UG叶轮实体造型与加工

鹤壁职业技术学院Hebi University of Vocation and Technology毕 业 设 计专 业：鹤壁职业技术学院机电工程系数控专业 班级学号： 0902112007 学生姓名： 寇俊涛 指导教师： 朱海勇 二一一年 十一 月鹤壁职业技术学院专科生毕业设计UG8.0多轴加工技术在叶轮的造型与编程仿真加工中的应用UG8.0 multi-axis processing technology in the impeller modelling and simulation processing of application programming 专业班级：数控专业（二班）学生姓名：寇俊涛 指导教师：朱海勇系 别：鹤壁职业技术学院机电系2011 年11月摘要UG（Epigraphic NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。它具有强大的功能,是一款高度集成的CAD/CAM/CAE软件，可应用于整个产品的开发，设计、建模、分析和加工等。叶轮作为动力机械的关键部件，其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。本文将对空气流量计中用到的整体叶轮进行建模、编程和加工研究。针对数控加工的特点和难点，系统地提出了基于UGNX80的数控加工仿真方案和步骤，应用UGNX80对整体叶轮进行数控加工刀具轨迹仿真，成功获得无干涉刀具轨迹、实体仿真结果和四轴数控加工的NC程序。 关键词：实体造型；数控加工；仿真ABSTRACTUG (UGigraphic NX ) is Siemens PLM Software company produced a product engineering solutions, it is for users of the product design and manufacturing process of digital modeling and validation means provides. It has powerful functions, is a highly integrated CAD / CAM / CAE software, which can be used throughout the product development, design, modeling, analysis and processing. The impeller is used as the power the key mechanical components, its processing technology has been manufacturing industry is an important subject in the. The air flow meter used in the integral impeller modeling, programming and processing research. CNC machining for the characteristic and difficulty, put forward in this paper based on the UGNX8.0 simulation of NC machining program and steps, application of UGNX8.0 to the integral impeller for NC machining tool path simulation, successful interference free tool path, simulation results and four axis NC machining procedure of NC.Key words: solid modeling; CNC machining; simulation绪论数控加工的图形化编程技术区别于普通数控编程技术的明显特点是：待加工零件的设计和加工编程是基于同一个 C A D C A M环境下实现的，即数控加工刀具轨迹的产生依赖于产品的几何信息，并根据设计者提供的加工参数和刀具信息自动计算产生。图形化数控 自动编程技术实现了产品设计和制造过程信息模型的无缝连接，可有效地保证数控加工的质量和效率。使用 U G能把叶轮的 C A D建模和 C A M四轴数控编程很好地结合运用，编制出合适的程序。 数控加工仿真技术适合加工种类多、需求少、难加工的整体叶轮，降低整体叶轮加工的成本。高速切削加工和常规切削加工相比，在提高生产率、减少热变形和切削力以及实现高精度、高质量的零件加工方面具有显著的优越性；而四轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。因此四轴高速加工能在一次装夹后完成叶轮的整体加工，并达到较低的表面粗糙度值和较高的尺寸精度。 