多轴数控加工工艺实验

word文档可自由复制编辑多轴数控加工工艺实验叶轮的加工工艺设计概述叶轮零件造型应考虑到流体力学，空气动力学等多个学科领域的专业知识，其造型之复杂，叶片加工精度要求之高，轮毂要求与所对应的轴配合等等导致叶轮零件加工困难，传统的叶轮加工是将叶片与轮毂单独加工，最后进行装配或是焊接在一起，然而这样会导致更多的工序，既耗费时间，也可能需要更多的装备来实现叶轮的加工，随着科学技术的进步，数控机床应运而生，尤其是五轴数控机床的诞生是机械加工行业的一次跨越性的发展，五轴数控机床可运用于加工以前所不能加工的整体式叶轮零件，极大的缩短了加工时间，极大的提高了加工精度，提高了机械加工效率，目前五轴数控机床加工整体式叶轮零件普遍流行，五轴数控机床解决了叶片薄难以加工，精度要求较高难以实现，产品更新速度快难以追赶等问题。叶轮工艺分析叶轮的几何参数从叶轮的三个视图中可以看到，整体叶轮可分为轮毂曲面（Hub）及叶片曲面(Blade)两个部分，叶片又包含覆盖曲面(ShroudSurface)、压力曲面(PressureSurface)及吸力曲面(SuctionSurface)和圆角曲面四个部分，并且叶轮的出口直径为491.2mm，出口叶片高度为50.6mm，进口直径为278.7mm，进口叶片高度为142.9mm，叶片和轮毂曲面间的交接处即倒圆角R为3mm，叶轮顶部的直径为191.4mm，底部厚度为26mm，叶轮的其他详细尺寸参数如图2.1中所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC1叶轮零件的前视图与顶视图叶轮的结构与加工难点在本文中得整体式叶轮当中，叶轮的出口直径为491.2mm，由叶轮的两个视图（图2.1）可知该叶轮含有12个叶片，出口叶片高度为50.6mm，进口直径为278.7mm，进口叶片高度为142.9mm。对叶轮的基本要求是：(1)能给出较大的能量源；(2)气体流过叶轮的损失要小，即气体流经过叶轮的效率要高；(3)气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小；(4)叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。综合以上信息，本文叶轮的加工难点主要有一下几点：叶轮尺寸较小，又含有12个叶片，这就使得叶片间的相邻距离很近，这样的加工槽道非常窄，很大程度上加大了加工难度；叶片的厚度非常薄，高度大，不利于刀具的加工；叶片面为自由曲面，弯曲程度大，后仰趋势很严重；同一叶片面弯曲的方向也不一致，一端后仰，一端前倾，加工时极易产生干涉现象，有的曲面还要进行分段加工，虽然解决了干涉现象，却很难保证加工免得一致性；由于叶轮强度要求较高，在叶轮的轮毂与流道连接处需要采用圆角连接。综上所述叶轮的技术要求如下：任何机械加工所得到的零件表面，实际上都不是完全理想表面。实践证明，机械零件的破坏，一般都是从表面层开始的，这说明零件的机械加工表面质量是至关重要的它对产品的质量有很大影响。表面质量的好坏对零件耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性以及零件配和质量都有一定影响。由于整体式叶轮是转子的重要部分，其叶片表面经常与流体发生周期性的摩擦，需要较高的表面质量来提高叶轮零件叶片的耐磨性以及耐蚀性以及耐疲劳性，这使得对叶片的表面粗糙度要求较高表，设定叶片表面粗糙度为Ra1.6。两端面表面粗糙度Ra12.5[13]。整体式叶轮内孔表面作为配合表面需要较高的表面质量，取表面粗糙度为Ra1.6,，叶轮底部外圆用于定位作用，需要较高的表面粗糙度以及加工精度，表面粗糙度需要到达Ra3.2。底端面也用于定位，表面粗糙度要求达到Ra1.6。由于叶轮零件叶片绕中心线列阵排列，在加工时可以将零件旋转一定角度来进行加工，这样可以减少UG编程负担，提高工作效率。叶轮工艺规划设计叶轮毛坯的确定选择毛坯材料毛坯材料的选择时零件设计中的重要一环。合理选择毛坯类型会使零件制造工艺简单、生产率高、质量稳定、成本降低。由于锻件毛坯适应性较广，力学性能好，强度高、冲击性好、抗疲劳性高、合金组织较细、内部缺陷较少以及精度较高等优点符合毛坯选择三大原则（使用要求原则、经济性原则以及实际生产条件原则）。故选择锻件材料作为毛坯。整体式叶轮叶片材料需要较高的抗疲劳性、抗腐蚀性、高强度以及耐磨性。而铝合金具有较高的强度，锻造性能好，同时具有良好的耐热性、塑性和高的韧性等。故选择铝合金作为加工材料[14]/[15]。确定锻件的公差等级由于该零件的技术要求和功用，确定该锻件的精度等级为F级。确定毛坯的机械加工余量和公差叶轮零件的直径为D=491.2mm，高度为H=142.9mm，内孔直径为d=130mm，因为0.1D<H<0.3D，可选用带孔圆盘自由锻件。查《实用机械加工工艺手册》表3-25，加工余量，，。其毛坯零件图如图2.2所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC2毛坯零件图确定毛坯尺寸公差在UG模型中计算出叶轮零件的体积为9437.705cm3，毛坯体积大小为30120.8376cm3，估计铝合金的密度为2.6g/cm3，则零件成品质量为24.5kg，毛坯质量为78.3kg。则锻件的复杂系数S：S介于0.16和0.32之间，属于S3级。锻件材质系数M，由于材料为铝合金，含铝量大于3%，故锻件的材质系数属于M2级。根据参考书目[9]表3-38知锻件直径尺寸的公差值和偏差值为：，毛坯的高度尺寸公差为：。故毛坯直径公差尺寸为：，毛坯的高度公差为：。加工基准的选择整体式叶轮在五轴数控机床上加工主要包括流道曲面和叶片表面的加工，而其他工序可以在普通机床上完成，本文讨论的问题也主要集中在流道曲面和叶片表面的加工。根据基准的用途不同，可分为两类：设计基准和工艺基准。