航空发动机机匣高效加工方法研究[务实运用]

1、摘 要航空发动机是飞机的核心部件，而机匣则是航空发动机上关键部件之一，其结构极为复杂、制造难度大。机匣从毛坯到成品的加工过程中，大约有70%的材料被切除，其中绝大部分是在机匣的粗加工阶段完成。因此，高效粗加工是实现缩短机匣研制周期的关键。针对机匣结构特点，本文提出采用插铣代替传统侧铣进行高效粗加工，并从机匣零件建模、机匣数控加工工艺、机匣插铣粗加工刀位生成等方面开展了研究。本文完成的主要工作和取得的成果如下：1） 对机匣的结构进行了分析，并根据机匣的结构特征利用UG软件实现了机匣的实体建模。2） 研究了机匣高效粗加工工艺。针对侧铣与插铣两种加工方式，从切削厚度和刀具挠度两方面进行理论对比分析，

2、并对切削力进行仿真对比分析。结果表明，在相同切除率条件下，插铣径向切削力仅为侧铣的0.6倍，切削过程稳定。3） 根据机匣插铣加工工艺与机匣结构特点，规划了其插铣刀位轨迹，并在UG环境下生成了相应的插铣加工刀位轨迹。此外，以UG为二次开发平台，实现了对插铣线的优化，可有效防止插铣加工过切。关键词： 机匣，高效加工，插铣，刀位轨迹，UG二次开发ABSTRACTAero-engine is the core component of the aircraft, and the casing which is a key part of the engine is difficult to manuf

3、acture because its extremely complicate structure. About 70% of the material is removed from blank to finished product, while the most material is removed in rough milling of casing. Therefore, high efficiency roughing of the casing is a key technology to realizing higher efficiency manufacturing an

4、d shorter developing cycle. Based on characteristics of casing, plunge milling was proposed to instead of traditional layered flank milling in this paper. And the part modeling, the CNC machining process modeling, the cut-location generation of the plunge milling in rough machining were studied.The

5、main work and achievements of this thesis are as follows:1) The casing structure is analyzed, and on this basis, the entity model of casing is established using UG.2) The efficient rough machining of casing is studied for process planning. Between the side milling and plunge milling methods, cutting

6、 thickness and tools deflection were contrasted in theory and the cutting force were contrasted in simulation. The results show that, under the same resection rate, the radial cutting force of the plunge is only 0.6 times than the side milling, and the process is stable.3) According to the Plunge mi

7、lling process and the structure characteristics of casing, the plunge milling cutter path was planned, which is then generated in UG. Additionally, aiming at overcut in plunge milling process, the optimization of the plunge milling line has been implemented using UG secondary development. Key words:

8、 Casing, Efficient processing, Plunge milling, tool path, UG Secondary development目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景11.2国内外研究现状21.2.1 复杂结构类零件粗加工技术21.2.2 插铣工艺技术31.3 论文主要内容及章节安排5第二章 机匣造型72.1基于特征的建模方法72.2建模平台选择82.3机匣造型92.3.1 机匣模型分析92.3.2 机匣实体建模10第三章 机匣数控加工工艺153.1工艺规程编制原则153.2机匣零件的工艺特征153.3机匣加工工艺阶段的划分163.4

9、机匣加工工艺路线制定163.5机匣粗加工工艺方案分析18第四章 机匣插铣粗加工刀具轨迹254.1 UG数控加工254.2刀具轨迹规划原则254.3刀具轨迹生成274.3.1 加工环境设定274.3.2 刀具轨迹生成274.3.3 程序后置处理334.4基于UG的插铣线优化35总 结38致 谢39参考文献40各类材料第一章 绪论1.1研究背景航空发动机是飞机的“心脏”，其内部温度高，转速高，压力大，使用寿命长，构件的机械负荷和热负荷大，工作条件十分苛刻和复杂，其研究和发展工作的技术难度大，耗资多，周期长，是一个世界公认的、复杂的多学科综合性系统工程1。机匣是航空发动机上最关键、最重要的部件之一，

10、它是支撑转子和固定定子的重要部件。发动机的推力也是通过机匣传到飞机上的，因此机匣是重要的承力部件，所以对机匣的强度要求比较高。在工作状态下，机匣承受发动机的气体负荷和质量惯性力，这些负荷以轴向力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式同时作用在机匣上2。机匣还承受由温度、温差引起的热负荷，以及热负荷对材料强度带来的变化所引起的应力。在飞机的每次起飞降落过程中，机匣承受由发动机的启动工作状态停车和飞机机动飞行引起的循环压力、扭转载荷以及震动载荷。受发动机工作循环和飞机起飞、降落的影响，机匣受到的载荷是循环变化的。作为高空环境运行部件，就必须要满足静强度要求和疲劳强度要求，必须具有足够的稳定性；对工作在

11、高温下的机匣，要求其在整个寿命期内有足够的抗蠕变能力；在转子叶片断裂时，保证飞机和乘员的安全，还要求机匣具有过负荷包容能力。因此机匣的结构设计除了要满足支撑功能外，还要求设计方案保证强度、稳定性要求。整体机匣加工技术是一个系统工程技术，该技术涉及NC编程技术、数控技术、刀具技术、材料技术、信息技术、管理技术等，整个机匣加工水平和效率的提高需要以上各技术应用的综合提高。机匣是典型的高强度要求薄壁件(最薄处只有几毫米，而外径可达一到两米) ，其结构复杂、材料难加工、加工余量大、易产生变形。作为航空发动机的核心部件，机匣的制造质量对发动机的整体性能影响很大3。而现有机匣加工工艺稳定性、成熟性和可靠性

