毕业设计（论文）-汽轮机叶片数控加工编程设计及切削参数优化.doc

本科生毕业论文（设计）题 目: 汽轮机叶片数控加工编程设计及切削参数优化 姓 名: 学 院: 南京农业大学工学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 机制54班 学 号: 3315420 指导教师: 职称: 副教授 2009年5月29日南京农业大学教务处制目录摘要 1关键词1Abstract 1Key words 1引言 11课题介绍 21.1课题的主要任务 21.2课题的意义 22汽轮机叶片的结构简介23叶片加工工艺分析33.1毛坯及材料33.2叶片的一般加工工艺33.3汽轮机中压缸第六动叶叶片数控加工工艺分析及设计43.3.1工艺分析43.3.2粗加工43.3.3半精加工53.3.4精加工 53.3.5清根54汽轮叶片数控加工编程设计54.1叶片造型54.2刀具的选择84.2.1刀具材料84.2.2数控加工中常用刀片94.2.3铣刀直径的选择104.3夹具的设计114.4叶片加工切削方式的选择及刀轨的比较114.5 UG数控加工程序后处理144.6变形控制145汽轮叶片数控铣削切削参数的优化 155.1试验方案的设计165.1.1试验条件165.1.2 试验方案 165.2 试验结果分析 175.2.1初步分析175.2.2极差分析175.2.3确定最终的切削参数185.3试验结论196课题总结19致谢 21参考文献 22附图一 （回转夹具图）见附件一附表一 （型面精铣程序）见附件二汽轮机叶片数控加工编程设计及切削参数优化机械设计制造及其自动化 机制54班 罗仕江指导老师 陈光明摘要：对汽轮机叶片型面特征及加工方法进行了分析，综述了叶片数控加工的方法及技术的发展现状，重点论述了叶片数控加工的几项关键问题：叶片造型、叶片加工切削方式的选择及刀轨的比较、后处理等。以表面粗糙度及材料去除率作为数控加工的判断标准，对主轴转速、切削深度、每齿进给量和走刀行距为切削参数进行优化，并对切削参数进行了试验，完成了叶片数控加工铣削参数工艺方案的试验研究，通过极差分析考察了切削参数材料去除率的影响规律，最终得到叶片数控铣削的最优切削加工方案。关键词：数控编程与加工、汽轮机叶片、设计、切削参数、叶片造型The CNC machining programming and cutting Parameters optimization of Turbine bladesStudent majoring in manufacture Design of machinery and automation Shijiang Luo Tutor： Guangming ChenAbstract：The main topic of the paper is the analysis of the characteristics of turbine blades surface and its processing method, and an overview of the methods and the technology development of the CNC machining of the turbine blades, it focuses on several key issues of the CNC machining of the turbine blades: turbine blade modeling, the choices of methods, tool-path comparison and post-processing of the CNC machining of turbine blades. The surface roughness and material removal rate is as the criteria of CNC Machining, We optimize the spindle speed, the depth of cut, feed per tooth and spacing tool and test the cutting parameters, and get the completion of the study of the technology program of turbine