而工艺基准又可以分为定位基准、测量基准和装配基准三类。在加工过程中，定位对加工质量和劳动生产率有很大影响，因此需要合理地选择定位基准。由于工序性质不同，在不同的加工阶段，对定位基准的要求不同。在粗加工阶段，主要任务是切除大部分余量，要考虑用较大的切削量以提高劳动生产率。在选择定位基准时，应注重保证工件在安装时要稳定可靠；在半精加工阶段，一般自由表面要达到最终要求，并且为主要表面精加工作准备，因此选择粗基准和精基准如下：粗基准：棒料在车床上加工时，以外圆和一个端面作为粗基面，加工孔和另一端端面至技术要求精基准：以内孔表面和一个加工端面为基准加工叶轮基本回转体;以内孔和叶轮底面为基准加工叶轮轮毂曲面和叶片以及叶轮流道。加工方法的确定数控加工方法的选择应以满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。由于获得同一级加工精度及粗糙度的加工方法一般有许多，在实际选择时，要根据零件的形状，尺寸和热处理要求等全面考虑。零件上比较精密的尺寸及表面加工，通常是通过粗加工，半精加工和精加工逐步达到要求的。对这些加工部件仅仅根据质量要求选择相应的加工方法是不够的，还应该正确的确定从毛坯到最终成型的加工方案。除此之外，在加工过程中，还要尽量减少安装次数，一次加工中进行多面加工，以保证高的表面相互位置精度，并采用工序集中的原则来组合工序。对叶轮加工时，加工采用轮毂与叶片在一个毛坯上进行成形加工，而不采用叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法，综上所述，叶轮的加工方法如下：毛坯棒料两端面加工由于毛坯两端端面直径较大，适合采用铣削的方式切除工件余量，对于顶端面稍微粗铣就可以了，而对于底端面在加工叶轮叶片式作为定位基准，对其精度和粗糙度要求较高，需对其进行半精铣。毛坯外圆加工先对毛坯外圆进行粗车，为减少半精车工序时间，可以在粗车之后粗车回转体，然后对毛坯底部外圆进行半精车。粗车内孔和内孔，半精车内孔和磨内孔。粗车内孔回转体叶片的开槽加工选择气流通道的中间位置为开槽加工的起始位置，因为要加工的面为曲面，故适合采用锥形铣刀，由于叶片与叶片之间的最小间距的缘故，所用的锥形铣刀直径设为10mm，长度为75mm，刀刃长度为50mm，刀刃数为3。以平行于气流流道走到，同时保证一定的加工余量。其叶轮气流通道开槽加工简图如图2.3[16]/[17]所示图2-SEQ图2-\*ARABIC3叶轮气流通道开槽加工叶片的粗加工叶片分为压力曲面、吸力曲面、圆角曲面以及覆盖曲面，对于压力曲面、吸力曲面采用锥形铣刀，铣刀直径为6mm，长度为75mm，刀刃长50mm，刃数为2。并保有一定的半精铣余量。叶片半精铣加工叶片半精铣的加工方法跟粗铣方法差不多，它的区别在于部件余量的设置以及刀具大小的设置。工艺路线的确定经过上面的分析，确定以下加工路线：工序1：下料；锻造毛坯，锻造出，的盘状形毛坯；工序2：正火、退火；工序3：工步：夹毛坯底端，粗铣顶部端面；夹叶轮顶端，粗铣底部端面和半精铣底部端面；工序4：工步：夹毛坯底端，粗车外圆至直径；粗车叶轮基本回转体；半精车底部外圆；粗车内孔深度为29.5mm和内孔；半精车内孔至直径为；工序5：用砂轮磨内孔至；工序7：工步：叶片压力曲面的粗加工；叶片吸力曲面的粗加工；叶片圆角曲面的粗加工；叶片覆盖曲面的粗加工；叶片压力曲面的半精加工；叶片吸力曲面的半精加工；叶片圆角曲面的半精加工；叶片覆盖曲面的半精加工；流道粗铣加工流道半精铣加工清洗；工序8：检验。选择加工刀具与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。尤其在刀具的刚性及耐用度方面较传统加工更严格。若刀具刚性不好，会影响生产效率，在加工过程中较易出现打刀事故，也会降低加工精度，影响数控机床技术的体现。若刀具耐用度差，则需要经常换刀、对刀，从而增加辅助服务时间，造成机床设备的闲置，并且容易在工件表面上留下接刀痕迹，影响工件表面质量。此外，还要求刀具精度高，尺寸稳定，安装调整方便。对于复杂整体叶轮类零件，其刀具选择情况如下：由于毛坯零件直径较大毛坯硬度较大，在铣削顶部断面和底部断面过程中选择硬质合金端铣刀；在粗车外圆与粗车回转体阶段，外圆车刀；在粗车内孔和半精车内孔时选择车孔刀；加工流道时，在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大直径的刀具。粗加工刀具一般选择锥柄球头铣刀。精加工选择锥柄球头刀具，锥度有利于提高刀具的刚性，但锥度不宜太大，一般3~5度较合适。为提高加工效率，在不发生碰撞干涉的情况下尽可能选用大直径铣刀，并优先选多刃铣刀。采用直径10mm，长度为75mm，刀刃长度为50mm，刀刃数为3的锥形铣刀。在半精铣流道中为提高零件的表面质量，需要选择刀具直径较小的锥形铣刀，故选择D6的锥形铣刀。叶片粗铣加工过程中，由于叶片为非平面，宜采用锥形铣刀，叶片压力面和吸力面加工时采用直径为6mm，长度为75mm，刀刃长度为50mm，刀刃数为3的锥形铣刀。圆角曲面加工时选择直径为2mm，长度为75mm，刀刃长度为50mm，刀刃数为3的锥形铣刀。在叶片半精铣中，为提高压力曲面和吸力曲面的表面质量，适合选择D4的锥形铣刀，而对于圆角表面，可以采用直径为D1的锥形铣刀。夹具选择在机械制造过程中，为了固定加工对象，使其占有正确的位置，需要用到夹具。针对整体式叶轮零件的五轴数控加工，在粗加工阶段以毛坯外圆和顶部端面为基准，可以采用三爪卡盘为夹具来固定毛坯，同时顶平面应与机床水平平面对齐。在半精加工阶段，叶轮零件主要是在铣床上完成整个加工，为限制叶轮的自由度，可采用芯轴为夹具，实行叶轮零件的定位。加工余量的分配加工余量的选择正确与否对零件加工的质量、生产率和成本又非常重要的意义。