12、不高，生成周期长、成本高，许多应用于制造工艺的新机理、新方法、新结构、新技术尚未采用。因此，为了适应数字化生产条件下的机匣加工需求，现有的机匣加工技术必须通过技术革新予以变革。航空发动机机匣材料一般多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料，从毛坯到成品的加工过程中，大约有70%的材料被切除，其中绝大部分是在粗加工阶段完成。因此，机匣的高效粗加工是实现机匣高效加工、缩短制造周期的关键4。1.2国内外研究现状1.2.1 复杂结构类零件粗加工技术开式整体叶盘通道属于特殊类曲面型腔结构，其粗加工可采用侧铣法与插铣法。Chiou5提出了一种加工腔槽的五坐标刀具轨迹生成方法FWC方法，利用腔槽的底面、侧

13、面和顶面，通过平移、缩放、旋转等操作生成了光滑连续无干涉的侧铣刀具轨迹，并成功应用于叶轮通道的粗加工。Young 和Chuang6,7对直纹面叶轮的侧铣粗加工方法进行了研究，提出了刀轴计算方式及刀位轨迹生成方法，其刀轴计算沿用了精加工中的侧铣刀轴方向。Bala8提出了可视锥、可达锥的概念，进行复杂腔槽加工可见性与可达性分析，并据此生成无干涉的五坐标粗加工轨迹。在规划刀具轨迹时，合理选取刀具尺寸也可以有效的缩短粗加工的时间9。西安交通大学赖天琴等10,11利用圆柱棒铣刀和圆锥棒铣刀对直纹面的侧铣加工进行了研究，提出了用最小偏置角原理求取刀轴矢量的方法，使加工误差趋于最小。西北工业大学的单晨伟等1

14、2,13为提高开式整体叶盘的粗加工稳定性，在粗加工阶段，提出采用将自由曲面蜕变为直纹面的方式简化开式整体叶盘通道开槽加工的难度，实现稳定切削。提出了一种新的刀轴矢量计算方法，并基于直纹面给出了开式整体叶片通道四坐标侧铣粗加工数控编程方法，规划出了无干涉的刀位轨迹。任军学14等提出了一种开式整体叶盘通道区域五坐标粗加工刀具轨迹规划方法，该方法通过生成整体叶盘薄壁叶片的直纹包络面,以确定叶盘通道粗加工区域的边界轮廓，并基于直纹面五轴侧铣加工刀具轨迹双点偏置生成方式，利用投影法规划开式整体叶盘通道区域粗铣加工的刀心点轨迹与刀轴矢量方向。南京航空航天大学的胡俊志15提出在型腔的转角粗加工中采用插铣方法

15、，并根据型腔转角面的几何特性，提出了无干涉插铣刀轴方向的算法，结合加工刀具参数信息实现了插铣加工区域计算。北京航空航天大学的郭连水16提出在涡轮叶盘数控加工粗加工阶段，采用插铣方法代替传统的点铣加工，分层加工，减小加工变形。魏建中17提出将插铣应用于飞机整体框零件拐角加工中，针对拐角插铣加工路径规划问题，从工程实际中提取优化模型，采用蚁群优化算法，对插铣路径进行优化，通过优化前后的对比，验证了所建模型和优化算法的准确性和实用性。冯明18提出了一种面向转角特征的插铣刀轨生成算法，根据转角特征类型的不同，分为Z向插铣和5轴插铣两种加工方式，实现了型腔转角残留区域高效、无过切的加工，并基于CATIA

16、平台开发了面向转角特征的插铣模块。西北工业大学的王增强19等提出在开式整体叶盘的粗加工阶段，采用插铣加工代替传统的五轴数控加工点和侧铣，实现高效加工。胡创国20,21提出了一种开式整体叶盘通道的五坐标插铣粗加工方法，利用直纹面逼近叶型曲面，进而确定通道粗加工区域的边界轮廓，通过连接刀心轨迹线和刀轴驱动线上的对应点，规划插铣粗加工叶盘通道时的刀具轨迹。任军学等22根据开式整体叶盘通道的结构特点，提出了四坐标插铣开槽高效低成本粗加工方法，通过叶盘叶片偏置面的直纹包络面逼近，确定叶盘通道粗加工区域，给出了四坐标插铣刀位轨迹生成算法。该方法有效解决了直纹面逼近的曲面边界问题，并通过对叶片偏置面的直纹逼

17、近从根本上避免了刀位轨迹计算时误差的产生。1.2.2 插铣工艺技术插铣法（plunge milling）又称为z轴铣削法，是近年来提出的一种针对较深腔槽的高效率加工方法，以实现对毛坯的高效粗加工。所谓插铣法就是在加工过程中刀具沿主轴方向做进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削，是一种能够在Z方向上快速铣削大量金属的加工方式，主要用于半精加工或粗加工。在重复插铣达到预定深度时，刀具不断地缩回和复位以便于下一次插铣时可迅速地从垂叠走刀处去除大量金属，如图1-1所示。图1-1 插铣示意图插铣加工的加工方式比较特殊，与其他加工方式相比，它具有以下一些优点23：1. 加工效率高，能够快速切除大量金