从叶轮的结构来看，其叶片型面部分为复杂的空间曲面，各部分的曲率、扭转变化较大，是典型的薄壁零件3。由于其为动力等装置的重要部件，因此零件本身的精度和质量有很高的要求。型面的加工质量直接影响其工作性能。相邻叶片的空间较小而且在径向上随着半径的减小，通道越来越窄，因此加工叶轮叶片曲时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具极易与相邻叶片发生干涉1；加工整体叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，自动生成无干涉刀位轨迹较困难2。而且在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求 ，且由于叶片的厚度有所限制，所以，还要在实际加工中注意轨迹规划以保证加工的质量。总的来说整体叶轮数控加工难点比较多，因此在多坐标数控机床上加工前通常都要经过仿真，在此过程中必须解决好整体叶轮数控加工中的过切干涉与碰撞、降低生产成本、提高加工效率、优化工艺参数等一系列难题，为真实数控加工做好技术准备，另外对于整体叶轮这样复杂的三维曲面手工编程根本无法实现，必须借助于CAM软件实现自动编程。因此，研究整体叶轮的实体造型与数控仿真加工具有较高的工程应用价值。 目录1叶轮的造型11.2圆柱实体绘制21.3投影线的绘制21.4叶轮轮毂的绘制41.5轮毂实体绘制41.6倒角的绘制61.7键槽绘制62叶轮四轴加工与仿真82.1结构特点分析与工艺流程制订82.1.1叶轮的结构特点82.1.2四坐标数控机床结构与选择82.1.3定位与夹紧方案的确定82.1.4刀具的选择92.1.5刀具切削用量102.2基于UGNX80的整体叶轮数控加工仿真校验与后置处理122.2.1生成粗加工刀轨122.2.2粗加工仿真122.2.3精加工刀轨132.2.4精加工仿真132.3 N X P OS T 后置处理14结论15参考文献16致谢17171叶轮的造型 图11(叶轮实体)图1-2（叶轮视图） 图13(叶片草图) 造型思路：由图纸可知叶轮的造型特点主要是由多个空间面组成的，因此在构造实体时首先应使用空间曲线构造实体的空间线架，然后利用“拉伸”命令生成实体。可以在“草图”中绘制外形，同时绘制两条成4的直线，以便在实体造型中绘制叶片实体。在生成单个叶片后在用“阵列”命令生成叶轮实体。最后用“修剪体”命令做细节处理，最后完成造型。11圆的绘制 进入软件，单击“起始”命令在下拉菜单中单击“建模”进入绘图状态，单击具栏上的按钮选择作图“平面XOY”，进入草图绘制状态，在工具栏的菜单中选择作圆方式“圆心点_半径”，然后按照提示用鼠标点取坐标系原点，也可以按回车“Enter”键，在弹出的对话框内输入圆心点的坐标（0，0，0），半径R100并确认，然后单击鼠标右键结束该圆的绘制图14(叶轮草图)1.2圆柱实体绘制在完成草图后单击工具栏上的按钮完成草图，完成草图后恢复到“建模”状态下进行“实体拉伸”完成圆柱体的绘制。然后把实体设置成静态线框以便下一绘制两条自成4的两条斜线。如图15图15(拉伸实体)1.3投影线的绘制 完成上步操作后再进入草图选择“平面YOZ”斜线长度制定（但应高出实体高度），完成后进入“建模”状态，单击图标 （投影）指令，完成在两个圆柱体的外圆柱面上的投影（注：制作投影的方式是在“矢量”状态下进行投影，且要正确选择投影方向）。如图16图16(绘制投影线)然后利用“直纹曲面”绘制曲面，完成叶轮曲面的绘制。如图17。图17(绘制片体)最后完成叶片的绘制，利用“片题加厚”命令绘制叶片实体。如图18 图18(片体加厚)1.4叶轮轮毂的绘制进入“草图”设置绘图平面，在“YOZ”平面内绘制轮毂1/4截面图（注：在绘制草图的过程中可根据需要选择点的控制方式）选择抓点方式为捕捉“圆心”“中点”。画圆柱体两端面圆心的连心线，利用“偏置”命令绘制截面轮廓，偏置完成后用“快速修剪” 修剪多余线段，裁剪后图中还会剩余一些线段，单击线面编辑工具栏中“曲线裁剪”按钮，在特征树下方的立即菜单中选择“快速裁剪”方式，用鼠标点取剩余的线段就可以实现曲线裁剪。这样我们就得到了叶轮轮毂截面图的一个轮廓。完成截面草图绘制。如图19所示图19(轮毂截面图)1.5轮毂实体绘制完成草图绘制后，点击“完成草图”进入建模状态，选择“回转”命令完成实体绘制（注：在完成回转操作时应在绘制草图是先做一个回转轴）。如图110图110(生成轮毂)完成轮毂实体后在工具栏中找到“转换”命令命令进行叶片的复制。如图111图111(叶片复制)选择“绕点旋转”选择以圆心捕捉点，捕捉圆心图112(选择旋转中心)设置旋转的角度，本例为六片叶轮，所以应为60图113(叶片旋转角度)选择复制完成六片叶轮的绘制，图114（叶轮）轮毂绘制结束。1.6倒角的绘制 在建模状态下选择“斜倒角”命绘制倒角。如图115图115(绘制倒角)单击“确定”完成倒角。1.7键槽绘制在草图状态下选择“YOX”为作图平面，在轮毂端面上绘制矩形。