毛坯余量太大，一方面浪费材料，另一方面要增加机械加工的劳动工作量，从而使生产率下降，生产成本增加。相反，如果毛坯余量太小，将使毛坯制造困难，并且不能切除上道工序加工中留下的缺陷，从而造成废品或次品，因此，加工余量的选择对零件加工至关重要。加工余量的概念在毛坯加工成成品的过程中，某一个表面上毛坯开始切除的全部多余金属层的厚度，称为该表面的总加工余量。在完成一个工序时，从某一表面上所切除的金属厚度称为工序加工余量。总加工余量和工序加工余量的关系为：式中——总加工余量——工序加工余量——加工某一表面的机械加工工序数目在设计工艺工程时，根据各工序的性质来确定每一个工序的加工余量，进而可以计算出各工序的工序尺寸。但在加工过程中，由于工序尺寸有公差，实际上每个工件所切除的余量是有变化的。因此，加工余量又有基本余量、最大余量和最小余量。通常所说的加工余量是指基本余量，其大小等于前后两工序的基本尺寸之差。即式中——本工序的工序尺寸；——上工序的工序尺寸。对于最大加工余量和最小加工余量的计算，因加工内、外表面的不同而不同。影响加工余量的因素因为工序加工余量的大小，对本工序的加工质量要产生重要的影响，基本的原则是经过本工序的机械加工后，不再留有上工序的加工痕迹和缺陷。因此分析影响加工余量的因素时，应该考虑下面一些因素。前一工序加工的表面质量前一工序的尺寸公差前一工序的形状位置关系误差本工序的安装误差加工余量的确定方法加工余量的确定方法有三种：查表法：根据生产实践和实验研究，已将毛坯余量和各种工序的工序余量数据汇编成手册。在确定加工余量时，可以从手册中查得所需数据，然后结合本厂的实际情况进行适当的修正。经验估算法：该法是根据实践经验来确定加工余量的。一般而言，为防止见工余量不足而产生废品，往往估计得数据都偏大，所以该法只适用于单件、小批量生产。分析计算法：是根据加工余量计算公式和一定的试验资料，通过计算来确定加工余量的一种方法。采用这种方法确定的加工余量比较合理，丹不许有比较全面可靠的试验资料及先进的计算手段，该法在生产中应用较少。根据《机械加工工艺设计员手册》查得各工序加工余量如下：由于毛坯端面作为基准，只需粗铣即可，查得粗铣工序加工余量2.5mm，半精铣加工余量为1.5mm。在车外圆阶段，由于粗车和精车都是在热处理之后，经热处理零件的粗车直径加工余量为：2.8mm，经热处理后的半精车直径加工余量为：2.3mm。在加工内孔阶段，车孔时粗车余量为：2.5mm，半精车余量为：1.5mm。粗磨加工余量为：0.5mm。轮毂曲面粗加工余量为2mm，半精加工余量为0.5mm，叶片曲面粗加工余量为1.75mm，半精加工余量为0.25mm。加工工序尺寸的确定计算各加工工序的基本尺寸，依次为：底部外圆：半精车后保证图纸尺寸为：491.2mm粗车后锻造后毛坯506.2mm底部内孔：磨削后保证图纸尺寸为：130.0mm半精车后粗车后128.0mm锻造后毛坯116.0mm确定毛坯的厚度尺寸：半精铣底部端面后保证图纸尺寸为：142.9mm粗铣底端面后粗铣顶端面后锻造后毛坯162.9mm根据《机械加工工艺手册》表4-15，查得粗铣后公差等级为IT11，表面粗糙度为：Ra25。查得粗铣后半精铣公差等级为IT8，表面粗糙度为Ra3.2。由表4-12得，粗车后公差等级IT11，表面粗糙度Ra25，粗车后半精车公差等级IT7，表面粗糙度Ra12.5。由制造技术课本可知，加工内孔过程中，粗镗或粗车后公差等级IT12，表面粗糙度Ra12.5；半精车或半精镗后公差等级IT9，表面粗糙度Ra3.2；粗磨后公差等级IT7，表面粗糙度Ra0.8。根据上述经济加工精度查公差表，将查得的公差值按“入体原则”标注在工序基本尺寸上。根据参考书目[9]表3-38知锻件直径尺寸的公差值和偏差值为：，毛坯的高度尺寸公差为：。故毛坯直径公差尺寸为：，毛坯的高度公差为：。为清楚起见，把上述和查表结果汇总如下：外圆直径工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定：表2-SEQ表2-\*ARABIC1外圆直径工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸工序名称工序间余量/mm工序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度/半精车2.3（）Ra12.5491.2粗车2.8（）Ra25491.2+2.3=493.5毛坯毛坯高度工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定：表2-SEQ表2-\*ARABIC2毛坯高度工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸工序名称工序间余量/mm工序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度/半精铣底端面1.5Ra3.2142.9粗铣底端面2.5Ra25142.9+1.5=144.4粗铣顶端面2.5Ra25144.4+2.5=146.9毛坯146.9+2.5=149.4内孔直径工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸的确定：表2-SEQ表2-\*ARABIC3内孔直径工序尺寸、公差、表面粗糙度及毛坯尺寸工序名称工序间余量/mm工序工序基本尺寸/mm标注工序尺寸公差/mm经济精度/mm表面粗糙度/粗磨0.5Ra0.8130半精车1.5Ra3.2130-0.5=129.5粗车2.5Ra12.5129.5-1.5=128毛坯确定切削用量切削用量包括背吃刀量、进给量和切削速度。确定顺序是先确定背吃刀量、进给量，再确定切削速度。铣底顶部端面由于顶部表面处于粗铣状态，应选择尽可能大的背吃刀量，粗铣加工余量为2.5mm，故选择背吃刀量=2.5mm。