18、属相对于普通铣削加工而言可以节省一半以上的时间。2. 刀具的悬伸长度比较大，特别适用于一些模具型腔的粗加工。3. 可以对钛合金等难加工材料进行曲面加工或切槽加工。4. 加工时主要的受力方向为轴向，而径向力较小，因此对机床的功率或主轴精度要求不高并且具有更高的加工稳定性可以利用老式机床或功率不足的机床获得较高的加工效率。5. 可以减小工件变形。6. 可用于各种加工环境，可用于单件小批量的一次性原型零件加工。也适合大批量零件制造。由于插铣具有效率高、能够快速切除大量金属的优点，并且非常适合于加工难加工材料(如钛合金)和一些复杂曲面的零件。因此在许多领域，尤其是在航空航天领域正在逐步扩大应用。目前国

19、内外各大高校、科研机构以及一些公司开发部门对插铣相关技术的关注不断加深，使得对插铣的研究不断深入。从而对其切削机理更加了解，适用于插铣的CADCAM软件和插铣专用刀具也会不断完善和发展。Altintas24等人研究了插铣加工的颤振稳定性，介绍了插铣加工的频域模型和颤振稳定性的预测理论，将再生切屑厚度作为横向、轴向和扭转振动的函数，建立了再生切屑厚度模型，将插铣的稳定性问题表示为一个四阶特征值问题，通过特征值求解预测加工稳定域，并通过实验得以验证。Hoon Ko25等人研究了插铣加工的时域模型，介绍了插铣加工过程中的力学和瞬态建模，结合刀具的刚性运动和机床的振动来估算沿切削刃方向随时间变化的瞬态

20、切屑载荷分布，通过进给、横向切入、刀具几何形状、主轴转速以及由振动引起的再生切屑载荷预测横向和轴向的切削力，并对比分析仿真和实验所得切削力和振动数据验证建立的数学模型。Wakaoka26等人研究了陡峭壁的高速高效插铣加工，从刀具挠度方面对比采用端铣与插铣对加工表面粗糙度和精度的影响，结果表明在陡峭壁的加工中，采用高速插铣将比采用逆铣方式的侧铣获得更高的精度。Li Y27等介绍了一种在特定工件材料、刀具几何参数、工件几何参数以及其它切削条件下的多齿插铣切削力解析模型，通过建立每齿微元切削力与瞬时切屑面积的关系，对其进行数值积分估算切削力，并通过实验验证了该模型的准确性。孙建军等28建立了一种基于

21、PC104总线和LabVIEW的插铣刀具磨损在线监测与故障诊断系统，该系统能够获取和分析加速度传感器的振动信号，建立插铣刀具磨损和振动关系，为插铣刀具磨损研究提供了重要依据。天津大学的齐文国29等人建立了基于多元线性回归法的铝合金插铣铣削力模型，通过对铝合金插铣铣削力的实验测量，并利用统计分析软件SPSS进行回归分析和检验，对插铣过程中铣削力随切削参数的变化而变化的规律进行了研究。齐文国30还研究了插铣过程中的刀具性能，选择四种不同厂家牌号适合用于插铣加工的刀具对钛合金试件进行了插铣加工试验，分析了钛合金插铣过程中铣削力、切削温度、切削振动随切削参数的变化而变化的规律，并对铣削力建立了数学模型

22、。通过对四种刀具的实验结果进行分析和比较，并综合专家意见，应用模糊集理论中的模糊多目标决策系统，得到了四种插铣刀具性能的模糊综合评判，为插铣刀具、插铣切削用量的选择提供了依据。秦旭达31等人针对钛合金(Ti-6Al-4V)的切削特点，研究了具有高速、高效特点的Ti-6Al-4V的插铣过程，分析了切削力的特点，建立了钛合金(Ti-6Al-4V)插铣铣削力模型，并对铣削力的变化规律进行了研究。秦旭达32还通过热电偶法对铝合金工件插铣过程中已加工表面温度进行在线动态测量,并利用最小二乘法对试验数据进行回归分析,建立了已加工表面温度的经验模型,得出了切削参数对切削温度的影响规律,为优化切削参数、研究刀

23、片磨损机理提供了参考数据。西北工业大学的任军学等33进行了钛合金整体结构件高效插铣工艺实验研究，在同一切除率实验条件下,采用几何参数完全相同的两把整体硬质合金刀具,分别针对插铣和侧铣工艺方案的切削力、切削稳定性以及切削温度等进行实验对比,证明了整体结构件插铣开槽的优越性。机匣属于复杂薄壁结构件，内、外形具有复杂的曲面形状。其主体周向分布着柱状凸台、腔槽等特征，制造难度大。传统的腔槽结构加工方法一般采用在四、五坐标加工中心上采用细长刀具分层侧铣的加工方法。侧铣加工时，刀具主要受径向力作用，在径向力的作用下刀具变形，刀具将产生变形、颤振，刀具磨损加剧，刀具折断等现象，使得加工效率显著下降，严重影响