blades CNC Milling process parameters, finally, we get the optimal NC milling programs through the very poor analysis of cutting parameters investigated the impact of the law of the material removal rate.Key words: NC programming and manufacturing; machining; steam blade; design; planning of cutting; vane surface structure引言叶片在汽轮机中承担着把蒸蒸的热能转化为机械能的重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一，并且汽轮机中叶片数目多达几千片，如图1所示，由于叶片的构造复杂，加工要求严格，其质量直接影响到机组的运行效率和可靠性。随着数控的发展，为叶片的加工的质量要求提供了保证。数控机床是按编制好的加工程序自动的对工件进行加工的高效高精度自动化设备，数控程序的质量是影响数控机床的加工质量和使用效率的重要因素1。由于数控技术是新新发展的技术，国内数控技术人才欠缺，致使数控加工效率不高，尤其是数控加工中的刀轨及切削参数的选择不是很合理，鉴于此本文采用美国Unigraphics Solutions 公司的一个集CAD、CAE和CAM于一体的计算机辅助机械设计制造系统称对数控编程与及切削参数的选择进行研究，在同一个CAD/CAM环境下，实现汽轮机叶片的三维建模、图形化数控编程、不同的切削方式及不同切削参数生成的刀具轨迹的比较、刀具轨迹的生成、实时加工仿真的方法2，以保证数控加工的质量和效率。图1汽轮机叶片组装1课题介绍1.1课题的主要任务1）叶片参数的获取；2）叶片的三维建模；3）数控加工工艺分析；4）刀具的选择；5）不同方式的走刀路线的对比；6）对选用不同的参数进行对比，对切削参数进行优化；7）完成数控加工程序及进行实际生产。1.2课题研究的目标 通过不同切削方式走刀刀轨的比较，使数控加工编程程序更合理，减少空刀的走刀路线，对切削参数进行优化，选用最合适的切削参数，使这达到最优的加工效率1.3课题研究意义 提高企业的生产效率以及机床的利用效率，以使生产加工能达到优质、高产、低成本。这对生产加工有着实际性的意义。2汽轮机叶片的结构简介 叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其结构型线和工作状态直接影响能量的转换效率，因此其加工精度要求较高。汽轮机叶片结构如图2.1是中压缸第六级动叶叶片。图2.1叶压缸第六级动叶片叶片一般由叶根，叶型部分和叶顶（也称叶冠）组成，叶片通过叶根安装在叶轮或旋转轮上，常见的叶根结构形式有T形、叉形、齿形叶根等3。 图2.2T形叶根 图2.3T形叶根 图2.4齿形叶根叶型部分是叶片的基础部分，它构成气流的通道，或称汽道。叶型部分的横截面称为叶型，其周线称为型线。叶片的叶身是由这些型线拟合而成的光滑的复杂曲面4。较小的叶片的叶型沿叶高方向不变，称为等截面叶片，而较长的叶片，一般采用变截面叶片。3叶片加工工艺分析3.1毛坯及材料叶片的毛坯一般是铸件或精锻而成，留出一定的加工余量，当叶片曲面较小时，也可以直接用方块料开始加工。汽轮机叶片材料模锻件毛坯大多是强度高，硬度大，韧性好，耐腐蚀的不锈钢，如1Cr12ni2W1Mo1v、2Cr11Mo1VNb、2Cr12NiMoW1V，这些都是难加工的不锈钢材料，方钢毛坯多采用耐腐蚀的中等硬度的2Cr13不锈钢材料。叶片叶型曲面的加工方式通常用沿着叶片轴线加工和沿截面型线加工两种加工方案。铸件或锻件通常采用沿沿截面型线回转加工，由于方块料较小，则用沿轴线加工，这样的加工方式效率高。 3.2叶片的一般加工工艺叶片型面分为内弧、背弧、叶根圆角、叶冠圆角、进汽边圆角和出汽边圆角几个部分。由于叶型是光滑连续的曲面，对于铸件或精锻件用一刀成形的方法，生成沿型线连续的刀具轨迹，一次加工出内弧和背弧。对叶根圆角和叶冠圆角，则用侧铣的方法加工。图3.1为叶片加工一般工艺的流程图：图3.1叶片加工工艺流程图3.3汽轮机中压缸第六动叶叶片数控加工工艺分析及设计3.3.1数控加工工艺分析 从叶片产品图（见附图1）可以看出中压缸第六级动叶叶片叶高方向以叶根为设基准，而径向上以内径向为设基准，为了减少尺寸误差，加工时以叶根及内径向面为定位基准以保证加工尺寸。