刀具用的是端面铣刀，根据粗铣加工余量，选择背吃刀量（铣削深度）p=1.7mm，铣削速度c铣刀直径以及铣刀转速之间的关系为：(m/s)(2-1)式中d0——铣刀的直径，n——铣刀的转速。根据参考文献[9]表6-16选择XQ209/2M龙门铣床加工叶轮零件，机床总功率为27.8KW，刀具直径设为200mm，粗铣时主轴转速取300r/min，半精铣时主轴转速去150r/min。根据参考文献[9]表7-1选择刀具型号为YT5。根据参考文献[10]附表8粗铣时，铣刀进给量取=0.15mm/z，半精铣时，铣刀进给量取=0.5mm/r，齿数设为10。每转进给量（mm/r）、每齿进给量（mm/z）和进给速度（mm/s）之间的关系为：（2-2）粗铣时：=188.4m/min=3.14m/s==450mm/s==1.5mm/r半精铣时：m/min=1.57m/s同理粗铣顶端面切削要素同底端面一样。粗车外圆根据参考文献[9]表7-1，车外圆选择牌号是YT15的外圆车刀，由上面可知，粗车外圆的加工余量为2.8mm，故切削深度=mm，其中切削速度与转速之间的关系为：（m/s)（2-3）式中d——刀具（或工件）的最大直径（mm）n——刀具（或工件）的转速（r/min）根据毛坯外圆直径，根据参考文献[9]表6-6选择机床型号是CW6180的卧式车床，设置主轴旋转速度，粗车外圆时转速为640r/min，粗车时进给量设为3mm/r。故：粗车时切削速度是：（m/s）半精车外圆根据参考文献[9]表7-1，车外圆选择牌号是YT15的外圆车刀，由上面可知，半精车外圆的加工余量为2.3mm，故切削深度=mm，其中切削速度与转速之间的关系为：（m/s)（2-4）式中d——刀具（或工件）的最大直径（mm）n——刀具（或工件）的转速（r/min）根据毛坯外圆直径，根据参考文献[9]表6-6选择机床型号是CW6180的卧式车床，设置主轴旋转速度，半精车外圆时转速为300r/min，半精车时进给量设为1mm/r。故：粗车时切削速度是：（m/s）粗车内孔根据参考文献[9]表7-1，车外圆选择牌号是YT15的外圆车刀，由上面可知，粗车内孔的加工余量为2.5mm，故切削深度=mm，其中切削速度与转速之间的关系为：（m/s)（2-5）式中d——刀具（或工件）的最大直径（mm）n——刀具（或工件）的转速（r/min）根据毛坯外圆直径，根据参考文献[9]表6-6选择机床型号是CW6180的卧式车床，设置主轴旋转速度，粗车内孔时转速为640r/min，粗车时进给量设为3mm/r。故：粗车时切削速度是：（m/s）半精车内孔根据参考文献[9]表7-1，车外圆选择牌号是YT15的外圆车刀，由上面可知，半精车外圆的加工余量为1.5mm，故切削深度=mm，其中切削速度与转速之间的关系为：（m/s)（2-6）式中d——刀具（或工件）的最大直径（mm）n——刀具（或工件）的转速（r/min）根据毛坯外圆直径，根据参考文献[9]表6-6选择机床型号是CW6180的卧式车床，设置主轴旋转速度，半精车外圆时转速为300r/min，半精车时进给量设为1mm/r。故：粗车时切削速度是：（m/s）粗磨内孔用直径15mm、宽度25mm的砂轮磨孔，轴向进给量=（0.3---0.7）B，取=0.4B=1mm/r，查《实用机械加工工艺设计手册》，取磨削砂轮的速度选择v=18m/s,工件速度选取=25m/min，磨削深度取0.024mm。叶轮五轴数控编程概述叶轮零件造型复杂，相对于传统的加工，五轴数控加工无论是在加工精度还是效率上都有很大的提高。五轴加工是指一台机床至少有五个坐标系，而且能通过CNC协调运动加工。五轴加工使用与加工复杂的曲面，例如叶轮零件的叶片以及叶轮零件的流道加工，五轴数控机床可以随时调整刀具与工件的相对位置，是刀具与工件能达到最佳的切削状态，从而提高机床的加工效率。五轴数控机床能提高复杂机械零件的加工精度，所以，五轴数控机床在机械加工行业发挥着重要的作用。五轴加工目前应用范围最为广泛。尤其是航空、航天以及军事领域占有特殊的地位，它是衡量一个国家生产设备自动化水平的标志。叶轮的一般构成形式是若干组叶片均匀分布在轮毂上，相邻两个叶片间构成流道，叶片与轮毂的连接处有一个过渡圆角，使叶片与轮毂之间光滑连接。叶片曲面为直纹面或自由曲面。整体叶轮的几何形状比较复杂，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度大，容易发生干涉碰撞。因此主要难点在于流道和叶片的加工，刀具空间、刀尖点位和刀轴方位要精确控制，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动，避免发生干涉碰撞。叶轮加工首先由最初的毛坯——棒料、铸造件或者锻压件采用车床进行外轮廓的车削加工，得到叶轮回转体的基本形状。通过对叶轮结构和加工工艺的分析，叶轮加工主要由粗加工叶片间流道(叶轮开粗)、粗铣叶轮叶片、半精铣流道、半精铣叶轮叶片以及清根加工等工序组成。整体叶轮的CAD/CAM系统结构图在五轴数控加工之前，首先需要对叶轮零件进行建模，而本文主要是针对叶轮零件的加工，所以忽略了叶轮零件的建模而直接从已有教材中复制过来，通过仔细分析叶轮零件的形状尤其是叶片的形状，来指定叶轮零件的加工方法和顺序，以便在保证叶轮零件加工质量的前提下，提高叶轮零件的加工效率。进入UG加工板块，创建父组件，在创建操作之前设置好刀具，创建操作，在对话框中选择刀具，加工方法以及几何体。在创建的操作对话框中点击切削参数，在弹出的对话框中设置好个参数。操作对话框中设置好非切削用量和进给与步进参数。由于叶轮零件叶片造型复杂，容易导致在加工过程中出现过切现象，于是对驱动方式、投影矢量、刀轴的选择至关重要。点击生成路径，然后对生成的路径进行走到仿真、3D仿真或2D仿真。最后生成车间文件，以及以后的后置处理，生成NC代码，为本文用VERICUT仿真做铺垫。