24、机匣的加工和质量稳定性。根据以上机匣的加工特征，对比插铣与侧铣的加工优势，选择更为高效的插铣方法，完成机匣高效粗加工。1.3 论文主要内容及章节安排本文以燃烧室机匣为研究对象，采用UG实现机匣建模，深入分析其加工特征。通过理论和仿真实验对比侧铣与插铣的切削力、切削厚度得出插铣在粗加工中具有高效、低颤振的优点。采用插铣加工以代替传统的侧铣分层加工，以UG为平台生成机匣的插铣加工程序和刀具轨迹，从而实现燃烧室机匣的高效粗加工。论文全文共分为四章，各章节内容安排如下：第一章 绪论介绍本文的研究背景和意义以及粗加工工艺技术的国内外发展现状，并给出本文的主要内容及各章节安排。第二章 机匣造型对机匣的结构

25、进行了分析，并根据机匣的结构特征，采用基于特征的建模方法，以UGNX4.0为建模平台，通过绘制草图、拉伸轮廓等操作实现机匣的实体建模。第三章 机匣数控加工工艺分析机匣零件的工艺特征，并制定工艺路线和工艺阶段的划分，通过理论分析和仿真实验对比来说明插铣在机匣的粗加工中具有高效和径向切削力小的优点，确定插铣为本文机匣的粗加工方式。 第四章 机匣插铣粗加工刀具轨迹规划提出了刀具轨迹规划的原则，在UG的加工环境中实现机匣插铣粗加工刀具轨迹的生成，并通过以UG为平台的二次开发解决了插铣中刀具过切的问题。第二章 机匣造型对机匣的结构进行了分析，并根据机匣的结构特征，采用基于特征的建模方法，以UGNX4.0

26、为建模平台，通过绘制草图、拉伸轮廓等操作实现机匣的实体建模。2.1基于特征的建模方法1特征模型信息描述特征是指描述产品信息的集合，也是设计或制造零部件的基本几何体。它是以结构的实体几何（CSG：Constructive Solid Geometry）和边界表示（B-Rep：Boundary Representation）为基础的，源于产品的模块化设计思想。特征是参数化的几何体，通过改变特征的尺寸，可以用有限的特征构造出无限的零、部件模型，具有一定的工程意义。从产品建模和工艺信息数字化的角度考虑，特征分类如图2-1所示。图2-1 特征分类零件模型的生成不是依赖于体素拼合，而是突出了各种面的作用，

27、如基准面、工作面和连接面等，需要处理和记录不同特征间的继承、邻接、从属和引用联系。根据特征间的联系，将特征类的实例定义为对象，可以得到图2-2所示的特征联系图。图2-2 特征联系特征包括三方面的属性：参数属性，描述特征形状构成及其它非几何信息的定义属性；约束属性，描述特征成员本身的约束及特征成员之间的约束关系属性；关联属性，描述本特征与其它特征之间、形状特征与低层几何元素或其它非几何信息描述之间的相互约束或相互引用关系的属性。根据特征和特征联系的定义，建立基于特征零件信息模型的分层结构，分为零件层、特征层和几何层三层。将零件的几何信息按层次展开，以便于根据不同的需要提取信息。零件层主要反映零件

28、总体信息，主要包括零件子模型的索引指针或地址；特征层包含特征各子模型的组合及其各个模型间的相互关系，并形成特征图或树结构，特征层是零件信息模型的核心，各特征子模型间的联系反映出特征间的语义关系，使特征成为构造零件的基本单元，具有高层次工程含义。B-Rep结构表达的几何/拓扑信息是整个模型的基础，也是零件图绘制、有限元分析、工艺信息的数字化表达、装配分析等应用系统关注的对象。2.2建模平台选择本文选择UGNX4.0中文版作为几何造型、工程分析、数控编程平台。选择UG作为建模平台，基于以下原因：Unigraphics（简称UG）是美国EDS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的具有强大的设计和

29、加工功能的高端CAD/CAM软件系统。UG实体建模将基于约束的特征建模和传统的几何建模方法融为一体，形成无缝衔接的“复合式建模工具”，用户可以在基于特征的环境下发挥传统的实体、曲面和线框造型功能的长处。UG的CAM模块具有强大的加工功能，可以生成用于五轴加工的数控程序，满足各种复杂曲面的加工要求，其生成数控加工代码的能力更强，可以方便的生成钻削、3轴/多轴铣、线切割、车削等数控代码。另外，UG提供的二次开发语言Open GRIP、Open API、Open+等功能强大、简单易学，且支持C+和Java语言的面向对象的程序设计方法。这一切使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高级CAD/CAM/CAE

30、系统，也成为此次论文研究几何平台的选择对象。2.3机匣造型 图2-3 机匣整体造型 图2-4 机匣主视图 图2-5 机匣俯视图 图2-6 机匣周向凸台2.3.1 机匣模型分析如图2-3、图2-4、图2-5所示为一个燃烧室机匣。机匣高度214mm,大端外径752mm，内径600mm，小端外径683.7mm，内径628mm。机匣主体是一个回转体，在周向不同高度、不同角度上分布四种类型的大小凸台共15个，另外有两条完整的肋，总体结构比较复杂。根据零件的结构特征，可以分为以下几步来进行机匣建模：1、 通过旋转截面线的方法得到机匣主体的模型；2、 利用坐标转换等通过曲线在机匣周向上旋转、拉伸出凸台，并与