由于型面相对于转子转大1，在型面加工前先加工叶根、叶冠两侧面及内背径向面铣出型面的定位尺寸。数控加工的高效率主要体现在加工工序比较集中，这样能缩短装夹时间。因此把型面及叶冠集中在一道工序里，图3.2为加工中心加工位置。图3.2加工中心中型面及叶冠两侧加工位置由于叶片薄壁零件，很容易变形，为了防止型面的变形，先加工叶冠内径向面及两侧面，减少在加工叶冠时产生的作用力对型面产生扭曲4。图3.3是数控加工工艺流程：图3.3中压缸第六级动叶叶片数控加工工艺流程图3.3.2粗加工粗加工的主要目的是去除多余的毛坯料， 加工出叶型曲面的大体轮廓，为半精加工做准备，同时还可及时发现毛坯料是否出现质量及尺寸问题，在一定程度上降低生产成本。3.3.3半精加工半精加工这道工序要加工出叶片叶型曲面的基本形状， 去除粗加工留下的余量，并给精加工留出少量的加工余量， 为精加工做准备。3.3.4精加工精加工这道工序要加工出叶型的整个型面，过程和半精加工类似，为了保证表面的加工质量，在精加工时只能取较小的行距以消除接刀痕迹，达到表面粗糙度的加工要求。3.3.5清根以上三道工序的加工，主要是加工叶型的曲面，最后还需加工出叶冠圆角、叶根圆角以及叶冠和叶根的内端面。由于叶根和叶冠的内端面是直纹面，所以用球头锥铣刀进行侧铣加工，用它的球头部分加工出叶顶圆角和叶根圆角，用它的侧刃加工出叶冠和叶根的内端面。为提高加工质量，球头半径应等于叶冠或叶根的圆角半径3。4汽轮机叶片数控加工编程设计在数控编程之前，机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都要编入程序，这就要求编程设计人员具有多方面的知识基础，才能正确、合理的编制出零件的加工程序6。图4为数控零件加工程序图。图4.1数控零件加工程序图4.1 叶片造型叶片造型是数控加工的基础, 它是指应CAD/CAM 软件根据叶片的设计数据或实物测量数据生成叶片的三维数字化几何模型。以某汽轮机中压缸六级动叶片为例，它由叶身、叶根、叶冠及阻尼孔组成。叶身界面是具有一定弯度的叶型。各截面的形状和相对位置沿叶高是变化的并存在扭向。叶根是转子叶片与叶轮或旋转轮鼓联结和承力的重要部位，而阻尼孔则是在转子叶片叶冠中部凹出的用于阻尼叶片安装在确定造型方案时，将叶片分为叶身、叶根、叶冠和阻尼孔四部分分别造型 叶片几何造型实质就是要找到一种数学方法来描述叶片曲面，该方法既能有效地满足形状表示和几何设计要求，又便于形状信息和产品资料交换。几何造型用的叶片原始资料是根据流体力学原理计算出来的沿叶高方向上的截面型值离散数据点。 软件可以直接打开Auto CAD里确dwg或dwf格式文件，所以先将设计所提供的叶身的离散点数据在Auto CAD里输入，并用样条曲线将叶身的离散数据点拟合成光滑精确的叶盆及叶背曲线，但此时形成的曲线只是叶背和叶盆两个面的曲线，如图4.2所示，理论上说进出汽边圆角也可以产次性拟合，但在生成实体的过程中往往会造成曲面的不光滑，为了节省数据输入的工作量，在此只需把叶盆、叶背曲线拟合即可。图4.2叶背与叶盆曲线样条在完成所有叶身曲线的输入以后，把所有的叶身截面曲线按叶高方向放置如图4.3所示 图4.3所有叶身曲线按叶高方向放置图并保存为dwg文件格式存储在计算机里为三维建模做准备。使用软件打开dwg格式文件还需要创建修整进出汽边的曲线， 使之成为一个完整的、封闭的曲线。在创建进出汽边的圆弧时， 两边的圆弧与曲线联结不一定很合适， 但可以通过桥接创建进出气边的圆弧，完成叶身截面型线，如图4.4所示图4.4叶身封闭曲线如前所述， 叶片空间各截面的形状和相对位置随叶高是变化的。 在利用中自由曲面成型中的通过曲线组功能将曲线拟成曲面时，每条样条的切线方向必须相同，如图4.5方向不一致，4.5样条曲线的方向不一致否则拟合成的曲面将会发生空间扭曲，生成的实体模型如图3.1.2.4若已经形成方向不一致的曲线，可用分割曲线的方 法，在曲线上重新设立起始点，以改变起始点的方向，之后再进行合并。整个叶片的曲面拟合是在光滑拟合曲线的基础上进行的，大致可分为两个过程。）基本拟合。通过选择叶片曲线，通过这些样条曲线的生成曲面，然后加密曲面网格，以观察曲面上曲率的变化情况。如果叶片曲面曲率变化不理想，需要重新选择样条曲线，再次拟合直到曲面形状比较理想为止。）