叶轮CAM流程图如3.1[18]所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC1叶轮CAM流程图叶轮叶片工艺分析通过分析叶轮零件的造型，可采用先粗铣加工流道并对叶轮叶片的压力面和吸力面保留一定的余量，再粗铣加工压力曲面和吸力曲面，再加工圆角曲面，最后加工覆盖曲面。粗铣加工结束后，再按上述加工顺序半精铣加工以上曲面。粗铣和半精铣加部件余量的设置以及内外偏差参数的设置可根据前面工艺分析得出，半精铣部件余量为0.5mm，粗铣公差等级为IT11，半精铣公差等级为IT8，遵循“入体原则”，设置叶轮叶片粗铣和半精铣内外公差，具体情况见表3-1。流道上曲面吸力曲面覆盖曲面压力曲面圆角曲面流道曲面流道上曲面吸力曲面覆盖曲面压力曲面圆角曲面流道曲面流道下曲面图3-SEQ图3-\*ARABIC2叶片结构分析流道下曲面表3-SEQ表3-\*ARABIC1叶轮UG编程个工序参数工序名称工序刀具型号驱动方式投影矢量刀轴加工余量（mm）主轴转速（r/min）进给速度（mm/min）经济精度表面粗糙度压力表面粗铣Ra25D6锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体朝着点0.530002000吸力表面粗铣Ra25D6锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体朝着点0.530002000圆角表面粗铣Ra25D2锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体远离点0.530002000覆盖表面粗铣Ra25D6锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体远离点0.530002000压力表面半精铣Ra3.2D4锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体朝着点020001250吸力表面半精铣Ra3.2D4锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体朝着点020001250圆角表面半精铣Ra3.2D1锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体远离点020001250覆盖表面半精铣Ra3.2D2锥形球头铣刀表面积驱动方式垂直于驱动体远离点020001250流道曲面1粗铣Ra25D10锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体垂直于驱动体0.530002000流道曲面2粗铣Ra25D4锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体垂直于驱动体0.530002000流道曲面1半精铣Ra3.2D4锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体垂直于驱动体020001250流道曲面2半精铣Ra3.2D2锥形球头铣刀流线驱动方式垂直于驱动体垂直于驱动体020001250整体式叶轮加工工艺准备机床准备：采用5轴6托盘立式加工中心数控机床的主要参数X轴行程995mm，Y轴行程995mm，Z轴行程995mm，C轴摆角为0°—360°，A轴摆角为-120°—120°。刀具容量,60刀位，数控系统为DMC—125U。刀具准备：由于叶轮流道较深，在设置流道加工刀具时，刀具刃长应该大于130mm，为防止机床与叶轮零件碰撞，所有刀具总长应不小于200mm。工装准备：要求安全可靠，体积小。质量轻，以减小加工时的惯性力矩对工件加工精度的影响。另外，装卸工件要简洁方便。编程软件的准备：本文采用UG·NX通用编程软件。叶轮叶片五轴数控编程在进行数控加工编程之前，为减少重复多余的设置，可在创建操作之前完成下面选项的设置：刀具的设置五把锥形铣刀，直径分别为10mm、6mm、4mm、2mm和1mm；在NC-program下添加程序program1至program10；创建零件的加工坐标系，设置零件的加工坐标系为零件上顶圆圆心；选择所绘制的过渡毛坯为UG叶轮零件加工中的毛坯。过渡毛坯建模在UG模型加工板块中能够自动生成毛坯，但是相对来说比较粗糙，需要自建一个过渡毛坯，用来定义五轴数控加工过程中的毛坯。在UG建模板块中绘制如3-4所示草图，其尺寸标注如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC3过渡毛坯草绘曲线选用回转命令，选择所画线段与曲线为回转线，Z轴为旋转轴，使得所画曲线形成绕Z轴的回转曲面，然而所建模型并非实体，需要与一个圆柱体相交得到实体：图3-SEQ图3-\*ARABIC4回转实体上图3-4就是所建的过渡毛坯图。叶片的粗铣加工压力曲面粗铣加工编程YL1进入UG加工板块，用多轴曲面轮廓铣（millmulti-axis）来粗铣加工叶轮叶片压力曲面，创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为YL1,指定叶片压力曲面为切削区域，选择刀具为D6，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择由于叶轮叶片压力曲面的弯曲程度过大，并且其后仰的也很明显而且两相邻叶片之间的距离也很小，可以采用表面积驱动方式，也可以采用流线驱动。通过尝试采用这两种不同的驱动方式编程，发现第二种生成的路径优于第一种。故采用流线驱动方式。