31、机匣主体进行适当的布尔运算；3、 对机匣零件相应边进行倒角和倒圆。2.3.2 机匣实体建模机匣主体机匣的主体是一个回转体，因此可以通过旋转截面线的方法得到其模型。这里有两种做图的方法：1、 在modeling模式下直接进行绘图；2、 在sketch模式下进行绘图；以上两种方法都可以实现零件的图形绘制。在实际使用中可以体会到：modeling模式直观方便，可以较快地完成较为简单的图形绘制；而草图模式，由于具有良好的绘图界面和模块，可以使用约束对图形进行快速修改，在绘图（特别是一些较为复杂的图形）时，则显得更为实用。因此，在模型建立中的绘图，都采用了草图绘制。首先，确定建模基准。选取机匣轴向由大端

32、指向小端的方向为Y轴正方向，径向方向分别为X轴和Z轴。确定第一层为当前工作层。在草图模式下，可以通过工具栏中【直线】、【圆弧】、【圆】等来绘制基本线条；通过【派生直线】、【偏置曲线】来进行线条的偏置；通过【快速修剪】、【快速延伸】、【圆角】来进行线条的修剪、延伸和倒圆角；通过【镜像】来进行对象的对称复制；通过【工具条：捕捉点】来进行点的自动获取和捕捉。在绘图中可以使用 菜单栏【编辑】中的【变换】来对图素进行多种方式的移动和复制。在草图绘制中大量使用约束来方便快捷地进行自动捕捉、曲线定位和图素大小更改,具体绘图方法这里不做介绍。最后，按照图纸要求绘制出机匣主体截面线如图2-7：图2-7 机匣主体

33、截面线接下来就可以通过【回转】旋转来得到机匣的主体。这里需要注意两个问题：1、 机匣的截面线一定要正确。截面线不能为非封闭曲线，这样旋转出来的实体其实是片体，无法和后续的凸台进行布尔运算；截面线不允许在旋转时会产生自相交曲线，否则截面线无法旋转得到实体。2、 在UGNX4.0中，回转截面时需要选择一点以定位旋转矢量，可以事先做一条从原点出发且平行于Y轴的线段，取点时捕捉该线段上任意一点即可。最后得到机匣主体如图2-8所示。图2-8 机匣主体方形凸台在机匣的周向轮廓上分布有2个方形凸台，凸台间相隔90度，它们的特征相同，Y轴坐标也相同，因此建立好一个后可利用变换绕Y轴旋转90度得到另一凸台。为了

34、显示清楚和建模方便，可以将其他图层或者当前图层视图中暂时不相关的对象隐藏起来。首先，建立凸台相应的坐标系。可以单击【动态WCS】将动态坐标显示出来，再将坐标移动和旋转的数值输入（如将坐标系沿Z向移动165mm，绕Z向旋转30），完成坐标的转换。然后在新的坐标系中绘制凸台的草图，如图2-9中所示的蓝线部分即为方形凸台的草图。图2-9 凸台草图点击【拉伸】将草图曲线沿新坐标的Z向正向拉伸即可生成凸台实体。这里可以采用两种方法：1. 将凸台沿机匣径向向内拉伸通过机匣主体部分，如图2-10所示，再用【修剪体】将多余部分裁掉；2. 以机匣外表面作为拉伸的终止面，直接拉伸到外表面。图2-10 拉伸轮廓做出

35、凸台实体后，可通过“变换”中的“绕直线旋转”旋转复制90度完成另一个方形凸台（应在与进行布尔运算之前）。盾形凸台在机匣的周向360度均匀分布了10个相同的盾形凸台，做法与方形凸台做法类似，将坐标转换后，按照图纸规定的位置要求，在草图上绘制出需要拉伸的轮廓，并拉伸到机匣壳体外表面上以完成盾形凸台，如图2-11所示。最后绕Y轴旋转36度依次复制得到其余10个凸台。图2-11 盾形凸台圆柱凸台在机匣的周向分布了三个圆柱凸台，一个大凸台，两个小凸台，小圆柱凸台大小一样。做法与方形凸台做法类似，将坐标转换后，按照图纸规定的位置要求，在草图上绘制出需要拉伸的圆，并拉伸到机匣壳体外表面上以完成圆柱凸台，如图

36、2-12所示。小凸台通过绕直线旋转做出另外一个。图2-12 圆柱凸台梅花凸台在机匣的周向分布了两个大小不等但相似的梅花形凸台。做法与方形凸台做法类似，将坐标转换后，按照图纸规定的位置要求，在草图上绘制出需要拉伸的外形，并拉伸到机匣壳体外表面上以形成凸台，如图2-13所示。图2-13 梅花形凸台倒圆、倒角在将所有对象运用【求和】合并成一个整体后，可以利用【边倒圆】、【面倒圆】等指令做出倒圆面完成最后的模型，如图2-14所示。(a) 方形凸台圆角 (b)盾形凸台圆角 (c)梅花形凸台圆角 图2-14 凸台圆角至此，燃烧室机匣的建模过程完成，接下来将进行工艺分析和加工编程的工作。第三章 机匣数控加工