局部修改调整 如果拟合曲面上出现不光滑的凹凸现象，这时应找出不正常区域附近的曲线，如果方向不一致生成的实体模型会出现空间扭曲现象7，图4.6是方向不一致与修改后生成的实体模型的对比，通过调整拟合该曲线的个别点，重新拟合曲线，曲面。图4.6 UG里生成的实体模型的对比反复观察调整，直至曲面图象满意为止，生成的叶身三维造型图。再通过拉伸把叶根、叶冠生成，最通过拉伸去除材料生成阻尼孔，如图4.7所示完成中压缸第六级动叶叶片三维建模 图4.7 中压缸第六级动叶叶片三维模型4.2 刀具的选择4.2.1刀具材料目前国内处机械加工中常用的刀具材料主要有高速钢、硬质合金、金刚石刀具、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等,切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：P类、M类和K类。根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中数字越大，其耐磨性越低、韧性越高。P类合金(包括金属陶瓷)用于加工产生长切屑的金属材料，如钢、铸钢、可锻铸铁、不锈钢、耐热钢等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。M类合金用于加工产生长切屑和短切屑的黑色金属或有色金属，如钢、铸钢、奥氏体不锈钢、耐热钢、可锻铸铁、合金铸铁等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。K类合金用于加工产生短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，如铸铁、铝合金、铜合金、塑料、硬胶木等。其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。 图4.8粗铣常用铣刀 图4.9切削不锈铣刀粗加工中的目的是为了去余量，根据工件材料选用进给量大、耐磨、导热性好的刀具，图4.8的P类合金刀具，随着金属切削理论的不断发展，刀具行业也得到前所未有进步，图4.9是专为加工不锈钢面设计的，它的刀刃刃口锋利，排尿效果好，耐磨性高。 陶瓷刀具在1200C以上的高温下仍能进行切削，这时它的硬度与200600C时的硬质合金相当。陶瓷刀具与钢的亲合力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能力强，加工表面质量好，正因为如此，陶瓷刀具被广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工，同时陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高210倍，大大提高了切削加工生产效率。氧化铝陶瓷与硬质合金相比，陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐高温和抗粘接性能好以及摩擦系数低，氧化铝陶瓷最适合用于硬而脆的金属材料，如冷硬铸铁，淬硬钢，也可用于大型机械零部件的切削及用于高精度的切削加工；金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用；氧化硅陶瓷刀具有较高的硬度、强度、断裂韧性，硬度可过9193HRA，适合于铸铁，高温合金的粗精加工，高速切削和重切削；赛隆陶瓷刀具可成功用于铸铁、镍基合金、钛合金和硅铝合金高速切削，强力切削，断续切削加工，是调整加工铸铁和镍基合金了理想刀具材料8。4.2.2数控加工中常用刀片高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并具有优异的力学性能、热稳定性、抗冲击和耐磨损，这样才能提高加工生产效率。为了保证加工质量，在目前的高速加工中常用数控可转位的机夹式刀片，图4.10是当前数控加工中常用的数控铣刀刀片， 图4.10数控加工中心常用刀片合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供加工的材料及加工条件，来配备相应牌号的硬质合金刀片。