所以会产生一些加工上的误差。因此，在刀轨生成的过程中 必须控制步长的数值大小，以保证插补的精确度。显然，走刀步长的值过大将 会使曲面变成折线，降低轮廓精度、导致工件表面质量的下降，也会使后续处 理工作量加大，降低效率。而过小的步长又会导致零件的加工程序变得非常繁 琐，不仅增加使用上的不便也会降低工件的质量与整体效率。由此可以看出r 合理确定步长的大小也是计算刀轨过程中的关键问题。 数控加工中误差的产生主要来源于直线插补的误差，因此可用直线逼近误 差作为走刀步长的计算依据。根据刀具和加工表面的局部几何关系，可得直线 逼近误差8 t ，如图42 所示。 6 ，l s k ，( s ) 2 式中：s 一加工表面在插补段内的弧长； k ，一加工表面在插扑段内沿进给方向的法曲率。 对任一给定的直线逼近误差极限e ，当i6 e 时，用弦长l 代替弧长s ， 可得走刀步长为： 掐 。一： r ( t 。) rl t - ， ，! f 6 r ( “) r ( t ，) r ( b ) 图42 走刀步k 的等参数法 3 l 2 、走刀行距的确定 走刀行距指的是相邻两条相邻刀具轨迹线上对应刀位点之间的距离，行距 的大小也是影响曲面加工精度和加工敬率的关键因素。过大韵行距会加大残留 高度，过小的行距会在很大程度上增加加工的时间与后置程序的大小。所以， 为了既满足工件加工精度和表面质量的要求，又要有比较高的生产率，需要确 定合理的切削行距。对于满足残留高度要求的行距计算，不同的刀具，有者不 同的计算方法和优化措施。 图43 中l 为行距ih 为残留高度；r 。为刀具的有效切削半径，r 口为曲面 沿行距方向的法曲率半径。实际加工时，般h “r 。对于给定的残留高度h ， 行距l 的计算公式为： z = j 百百8 k j rr i 6 两 4 3 式中：对于凸曲面，s l n ( 0 n ) = 1 ；对于凹曲面，s i n ( 0 n ) 一i ；对于平面， r ；一，l ：8 脓r 。为切触点处曲率，圆心指向该点处的矢量；n 为曲面在切 触点处的法矢量。 r r r r 辱n1 矿“ ( b ) 凸曲面( c ) 凹曲面 图4 - 3 行距的计算 4 3 整体叶轮数控加工工艺流程规划： 在航空航天领域，整体叶轮是很重要的动力部件，如各式发动机中的叶轮， 由于其型面复杂，它的加工技术直是制造业中的热点及难点问题。由于整体 叶轮的几何结构和加工工艺非常复杂，所以，加工时轨迹约束条件比较多，再 加上相邻的叶片之间间隙往往很小，加工时极易产生干涉与碰撞，加工的安全 性难以保证，依靠系统自动生成无干涉的安全加工轨迹相对困难。所以在加工 叶轮时不但要保证叶片表面的刀具轨迹能够满足几何准确性的要求，而且由于 叶片的厚度的限制，所以还要在实际加工中注意轨迹规划以保证叶轮加工的质 量。目前，我国太多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型通用c a d c a m 软件，如 u g 、y a s t e r c a m 等，而一些高端的多轴专用的软件如p o w e r m i l l 、h y p e r m i l l 贝i j 使 用较少。 爿 擘 嗣 431 整体叶轮数控加工工艺流程授划 依据叶轮的几何结构和加工要求( 如图4 4 ) ，其加工工艺流程通常情况下可以 分为以下5 步：1 ) 在锻压铝材上车削加工回转体的基本形状：2 ) 流道开糖部分；3 流道半精加工部分；4 ) 叶片精加工部分：5 ) 对倒圆部分进行清根。 图4 4 叶轮的基本几何特征 1 、刀具的选择在进行流道开粗和流道半精加工过程中表面质量要求相对较 低，以提高加工效率为主，此时可以尽可能选用大直径球头刀，但是也要注意使刀具 直径小于两叶片问最小的距离。 在叶片精加工过程中，叶片表面质量要求很高，在保证不过切的前提下尽可能选 择大直径球头刀，即保证刀具半径大于流道和叶片相接部分的最大倒圆半径。 在对流道和叶片的连接部分进行清根处理时，选择的刀具半径应小于流道和叶片 相接部分的最小倒圆半径，这样才能加工到之前难加工到的连接部分。 2 、驱动方法选择 下面将基于u gn x 重点介绍流道开粗、流道半精加工、叶片精加工和倒圆部分清 根的加工轨迹规划方法。 ( 1 ) 流道开粗加工 根据整体叶轮流遵部分的几何特征，流道开粗可采用分层渐进( m u l t i d e p t h ) 的方式，分层渐进是将流道的总加工余量分成若干层加工。具体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分配。采用分层渐进方法进行流道 开粗时，选择流道的各个分层面为驱动几何面( d r i v eg e o m e t r y ) ，叶片面和轮毂面 为干涉检查面( c h e c k ) ，可采用的驱动方法为插补方式( i n t e r d o l a t e ) 或相对于驱 动面方式( r e l a t i v et od r i v e ) 。此外，也可采用型腔铣对流道进行开粗。 ( 2 ) 流道半精加工 根据流道面的几何特征，选择流道面为驱动面，叶片面和轮毂面为干涉检查面( 如 图4 - j ) ，可采用的驱动方法为插补方式( i n t e r p o l a t e ) 或相对于驱动面方式( r e l a t i v e t od r i v e ) ，并且在规划加工轨迹时轨迹应根据流道的几何特征和使用要求合理设定 倾斜角度。 3 ) 叶片精加工 根据叶片表面的几何特征，选择一个叶片面为驱动面，流道面、其他相邻叶片面 纱 鲈 44 叶轮加工 44l 叶轮加工环境 1 硬件环境 加工运用m i k r o nu c p8 0 0 机床，数控系统为h e i d e a h a i ni t n c53 0 ，如图 4 7 所示，机床各结构参数如表4 1 所示，此机床系统功能强大，运算速度极快， 程序的预读功能强且可轻松得实现路径优化，提前计算轮廓控制加加速( j e r k ) 算法且完全支持高速加工。h e i d e n h a i ni t n c5 3 0 最新一代的数控系统，有 着世界上最佳的5 轴控制能力、基于车间级编程能力的计算机、双c p u 处理器、 程序块处理时间o8 m s 、p l c 循环时间1 25 秒、并行编程模式、标准以太网卡。 图4 7 瑞士米克朗u c p 8 0 0 五轴加工中心 2 软件环境 目前具有叶轮加工模块的多轴加tc m 软件主要有英国d e l c a m 公司的 p o w e r m i l l 软件、德国o p e n m i n d 公司的h y p e r m i l l 软件、阻色列的c i m a t r o n 软件 等，国内也有北航海尔公司的c a ) ( a 制造工程师软件的多轴模块，另外有些通用软 件通过五轴加工设置也可以实现叶轮加工空日u g 、c a t i a 、m a s t e r c a m