37、工艺本章分析了机匣零件的工艺特征，并根据工艺规程编制原理制定了工艺路线和工艺阶段的划分，通过理论分析和仿真实验对比来说明插铣在机匣的粗加工中具有高效和径向切削力小的优点，确定插铣为本文机匣的高效粗加工方式。3.1工艺规程编制原则在生产过程中，把工艺过程按一定的格式用文件的形式固定下来，便称为工艺规程编制。工艺规程的编制应依据零件图和有关说明，毛坯图和型材规格资料，生产条件和生产纲领进行。在进行零件图分析和工艺规程编制时应按以下原则进行：1. 区分零件的主次表面，首先保证其主要表面，初步确定应采取的加工方法和加工步骤；2. 注意零件各表面以及各表面间的相互位置，并根据设计尺寸的标注方式，确定各表

38、面的加工方法、顺序及定位基准；3. 重点分析技术条件，根据技术条件要求的内容确定加工方法。这里需要注意以下几点：1. 为了满足高效益、高精度、高表面质量要求，结合特种加工技术，采取合理的加工方法是很重要的。在选择加工方法时，首先要确定主要表面的最后加工方法，再确定为加工主要表面做准备的其他工序的加工方法。2. 零件粗加工切除的余量大，切削热、切削力以及内应力重新分布等因素引起工件的变形较大。3. 选择基准时，可按基准重合、基准统一、互为基准等原则进行，在具体加工中应保证加工精度，尽量保证装夹方便，避免定基误差。3.2机匣零件的工艺特征1. 壁薄、复杂的机匣主体周向分布着多形状特征岛屿、凸台等特

39、征，制造难度大此机匣是一个燃烧室机匣。机匣高度214mm,大端外径752mm，内径600mm，小端外径683.7mm，内径628mm。机匣主体是一个回转体，在周向不同高度、不同角度上分布四种类型的大小凸台共25个，另外有两条完整的肋，总体结构比较复杂。具有复杂特征多、空间关系复杂、加工要求高，特别是位置精度要求极高等特点，机匣的这种复杂多特征结构是由机匣在航空发动机中位置作用所决定的。2. 材料去除率高机匣毛坯为粗车毛坯，毛坯总高216mm,大端外径756mm，内径598mm，小端外径696mm，内径626mm而最终的零件总高214mm, 大端外径752mm，内径600mm，小端外径683.7

40、mm，内径628mm，机匣外壁最薄的地方只有2.5mm，材料去除率很大。特别是在径向的大去除率，使得机匣的加工变得十分困难。3. 零件易变形机匣属于薄壁件，加工余量很大，在加工过程中容易变形，而且由于加工过后不能进行热处理消除残余应力，所以更容易发生扭曲变形，因而其加工工艺过程要求更严格。3.3机匣加工工艺阶段的划分环形机匣壳体结构复杂、壁薄、容易产生加工变形等特点对制造精度的影响特别大，因此加工时应划分阶段进行。通常划分成粗加工阶段、半精加工阶段和精加工阶段。粗加工阶段：主要是去除各表面的大部分余量，对尺寸精度和表面精度要求不高。半精加工阶段：去除热处理产生的变形，完成各次要表面的最后加工，

41、并为精工打下良好基础。精加工阶段：完成全部表面的最终加工，并保证机匣的全部技术要求，特别是对主要表面的要求。这一阶段的加工余量比较小。环形机匣上的主要安装定位表面，一般都需要在组合件中进行加工。这些表面在机匣壳体精加工时不能加工到最终尺寸，应留有一定的余量，加工精度应与组合加工精度相同或略低，但是要给组合加工提供一个良好的定位基准。3.4机匣加工工艺路线制定如上所述加工分为三个阶段，粗加工、半精加工和精加工。此机匣零件毛坯为自由锻件，首先进行的是粗加工，初始毛坯与零件最终尺寸相差较大，利用车削加工具有比铣削加工更好的经济性的优点，在保证后序加工尺寸的前提条件下，再车削加工中去除较多的余量。粗铣

42、外型主要是在给精加工留够余量的前提下，将机匣外型上除了凸台之外的壳体余量去除，这里可以采用盘铣刀、成形刀等进行加工。粗加工要切削大量材料，加工余量很大，切削力也很大，在工件上会产生很大的残余应力。因此，在粗加工之后、半精加工之前要进行热处理来去除粗加工中的残余应力。半精加工时，对加工精度要求比粗加工高，所以使用大端面和小端面互为基准的方法来保证所需的加工精度。机匣接下来可以进行精铣外型了。精铣外型时以大端面做轴向基准，大端外圆所确定的中心线做径向基准，键槽位置做角向基准。利用平底刀，球头刀，盘铣刀等不同刀具对机匣外形进行精加工。精铣外型后，对机匣车内型，作为下一车间内型加工的毛坯。这里之所以将

43、车内型面放在精铣外壁之后，主要是为了使精铣外壁时机匣零件的整体厚度较大，以保证精铣外壁时的变形较小。之后的工序为：打磨、清洗、检验、分解、磁力控伤、清洗、检验、组立、入库。由此确定的机匣加工工艺如图3-1。精铣外壁毛坯锻件精铣凸台外形及端面线切割试块车基准粗 车精车小端粗铣外壁精车大端内型热处理打磨、清洗、检验等半精车大小端及内型面入 库精车小端及内型图3-1 机匣加工工艺3.5机匣粗加工工艺方案分析燃烧室机匣的加工属于半回转体的外表面加工与回转体的内表面加工，本文主要探究机匣外表面的粗加工。由于有各式凸台，外表面加工只能通过铣削完成，通常采用的有侧铣和插铣两种方式。为比较插铣、侧铣两种加工方