其流线的选择、相交曲面的选择以及驱动设置的选择如图3-5所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC5压力曲面粗铣加工驱动方式投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择因为两相邻叶片之间的距离很近，导致刀具在切削过程中容易发生过切，通过旋转叶轮零件，发现存在一点，当这点投影到叶轮叶片压面曲面任意点时，未与叶片有任何碰撞，故可以采用朝着点来控制刀轴。其点的寻找通过多次尝试得到，刀轴“朝着点”的对话框如图3-6所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC6压力曲面粗铣加工刀轴“朝着点”对话框刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC7压力曲面粗铣加工刀轨可视化吸力曲面粗铣加工编程XL1创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为XL1,指定叶片吸力曲面为切削区域，选择刀具为D6，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择由于叶轮叶片吸力曲面跟压力曲面一样，其弯曲程度过大，并且其后仰的也很明显而且两相邻叶片之间的距离也很小，但是粗铣吸力曲面是，可以偏置刀轴而不至于与叶轮叶片方式过切，故其路径的生成相对较简单，采用简单的表面积驱动方式即可生成较为客观的路径。表面积驱动方法选择设置见图3-8所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC8吸力曲面粗铣加工表面积驱动方式对话框投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择刀轴方式的选择会影响到刀具运动时摆动的幅度，由于叶轮零件直径较长，若采用远离点的方式设置刀轴，刀具将会发生严重的偏置，在UG中调用机床进行仿真检测，发现机床刀夹与叶轮零件发生碰撞，故不适合采用远离点的刀轴控制方式，从图3-9可知，存在一点使得刀轴在运动过程中不与叶轮零件发生碰撞同时刀轴摆动幅度较小。点的坐标见如3-9。图3-SEQ图3-\*ARABIC9吸力曲面粗铣加工刀轴“朝着点”对话框刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC10吸力曲面粗铣加工刀轨可视化圆角曲面粗铣加工编程YJ1创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为YJ1,指定叶片圆角曲面为切削区域，选择刀具为D2，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择采用表面积驱动方式。表面积驱动方式个参数和选项的选择如图3-11所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC11圆角曲面粗铣加工表面积驱动方法对话框投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择由于圆角曲面面积较小，容易由于刀具的摆放位置不对而方式严重的过切现象，适合让刀具切削刃与圆角表面保持一定的角度，让刀具刀夹偏离圆角曲面一定距离，故适合采用远离点的刀轴控制方式。其点坐标如图3-12所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC12圆角曲面粗铣加工刀轴“远离点”对话框刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC13圆角曲面粗铣加工刀轨可视化覆盖曲面粗铣加工编程FG1创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为FG1,指定叶片吸力曲面为切削区域，选择刀具为D4，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择采用表面积驱动方式。表面积驱动方式个参数和选项的选择如图3-11所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC14覆盖曲面粗铣加工表面积驱动方法对话框投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择覆盖曲面的特点在于曲面窄而狭长，当选择远离点的方式控制刀轴时，若点离曲面较近，刀具运动时将导致刀具摆幅较大，很有可能导致机床与叶轮零件碰撞，当点离曲面较远时，刀具摆动幅度较小，机床加工过程中可以尽量减少碰撞。其点坐标如图3-15所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC15覆盖曲面粗铣加工刀轴“远离点”对话框刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC16覆盖曲面粗铣加工刀轨可视化流道曲面粗铣加工编程LD1/LD2由于流道曲面狭长而且由两叶片之间的距离较小，导致流道加工比较困难，可以采用分区域加工来实现流道的加工，创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为LD1,指定叶片吸力曲面为切削区域，选择刀具为D10，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择由于叶轮叶片压力曲面的弯曲程度过大，并且其后仰的也很明显而且两相邻叶片之间的距离也很小，采用流线驱动。其流线、相交曲线的选择以及驱动设置如图3-17所示。