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便,刚性好,耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中,平面零件周边轮廓的加工,常采用立铣刀，图4.11常用的立铣刀铣削平面时, 应选硬质合金刀片铣刀，加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀，加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀，对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工, 常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在进行自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,因此,为保证加工精度,切削行距一般取得很精密,故球头常用于曲面的精加工。在加工叶片型面时，由于其结构复杂常采用图4.10的圆刀片 而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀,因此,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀另外,刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大,必须引起注意的是,在大多数情况下,选择好的刀具虽然增加了刀具成本,但由此带来的加工质量和加工效率的提高,则可以使整个加工成本大大降低。在加工中心上,各种刀具分别装在刀库上,按程序规定随时进行选刀和换刀动作。图4.11常用立铣刀4.2.3铣刀直径的选择立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸，并保证刀具所功率在机床额定功率范围以内，如果是小直径立铣刀，则应考虑机床的最高转数能否达到刀具的最低切削速度（如80m/min）.数控机床或加工中心上用的立铣刀一般有3种形式，分别为球头刀（D=R）、平底刀（R=0）（也叫端铣刀）和圆角刀（DR）（有的称为“牛鼻刀”），其中D为刀具直径，R为刀角半径，如图4.12所示。 球头刀 平底刀 圆角刀图4.12常用铣刀在选定刀片后，应根据机床的实际性能合理选用刀具的直径即是刀杆直径，加工叶片时常用刀杆直径有25、32、35、64等，为了达到最大生活效率，在满足加工要求的条件下尽量选用大直径的刀杆。在实际的生产加工中，按机床的规格选用刀柄，如北京机电院股份有限公司生产的XKH系列机床就有专用的刀柄，如图4.13所示，因此必须采用图4.13XKH机床专用刀柄标准刀柄,以便使钻、扩、镗、铣削等工序用的标准刀具,迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整范围,以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG 工具系统,其刀柄有直柄和锥柄两种,共包括16种不同用途的刀柄。在经济型数控加工中,由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行,占用辅助时间较长,因此,必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则: 1） 尽量减少刀具数量； 2）一把刀具装夹后, 应完成其所能进行的所有加工部位；3） 粗精加工的刀具应分开使用, 即使是相同尺寸规格的刀具；4）先铣后钻；5） 在可能的情况下,应尽可能利用数控机床的自动换刀功能,以提高生产效率等。4.3夹具的设计在数控加工中，夹具是影响加工效率产另一重要因素，因为在选择刀具、切削参数时都要把夹具考虑在内，数控铣削加工一般不要求很复杂的夹具，只要求有简单的定位，夹紧机构就可以了。一般对数控铣削夹具有以下几点要求：1）为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标尺寸联系。2）为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止与铣床主轴套筒或刀套，刃具在加工吕发生碰撞。3）夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度6。