44、式在机匣粗加工中的优劣，本小节从理论上分析对比插铣和侧铣两种加工方式的切屑厚度和刀具挠度，通过仿真实验对比插铣和侧铣两种加工方式的刀具径向力。1. 切屑厚度对比分析图3-2为侧铣加工切屑厚度示意图，可以看出，在一个周期切削过程中，侧铣的切屑厚度h动态变化，由到零，其平均切削厚度计算公式为： 图3-2 侧铣切屑厚度其中，为每齿进给量，为径向切深，为侧铣切屑厚度，D为刀具直径，为啮合角，为刀具主偏角。其中啮合角的计算公式为： 图3-3为插铣加工切屑厚度示意图，可以看出，在一个周期切削过程中，插铣切削厚度h保持稳定，其平均切削厚度计算公式为： 图3-3 插铣切屑厚度因此，在相同的每齿进给下，侧铣加工

45、与插铣加工的切屑厚度之比为： 一般而言/D30%，当取/D=25%，则/=0.48，则在相同的每齿进给下，侧铣加工的切屑厚度约为插铣加工的一半。由侧铣的切削厚度动态变化而插铣的切削厚度保持稳定可知，相对于侧铣加工，插铣切削过程稳定，不易产生颤振，且切削效率高。2. 刀具挠度对比分析图3-4为侧铣加工时刀具挠度模型，图中把刀具理解为悬臂梁结构，认为侧铣刀具轴向切深段受均布载荷q的作用。图3-4 侧铣加工刀具挠度分析图在图3-4的侧铣加工刀具挠度模型中，侧铣加工的轴向切深为： 均布载荷q为： 其中为侧铣加工径向切削力。该模型的转角曲线方程为： 其中，E为杨氏模量，I为惯性动量。该模型的挠度曲线方程

46、为： 当x=l时即在刀尖处取得模型的最大转角，最大转角为： 当x=l时即在刀尖处取得模型的最大挠度，最大挠度为： 图3-5为插铣加工时刀具挠度模型，同样图中把刀具理解为悬臂梁结构。图3-5 插铣加工刀具挠度分析图在图3-5的插铣加工刀具挠度模型中，该模型的转角曲线方程为： 其中，为插铣加工的径向切削力。该模型的挠度曲线方程为： 当x=l时即在刀尖处取得模型的最大转角，最大转角为： 当x=l时即在刀尖处取得模型的最大挠度，最大挠度为： 当取侧铣轴向切深为时，此时侧铣挠度模型的最大转角与插铣挠度模型的最大转角之比为： 因为侧铣加工的径向切削力远大于插铣加工的径向切削力，即，则插铣挠度模型的最大转角

47、要小于侧铣挠度模型的最大转角，即。侧铣挠度模型的最大挠度与插铣挠度模型的最大挠度之比为： 由于，则插铣挠度模型的最大挠度要小于侧铣挠度模型的最大挠度，即。由、可知，相对于侧铣加工，插铣加工刀具振动较小。3. 插铣与侧铣铣削径向力对比仿真实验 图3-6 实验试样示意图1) 实验方案：在切削加工的过程中，刀具所受径向力越大，越容易发生颤振，严重影响加工精度和刀具寿命，因此本实验主要仿真对比插铣和侧铣刀具所受的径向力大小。为提高两种加工方式的可比性，用两把参数完全相同的整体硬质合金立铣刀分别进行侧铣（顺铣）和插铣，刀具直径20mm，齿数2，加工材料为TC4(Ti-6Al-4V), 属于(a+b)型钛

48、合金，具有良好的综合力学机械性能，比强度大。侧铣与插铣对比实验的具体切削参数见表3.1，其中为切削速度，为插铣侧向步距或侧铣侧吃刀量，为插铣侧吃刀量或侧铣背吃刀量。该方案可保证两种加工方式具有相同的材料切除率。铣削方式如图3-7。表3.1 侧铣与插铣对比实验切削参数铣削方式 (m/min)(mm)(mm)插铣0.12125侧铣0.12512 (a)插铣示意图 (b)侧铣示意图图3-7 铣削方式示意图本实验采用先进金属切削工艺分析软件(Advant Edge Production Module)作为仿真工具。Advant Edge Production Module是一款CAE软件，该软件是由T

49、hird Wave Systems公司开发，主要用于优化金属切削工艺。这款分析软件适用于提高零件质量，增加材料去除率，延长刀具寿命等等。利用Advant Edge Production Module可以减少试切次数，通过方案比较获得优化的切削参数及刀具选择。该软件还具有丰富的后处理功能，用曲线、云图及动画显示仿真结果，可以得到切削力、温度、应力、应变率及加工功率等结果。Advant Edge Production Module可以分析的工艺：车削、铣削(含插铣)、钻孔、攻丝、镗孔、环槽、锯削、拉削;进给在10纳米以上1微米以下的微切削目前只支持2D车削仿真。实验过程中，在仿真软件里创建相应的刀