但为达到分区域加工的目的，需要对对话框修剪和延伸进行参数设置，其设置情况如图3-18所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC17流道曲面粗铣加工流线驱动方法对话框图3-SEQ图3-\*ARABIC18修剪和延伸对话框投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择为保证流道上方的毛坯被完整的切除掉，刀轴方式选择垂直于驱动体。刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC19流道曲面粗铣加工刀轨可视化路径创建流线驱动多轴铣削（VARIABLE_STREAMLINE)操作子类型。名称命名为LD2,指定叶片吸力曲面为切削区域，选择刀具为D6，根据表3-1设置切削参数和进给和速度对话框中的参数，非切削移动对话框中进刀选项选择圆弧-与刀轴平行，退刀与进刀相同，方法选项框中选择MILL_ROUGH，其余采用默认方式。驱动方法的选择由于叶轮叶片压力曲面的弯曲程度过大，并且其后仰的也很明显而且两相邻叶片之间的距离也很小，采用流线驱动。其流线、相交曲线的选择以及驱动设置如图3-20所示。但为达到分区域加工的目的，需要对对话框修剪和延伸进行参数设置，其设置情况如图3-21所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC20压力曲面粗铣加工流线驱动方法对话框图3-SEQ图3-\*ARABIC21修剪和延伸对话框投影矢量的选择为了让更多的驱动点投影到部件上，形成大面的路径，又根据零件的造型以及叶片的相对位置，故采用投影矢量方式为垂直于驱动体。刀轴的选择为保证流道上方的毛坯被完整的切除掉，刀轴方式选择垂直于驱动体。刀轨可视化路径图3-SEQ图3-\*ARABIC22流道曲面粗铣加工刀轨可视化路径叶轮半精铣加工叶轮叶片半精铣编程过程与粗铣编程过程一致，区别在于参数的设置不同，可参照表3-1完成叶轮叶片半精铣编程。叶轮零件加工仿真为检验UG编程的正确与否，当编程结束后，进行加工仿真来验证刀轨。UG加工仿真结束后，加工零件图如3-23所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC23UG加工仿真结果后处理目前各机床的编程语言不具备通用性，即使是同一制造商生产的机床，在其前后期也可能不具备通用性。尽管国际上曾试图通过标准化来推广一种通用的机床语言，但是由于制造商的缘故，一直难以得到广泛的推广。因为机床语言的不通用性，一般的商用CAD/CAM软件难以按照用户的需要提供全部机床的NC代码生成，只提供了一部分常用的机床的NC代码生成，大部分还是需要用户自己由其产生的APT文件来自行处理生成NC代码。针对本文叶轮零件，用UG软件后置处理得到的NC代码超出了机床的行程，需要特别的后置处理器。本文中采用西南交通大学机械制造研究室自主研发的后置处理器，生成满足机床行程的NC代码。操作过程如下：系统登录在桌面上双击系统快捷方式图标（图3-23），进入软件开启界面（图3-24）。图3-SEQ图3-\*ARABIC24软件快捷方式图标系统界面及操作图3-SEQ图3-\*ARABIC25软件开启界面开启界面顶端为软件的菜单选项，菜单选项下方是含有快捷图标的工具栏。此时可以通过点击菜单选项下拉菜单“打开”选项或工具栏中最左端的“”图标弹出的“打开”对话框（图3-25）选择待处理的前置刀位文件。如果要再次选择上一次处理的前置刀位文件，可以在菜单选项下拉菜单中快速选择原来未改变保存路径的前置刀位文件，如图3-26所示。在软件开启界面下，菜单选项的绝大部分选项处于未激活状态。图3-SEQ图3-\*ARABIC26前置文件“打开”对话框通过以上方式选择打开需要后置处理的前置刀位文件，进入软件主界面（图3-27）：图3-SEQ图3-\*ARABIC27后置处理软件主界面在后置处理软件主界面下，菜单栏中绝大部分选项处于激活状态，同时比开启界面多了“后置处理”菜单选项，工具栏图标均处于激活状态。主界面下上面的窗口用于显示载入的前置刀位文件，可通过右侧的滚动条查看刀位代码；下面的窗口用于显示后置处理过程及结果。可以点击下面窗口左端上部的“关闭”按钮关闭后置处理过程及结果显示窗口，或者通过点击“查看”菜单栏下的“显示刀位处理窗口”选项或工具栏中的“”按钮确定是否打开后置处理过程及结果显示窗口，默认为打开该窗口。“生成数控加工程序”对话框在软件主界面下，通过点击“后置处理”菜单下的“生成数控加工文件”或工具栏中的“”按钮打开“生成数控加工程序”对话框（图3-28）。图3-SEQ图3-\*ARABIC28“生成数控加工程序”对话框界面对话框功能和操作说明STEP1中需要通过可以下拉组合编辑框控件选择机床，同时针对DMC机床可以设定机床C角初始值，针对V5机床可以设定机床刀轨加密间隔；STEP2中通过复选框控件可以设定是否添加程序头尾文件；STEP3中通过编辑框控件可以分别设定数控代码中平动量和转动量的输出精度。在经过以上3个步骤后，左键点击“浏览”按钮控件，弹出如图3-29所示的“把数控文件保存为…”的对话框，在命名后点击“保存”即在指定位置生成空白的文本文件。“浏览”按钮控件左侧的编辑框控件显示了该文本文件的保存。“生成数控加工程序”对话框最下端的“生成”按钮控件被点击后，软件内部就开始执行后置处理程序，经过编译计算，格式化输出满足要求的数控程序。“取消”按钮控件被点击后，对话框消失，选择和设定不被保存。若“后置处理”菜单项下的“显示后置处理过程”子菜单项被勾选，主界面下方的刀位处理显示窗口显示处理过程及最终结果（图3-30），拖动窗口右侧的滚动条查看生成的数控程序；若未被勾选，主界面下方的刀位处理显示窗口显示处理过程但不显示最终结果。