如116 图116(键槽绘制)单击“完成草图”回到建模状态，执行“拉伸命令”并进行“求差”命令的执行。图117(叶轮)完成键槽的绘制。把所有的单个实体进行“求交”操作，如图118 图118(叶轮求交)生成加工实体。（利用隐藏功能，把多余的曲线曲面隐藏）图119(叶轮实体)2叶轮四轴加工与仿真2.1结构特点分析与工艺流程制订 2.1.1叶轮的结构特点 叶片空间曲面形状较为复杂且刚性较差，因此叶片加工是整个零件加工难点，由于叶片之间的间隔距离小，而叶片的扭曲程度决定了加工时刀具轴的摆动范围，因此刀具必须在两叶片之间的范围内摆动，刀具才不会与叶片发生干涉3。根据叶轮的几何结构特征和使用要求，其基本加工工艺流程为：1)在数控车床上车削加工毛 坯的基本形状， 2)粗加工叶轮流道曲面；3粗加工叶片曲面；4)叶片精加工；5) 叶轮流道精加工。 2.1.2四坐标数控机床结构与选择叶轮的毛坯外形可通过数控车床车削成型，而叶片的成型加工则必须在四轴联动数控机床上才能完成。由于本文中叶轮的尺寸不大， 重量较轻，选用立式四轴加工中心可完成机床模拟加工仿真。 2.1.3定位与夹紧方案的确定数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：5 Z0 Q3 n3 X( s: S7 o3 H+ ?( T. v1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。, g$ M( 1 p2 P; |2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。 N! O* B1 3 f, E3 A3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。: * a( N* / J& J( a0 L0 4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。文中加工的叶轮中心处有一圆孔可用于加工时的定位，只需将毛坯放入与之配合的心轴上，即限制X、Y方向的移动自由度，再用一环形平面与叶轮的底面接触即可限制两个转动自由度和z方向的移动自由度，最后用螺母压紧工件即可实现零件的装夹。 2.1.4刀具的选择 在使用多个刀具组合的加工过程中，两个不同刀具的无干涉加工区域可能重叠，通常采用的方法是，先用较大的刀具来高速加工其所有可能加工的区域，较小的刀具则随后被用来加工较大的刀具无法加工的区域。这样，每把刀的有效加工区域就可能小于其原来可以无干涉加工的曲面。 基于上述理论研究，在进行粗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D小于叶片间最小距离Lmin ，Lmin的大小可以根据UG软件的分析面与面之最小距离的功能测得，且UGNX80可直接观察所定刀具相关参数是否合适。在精加工过程中，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R1大于流道和叶片相接部分的最小圆角半径Rmin， Rmin的大小可以根据UG软件的分析最小半径功能测 得，同时为了增加刀具刚度设定精加工球头铣刀的锥角为2。UGNX8.0可直接观察所定刀具相关参数是否合适。在单个叶片加工时，为了保证刀具不与叶片表面发生干涉，刀具半径应小于加工表面凹处的最小曲率半径1Kmax ，Kmax为整个叶片表面上凹处最大法曲率。 选择特征树中单击起始指令【加工】单击【刀具库】弹出刀具库管理对话框。如图21图21(叶轮加工)一般都是以铣刀的直径和刀角半径来表示，刀具名称尽量和工厂中用刀的习惯一致。刀具名称一般表示形式为“D10”，D代表刀具直径。在刀具库管理对话框中键入正确的数值，刀具定义即可完成。其中的刀刃长度和刃杆长度与仿真有关而与实际加工无关，在实际加工中要正确选择吃刀量和吃刀深度，以免刀具损坏。选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机窗的加工效率，而且直接影响加工质量。CAD/CAM技术的发展，使得在数控加工中直接利用CAD的设计数据成为可能，特别是微机与数控机窗的联接，使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部愉捌算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件。现在，许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题，比如，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等，编程人员只要设置了有关的参数，就可以自动生成NC程序并传输至数控机窗完成加工。