50、具、加工毛坯，将在相同切削参数下得到的侧铣和插铣加工程序导入软件，经过分析后得到插铣与侧铣的切削径向力结果如下所示。2) 仿真结果与分析图3-8 插铣径向力（X和Y向合力）图3-9 侧铣径向力（X和Y向合力）由以上两图可得，在同种切削参数下，插铣维持在585N，侧铣维持在945N，侧铣和插铣相比，XY方向合力较大，约为插铣的1.6倍。作用力增大会增加刀具和机床主轴的径向力作用，引起刀具和机床的振动，加剧机床主轴系统和刀具的磨损。由于插铣作用力远小于侧铣作用力，所以插铣可应用于切深大、刀具直径相对较小（长径比大、直径大的刀具使用受限）情况下难加工材料的大余量粗加工。由以上工艺方案的分析，本文中机

51、匣采用高效而低颤振的插铣进行粗加工。第四章 机匣插铣粗加工刀具轨迹本章根据UG数控加工刀具轨迹规划的原则，在UG的加工环境中实现机匣插铣粗加工刀具轨迹的生成，并通过以UG为平台的二次开发解决了插铣中刀具过切的问题。4.1 UG数控加工UG CAM是UG中计算机辅助制造模块，可实现对极其复杂零件和特别零件的加工，而且是一个易于使用的编程工具，可以为数控铣、数控车、数控电火花线切割机编程。在UG加工应用中，系统提供了多种加工类型用于各种复杂零件的粗精加工，用户可根据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型。在加工类型中包含了多种加工模板，应用各加工模板可快速建立加工操作。例如，用刀具

52、模板可快速建立或引用各种类型的切削刀具；用加工方法模板，可根据粗精加工要求，设置进给量、加工误差和加工余量等参数，创建多种加工方法；用操作模板可快速建立加工操作，生成刀具路径。在交互操作过程中，用户可在图形方式下交互编辑刀具路径，观察刀具的运动过程，生成刀具位置源文件。同时，应用其可视化功能，可在屏幕上显示刀具轨迹，模拟刀具真实切削过程，并通过过切检查和残留材料检查，检测相关参数设置的正确性。4.2刀具轨迹规划原则刀具轨迹规划是根据零件的几何模型、所用的加工刀具、刀具走刀方式以及加工余量等工艺参数进行刀位计算并生成加工运动轨迹。刀具轨迹的生成能力直接影响数控编程系统的功能和所生成的加工程序质量

53、。下面介绍几个与刀具轨迹规划相关的几个基本概念：1. 刀触点：指刀具在加工过程中与零件表面的切触点。2. 刀触点轨迹：指刀具在加工过程中由刀触点构成的曲线。3. 刀位点数据：指准确确定刀具在加工过程中每一位置所需的数据。一般来说，刀具的位置有刀位中心点坐标和刀轴方向确定。刀具中心点可根据计算模型的需要选取刀尖点或刀心点。4. 刀具轨迹：指刀具在加工过程中由刀位点构成的轨迹。刀具轨迹一般是由刀触点轨迹通过刀具偏置计算得到。5. 刀轴矢量：指用于控制数控加工过程中的刀具姿态矢量，其方向是刀端指向刀柄的。数控加工根据刀轴矢量在加工过程中是否发生改变分为固定轴加工和可变轴加工。对于难加工材料的曲面加工

54、、切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣加工是快速去除材料的一种最有效的加工方式，可以大大提高切削效率。但是刀轴较难控制，所以插铣加工很难应用到自由曲面的发动机机匣加工中。并且在数控加工中由于切削速度和进给速度往往都比较快，发生碰撞造成的损害比在普通切削中要严重的多，插铣刀如何在多坐标数控加工编程中生成无碰撞的刀轴方向和优化的刀位轨迹是当前研究的热点问题之一。此外，在机匣的数控加工中，由于机匣要求的加工精度很高，而且在加工过程中，工件容易变形，所以对于数控机床、夹具、刀具和刀柄的要求很高。同时也要求改进刀具路径，因为如果路径不合理，在切削过程中就会引起切削负荷的突变，从而给零件、机床和刀具带

55、来冲击，破坏加工质量、损伤刀具。因此，必须研究适合数控加工的路径，将切削过程中切削负荷的突变降至最低。在具体做刀具轨迹规划时，刀具路径的选择按以下基本原则进行：1. 开槽插铣加工方法类似于侧铣加工，但二者的进刀方式不同。开槽插铣加工是沿着刀轴方向进刀，而侧铣加工是垂直于刀轴方向沿着零件表面的切线方向进刀，并且插铣单次进刀与退刀为同一直线刀轨。2. 在加工机匣时，由于机匣为回转体，为避免刀具在走刀过程中与主体轮毂碰撞，应设立一安全平面，每一段刀具轨迹进刀起点和退刀终点必须在安全平面上。如图4-1所示。图4-1 刀具安全平面4.3刀具轨迹生成4.3.1 加工环境设定 在第一次进入UG CAM加工模块时需要设定具体工件的加工环境（以后则不需要）。在此机匣的加工中，设定加工环境为“cam-general” 中的“mill-multi-axis”多轴铣加工。加工前先确定加工坐标系，本文加工中设定加工坐