结合以上几点对夹具的要求，对中压缸第六级动叶所做的回转夹具如图4.14所示：采用叶根齿面及侧面定位。 图4.14中压缸第六级动叶所做的回转夹4.4叶片加工切削方式的选择及刀轨的比较叶片通常是自由曲面,加工方式有行切和环切。如图4.15所示，近年来,为适应高速切削而产生的螺旋式走刀方式是一种更高质、高效的叶片多轴加工方法。螺旋式走刀方式的特点是,切削轨迹为一段整体光顺的轨迹,不分切削行,只有一次进刀和退刀轨迹,无横向进刀进刀。文献9详细论述了叶片螺旋轨迹的构造方法。高速螺旋铣的优点是,在加工叶身的过程中,刀具运动轨迹保持连续,在缘头等曲率变化剧烈的加工区域,可以通过算法修正刀位点或刀轴,保持机床的高速旋转,显著提高叶片的加工质量。文献10设计了叶片螺旋铣高速切削多轴编程算法。在选切削加工方式时，还要看毛坯料是方钢还是铸件或是模锻件，中压缸第六级动叶叶片的毛坯是模锻件，如果采用行切，就要采用两次装夹，分内弧、背弧两次铣削，图4.16是内弧型面的切削轨迹，采用行切这种加工方式，工序比较分散，占用的装夹时间比较长，同时型面进出汽边圆角不能同时加工，不符合高速加工的要求，图4.17是型面环切回转螺旋铣削轨迹。 行切方式 工件旋转螺旋环切图4.15切削方式 图4.16工件行切铣削内弧型面的切削轨迹，图4.17型面环切回转螺旋铣削轨迹从图4.16与图4.17看采用行切抬刀过程比较多，这很明显不符合高速加工的要求，高速加工体现的是高效的加工效率，抬刀过程太多，很容易产生振动，影响刀具的受命，同时还不能保证切削加工的表面粗糙度的要求，进刀时很容易产生接刀痕迹。用环切加工只有一次进退刀过程，在加工过程中不抬刀，可避免振动的产生，大大提高了刀具的寿命，这在当代的高速加工中应用广泛。所以采用环切螺旋加工是比较合理的选择，这不仅能保证加工表面质量，同时在加工时可一次性装夹加工叶身及叶冠，集中了多道工序，在提高加工效率的同时还保证了机床的使用效率。如图4.18某汽轮机第十七级叶片叶片尺寸较小，有效汽道长度为217mm,像这样较小的叶片毛坏料大多是方钢料，最大厚度较小，采用环切叶片易产生变形，这就很适合于行切，采用开模具的方法进行切削加工，有效的提高了切削加工效率。切削刀轨如图4.19所示。 图4.18 第17级动叶叶片模型 图4.19第17级动叶行切切削刀轨不管采用哪种加工方式,刀具轨迹计算都是相当重要的,包括切触点轨迹的计算和刀位点的计算。曹利新等在得到叶片曲面的直纹化表达式后,较为全面地研究了叶轮加工中刀具路径规划方法,给出了确定球头刀刀心位置和计算残留误差的 2种迭代算法,但其计算繁杂,不易理解 。在数控加工领域,目前对自由曲面四坐标加工的研究较少, 一般仅限于某些特殊曲面,如自由旋转曲面和直纹面。吴宝海等针对自由曲面叶轮的四坐标加工,提出了一种刀轴矢量的确定方法,并可计算相应的侧偏角,从而可将五坐标加工的理论和方法直接应用于四坐标加工中11。4.5后处理不同的生产厂家有不同的数控指令，并且不同的数控系统数控指令也不一样，这就要求编程人员对实际生产中所用的数控机床及数控系统特别的熟悉，这样后处理自动生成的程序才能用于生产，UG软件为用户提供了后处理编辑器，可以根据不同的产品编辑适合的后处理文件，UG自带的后处理文件自动生成的NC代码很多时候是不能满足用户的需求，这就要求用户自己编译一个后处理文件，这里就已生成后处理文件进行NC代码后处理，对于后处理文件的编辑相关的软件编辑里有很多资料可以借鉴。在UG里的后处理过程，通过以上刀位点的生成，就可以直接进行后处理。在加工操作工具条中单击【后处理】图标，或选取主菜单【工具】/【操作导航器】/【输出】/【NX后处理】命令，打开后处理对话框，如图4.20，在可用机床中选取一种机床。通过浏览按钮选取存放NC文件的文件夹，输入NC文件名。在单位下拉列表框中选取输出单位。如果希望在输出过程中通过信息窗口显示输出的数据，则需在列出输出前打钩，但是会降低输出速度，如果数据不是太大可以选取12。单击应用按钮，等待一会，完成输出，生成NC文件。图4.21是生成的部分程序。完整程序见附表一4.20后处理对话框 图4.21后处理部分程序4.6变形控制加工变形是影响薄壁叶片数控加工效率、精度和传统的叶片制造工艺是表面质量的关键性制约因素，叶片精加工余量采用手工抛光方法去除。而美国等西方发达国家在 20世纪90年代已将精密数控加工技术用于叶片制造，叶片无需人工去除余量。