因此，数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机窗加工形成鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则，在编程时充分考虑数控加工的特点(a)车削用量 (b)周铣切削用量 (C)端铣切削用量图1-3-1切削用量示意图2.1.5刀具切削用量切削用量表示主运动及进给运动的参数，是切削深度、进给量和切削速度的总称，用来描述切削加工的运动量。铣削加工的切削深度分为背吃刀量和侧吃刀量。1）切削深度 背吃刀量是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上测量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位为mm。如图1-3-1（a），外圆车削时，其背吃刀量ap可由下式计算： 式中 ： dww工件待加工表面直径，单位为mmdm工件已加工表面直径，单位为mm侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，侧吃刀量为切削层深度。切削深度的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：切削余量不大时，力求粗加工一次进给完成，但是在余量较大且工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可多次分层切削完成。当工件表面粗糙度值要求不高时可分粗、半精加工两步加工；当工件表面粗糙度值要求较高，宜分粗、半精、精加工三步进行。2）进给量(1)车削时的进给量是指工件每旋转一周，刀具沿进给方向移动的距离。单位为mmr如图1-3-1（a）(2)铣削加工的进给量f（/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量。对于多齿刀具(如钻头、铣刀)，每转中每齿相对于工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量fZ，单位为mmz。如图1-3-1（b）（c）进给速度F（/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为： （z为刀齿数，n为铣刀转速，单位r /min）(3)进给量的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。3）切削速度 切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为mmin。如图1-3-1（a）（b）（c）当主运动为旋转运动时，其计算公式为=式中:d切削刃上选定点所对应的工件或刀具的直径，单位为mmn主运动的转速，单位为rmin刀具参数表格刀具型号加工类型v（m/min）ap（mm）ae（mm）fz（mm/z）平底铣刀D10粗加工1006-8%d35-40%d0.05-0.1球头铣刀D10精加工200-2500.1-0.20.1-0.20.02-0.22.2基于UGNX80的整体叶轮数控加工仿真校验与后置处理用户可以增加当前使用的机床，给出机床名，定义适合自己机床的后置格式，并根据所用机床选择数控系统。2.2.1生成粗加工刀轨完成加工前的准备后单击工作区域的右边的【操作导航器】指令，操作导航器-程序节次。工作区域中的空白处“右击鼠标”在出现的对话框中选择“几何视图”在出现的窗口中设置刀具，加工路线，参数的设置，在粗加工中应为精加工留有加工的余量为使加工出来的表面更光滑，在粗加工中，底部留1mm的余量，壁余量留0.5mm刀具的切削方式选择【跟随周边】刀具半径选择恒定的，步进距离设置为2mm每刀全局深度设置为1mm切削方向选择向内，完成设置后就可以生成刀路了，生成刀路可能需要一些时间进行计算。在刀路形成后观察刀路轨迹是否有过切或欠切，以便于作一步调整为精加工做好充分的准备，（一次开出）。如图22图22粗加工刀路2.2.2粗加工仿真完成仿真观察加工平面，是否有不理想的表面。如图23图23(粗加工仿真)2.2.3精加工刀轨在精加工的过程中参数的设置与粗加工基本相同，只需要把粗加工留下的余量设置为零，刀路轨迹减小就行了。在完成粗加工的刀路后，在粗加工的基础上做精加工就比较容易了，只要选择合适的加工方法，能把粗加工留下来的余量铣去就行了。精加工刀路，与参数设置。如图24图24(精加工刀路)2.2.4精加工仿真为了检验刀轨的正确性，防止加工中出现过切现象，在设计完刀路后进行仿真加工观察表面的加工效果，使加工更安全，效率更高。对于已经生成的刀具路径 ，可在图形区中以线框形式或实体形式仿真刀具路径，以便于用户直观的观察刀具的运动过程，进而验证各操作参数定义的是否合理。刀具路径验证的可视化仿真是通过刀具轨迹和创建动态毛坯来实现的。如图25图25(经加工仿真)单个叶片的多轴加工程序编制完成后可以利用UG旋转复制功能生成其余叶片和流道的粗加工和精加工程序，此功能可大大缩短程序的编制时间。具体如下 ： 1 )修改程序名称将前面已经产生的流道和叶片的粗加工程序重新命名，名称最好具有一定的次序规律，便于编辑。修改程序