3-SEQ图3-\*ARABIC29“把数控文件保存为…”的对话框界面3-SEQ图3-\*ARABIC30数控代码生图叶轮零件数控加工仿真VERICUT简介VERICUT可以是可以进行NC程序的验证、机床的模拟和NC程序的优化的一款数控模拟仿真软件，它是美国的CGTech公司于1988年开发的，现在已经发展到了VT7.0版本。该软件的基本思想就是在进行真实的加工之前，尽可能真实的在虚拟的环境里模拟加工的整个过程和加工的结果，避免在真实的加工中出现零件的过切、欠切，避免发生机床碰撞，并最大程度的优化NC程序、延长刀具使用寿命，提高的加工的效率和加工质量。程序验证就是验证程序的正确性，说的通俗一点就是检查G代码的正确性。任何一个机械加工厂，其最基本也是最简单的要求就是要尽量提高零件的合格率。就是这样一个简单的基本要求，机械加工厂并不是那么容易就能达到。影响零件合格率的因素有很多，最根本、最重要的就是加工工艺方案和数控加工程序，因为这两个因素是根本、源头，是指导生产零件的，二者出现错误，报废或造成故障的就不是单个零件，而是一批零件，造成的损失也是巨大的。因此，我们要杜绝加工工艺方案和数控加工程序出现错误，对于加工工艺方案，在此不多作叙述，是可以通过人的校对来保证其正确性的，但是对于数控加工程序，这样是不能保证其正确性的，特别是复杂的NC程序，人工校对根本不可能，VERICUT的NC程序验证功能很好的解决了这个问题。机床模拟就是模拟加工过程中机床各个组件之间的相互运动，其过程和真实机床一样，这样就可以检查机床碰撞，避免发生，这样就很好保护了机床，延长机床的使用寿命。NC程序优化可以最大限度的优化加工的进给率，计算最合适刀具长度，提高生产效率，延长刀具使用寿命，提高刀具使用效率。对于企业来说，VERICUT的这三个基本功能的目标很明确：提高加工零件的合格率，提高机床和刀具的使用效率，帮助企业降低生产成本，提高生产效率，增强企业的核心竞争力，使之在激烈的竞争中处于不败之地。因此，对于从事机械加工行业的人来说，学习和掌握VERICUT就显得尤为重要。VERICUT的仿真加工特点减少切坏工件、返工、刀具折断等错误发生的几率避免机床碰撞高度可信的仿真控制器相关事件的精确仿真资源管理器管理机床、夹具和设备机床加工仿真的一般步骤虚拟数控机床建模:建立机床运动学模型，系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改，以满足定制要求，然后利用建模模块建立机床的几何模型，按照图纸设定机床初始位置，形成相应的控制文件、机床文件和工作文件。毛胚、夹具建模:夹具建模的主要目的是检测夹具与机床的其他运动部件之的干涉和碰撞。毛胚和夹具的建模过程与机床的建模过程相似。刀具建模:为了使建立的数控加工仿真模型能适应不同的加工程序，可以建立特定机床所使用的所有刀具的主刀具库。设置系统参数:为了正确仿真NC加工程序，还需要在VERICUT中进行诸如工件编程原点和刀具补偿等一些仿真系统参数的设置。加工仿真:在VEIUCUT中调入NC程序，并定义刀具列表以建立G代码中所指定的刀具号和主刀具库文件中的刀具号的映射关系，即可进行加工过程的仿真。仿真结果分析与优化对于仿真结果模型，最后进行修改相应的刀具轨迹文件和参数，直至仿真完全达到要求为止。本论文仿真加工流程创建刀具库创建刀具库粗加工叶片铣仿真粗加工铣刀半精加工铣刀大直径球铣刀小直径球铣刀合格？返回UG修改选择加工机床选择控制系统设置加工毛坯加工模拟半精加叶片铣仿真加工模拟精加工清根仿真加工模拟添加设计模型设置加工坐标系选择加工刀具指定数控程序加工质量检查完成图4-SEQ图4-\*ARABIC1VERICUT仿真流程在创建VERICUT项目之前，需要首先创建刀具库，以便在项目中进行刀具型号的选择，针对叶轮零件加工需要，需要建立粗铣加工铣刀和半精铣加工铣刀，由于叶片各曲面的形状不一样以及流道狭长、两叶片之间的距离较小，需要创建大直径铣刀和小直径铣刀。完成刀具库创建后，接着创建VERICUT项目其中一个工序，按照顺序，依次选择机床、机床控制文件、添加毛坯、指定坐标系、选择刀具文件和刀具型号以及指定数控程序，最后做VERICUT仿真加工，至于半精加工，需要复制前面一个工序，将其粘贴杂上面工序后面，然后更改刀具型号和数控文件。加工的目的在于检查加工的质量，此时需添加设计模型方可进行对比，检查过切现象以及未加工余量。刀具库建立启动VERICUT，建立一个新项目，创建一个公制的项目，在进行仿真之前需要先创建刀具库，以备各个工位调用。根据上文可知，需要创建一个5把刀的刀具库，主要是球头铣刀。创建锥形铣刀创建球头铣刀D10在VERICUT软件刀具设置5把锥形球头铣刀，在系统界面下，点击“项目”→“刀具”，进入到刀具管理对话框，在左侧的刀具ID号区点击鼠标右键，选择快捷菜单中的“添加刀具”→“新”→“铣削”命令，则会出现默认ID为1的刀具组建对话框。在刀具组件选项组件类型选框中选择旋转型切刀，然后在下面的刀具选择中选择球头铣刀，输入刀具直径为10，高为200，刃长为130，刀柄直径为10，主轴方向选择顺时钟，点击添加。图4-SEQ图4-\*ARABIC2D10刀具参数设置图4-SEQ图4-\*ARABIC3D10刀夹参数设置在组件类型中选择刀夹，刀夹形状为圆柱体，半径为10，高度为20，点击添加。创建完的刀具跟刀夹关系如图。由于刀具跟刀夹的位置不太协调，需要移动刀具与刀夹的相对位置，选择装配选项，选择移动，然后将刀夹移动到刀具的合适位置。图4-SEQ图4-\*ARABIC4D10装配前图4-SEQ图4-\*ARABIC5D10装配后创建球头铣刀D6根据上述的方法建立球头铣刀D6，刀具直径为6，高为200，刃长为130，刀柄直径为10，主轴方向选择顺时钟。选择刀夹，刀夹形状为圆柱体，半径为10，高度为20，点击添加。创建完的刀具跟刀夹关系如图。图4-SEQ图4-\*ARABIC6D6装配后创建球头铣刀D4根据上述的方法建立球头铣刀D4，刀具直径为4，高为200，刃长为130，刀柄直径为10