刘维伟等在分析钛合金叶片结构和工艺特点的基础上，提出了叶片的精确定位方案以及支撑叶片并控制弹性变形和残余应力变形的有效方法，如用辅助支撑消除切削抗力变形；以溶化的非金属溶液灌输在叶片下，溶液冷却后和叶片紧密贴合，来承受加工过程中的切削力；采用热处理、数控切削工艺等措施消除加工变形。该技术已成功用于航空发动机钛合金风扇叶片无余量数控加工之中。此外，采用合理的加工方式也可以达到减小加工变形的效果，如采用螺旋加工方式进行加工。螺旋式走刀轨迹是回绕叶片的加工方法，由于回绕式加工是对称加工，因此可以使翘曲变形大大减小。工序的安排对叶片变形有着重要的影响，比如先加工型面再加工叶根、叶冠，加工过程中产生的切削力及装夹易对型面产生变形。目前，国外已研制并开发了叶片五坐标螺旋加工专用机床，以及包含在机床数控系统中的专用螺旋加工算法。采用该方法可以快速完成典型叶片的叶身加工，其加工效率和加工质量均明显高于普通机床。这对解决叶片加工变形有着质的飞跃，随着制造的国际化，国内多数叶片生产厂家都采用五轴数控螺旋加工专用机床13。5、切削参数的优化切削参数的合理选择对加工效率的提高和加工成本的降低具有实际意义。工艺参数及其相应获取手段的缺乏直接制约了我国数控机床的应用与推广。一方面 ，切削工艺参数数据的严重缺乏会在一定程度上制约数控机床性能的充分发挥；另一方面 ，由于工艺参数选用不当等原因经常导致机床精度降低和机床结构的严重损坏。数控加工过程仿真和优化技术是获取最新切削参数数据的最佳途径之一。利用一般的切削试验方法获取合理或优化的切削参数数据不仅时间长、而且成本高，而利用现代切削过程仿真和优化技术可以在少量试验的基础上借助于合理的数学模型、工程分析和仿真等先进手段快速获取理想的切削参数数，切削用量的选择是决定加工效率和表面加工质量最主要的因素，在加工中应合理的进行选用,选择切削用量的主要原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本14。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。具体要考虑以下几个因素:1）切削深度ap 在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量,这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。2）切削速度v 提高v也是提高生产率的一个措施,但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大，刀具耐用度急剧下降,故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外,切削速度与加工材料也有很大关系，表4.1摘录部分针对不同刀具不同的切削材料所选用的切削速度，一般在刀具样本中有选用刀片的推荐切削速度值,使用者可根据被加工工件的材料进行选用,机床说明书推荐的切削速度值都较大,建议选用时可适当减少。3）主轴转速 n(r/min) 主轴转速一般根据切削速度v与刀具直径来选定。计算公式为：v=n/dn 。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关,可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。4）每齿进给量vf vf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。vf的增加也可以提高生产效率。但表面粗糙度会大大降低,因此在粗加工和加工表面粗糙度要求低时，vz可选择得大些。精加工一般要根据表面粗糙度值选取,现在数控机床都设有进给倍率修调旋钮,编程时可设置大一些,在加工过程中,根据具体加工状态通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整,但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制15。表5.1刀具切削速度V的选择表 刀具材料 TiCN 粉末 TiCN涂层 V(m/min) 高速钢 涂层 高速钢 硬质合金 硬质合金 高速钢 工件材料及硬度结构钢 35Cr,40Cr HB(175) 3035 3545 3040 4550 5060碳素钢 45，T7 HB（225） 2530 3040 2535 3045 4055工具钢 Cr12， HB（325） 1015 1525 1020 1525 2045 Cr12Mo1V1 HB(325)耐热钢、2Cr23Ni13 HB(375) 812 1520 1015 1520 2040高合金钢 0Cr25Ni20 HB(375)不锈钢 2Cr13，3Cr13 HB(210) 1520 2030 1525 2030 2540马氏体 4Cr13 HB(210)不锈钢 奥氏体 1Cr18Ni9 HB(187) 1015 1525 1020 1525 2035不锈钢 0Cr18Ni9 HB(187)铜 4060 6080 4070 6090 80110铝铸件 6080 80120 6090 90140 110180 5.1试验方案的设计5.1.1试验条件试件材料为2Cr13不锈钢，汽轮机叶片型面加工，用乳化液进行冷却。加工机床为XKH800五轴数控立式加工中心，数控系统采用西门子840D系统。机床加工范围：B/C两个旋转轴和X/Y/Z三个线性轴分别为40/360和1250mm/400mm/400mm，B/C两个旋转轴移动速度分别为：max90r/min/12r/min，X/Y/Z三个线性轴移动速度为15m/min。主轴转速6010000r/min，最大回转半径220mm，最大装夹长度800mm,最大装夹重量200kg17。该机床采用的是HSK63A系列高速刀柄；刀柄型式：HSK63A，刀杆直径d=25两齿牛鼻刀，刀片型号:RPMV1003M0,刀片材料：JC5030，刀片厚度3.18mm,刀片直径10mm。加工要求表面粗糙度达到3.2m。由于实习单位条件的限制，表面粗糙度根据技术员的经验进行判断；切削效率以材料去除率为衡量标准，即单位时间材料的去除体积。5.1.2 试验方案 本次实验的目的是分析高速加工时，不同的切削参数对零件表面质量及材料去除率的影响，因此以材料去除率为主要指标，以表面粗糙度为参考，以主轴转速A（r/min）、切削深度B（mm）、每齿进给C(mm/z)、走刀行距D（mm）这四个切削参数为因素，首先进行单因素试验，在单因素试验的基础上，对切削深度、主轴转速、每齿进给量和走刀行距各选取3个水平，如表5.2试验因素水平表所示，采用正交实验设计方法进行试验设计。表5.2试验因素水平表 切削参数水平 切削深度A 主轴转速B 每齿进给量C 走刀行距D （mm） （r/min） (mm/z) （mm）1 0.15 3500 0.05 0.32 0.30 4000 0.06 0.43 0.45 4500 0.07 0.5 根据所确定的4个因素和3处水平表，选用正交表L9（34）并制定试验方案，试验结果如表5.3所示。粗糙度以模拟加工后5次测量表面最高点与最低点的差值的平均值作为结果与；切削效率用材料的体积，除以切除该体积时所用的时间即可。 表5.3 L9（34）正交试验设计及结果试验序号 A B C D /（mm3.min-1） Ra/m1 1 1 1 1 15 1.2012 1 2 2 2 28 1.6893 1 3 3 3 47 2.8034 2 1 2 3 63 4.0325 2 2 3 1 50 1.1306 2 3 1 2 54 2.5217 3 1 3 2 88 2.4138 3 2 1 3 90 2.6749 3 3 2 1 72. 1.3265.2 试验结果分析5.2.1初步分析 通过试验所得数据可以直接比较出3号试验切削效率最高，方案为A1B3C3D3，其次是9号试验，方案为A3B3C2D1；而表面粗糙度最高的是5号试验，方案为A2B2C3D1，其次是1号试验，方案为A1B1C1D1。经过初步分析，第9号试验切削效率较高且表面质量较好。是一组较好的试验方案。通过比较选用9号试验进行实际加工，模拟加工效果图如图5.2.1.1所示，加工表面质量较好，实物生产加工如图5.2.1.2所示，能满足产品的要求。 图5.2.1.1试验模拟加工效果图 图5.2.1.2实际生产加工效果图5.2.2极差分析进一步采用方差分析法，分析各因素对表面粗粮度和切削效率这两个指标的影响程度。根据试验结果分别对两个指标单独进行分析，计算各因素的方差，结果如表4.2.2.1所示 由表4.2.2.1可以看出，影响切削效率的各因素极差关系为RARDRCRB，即各影响因素的主次顺序为：切削深度A走刀行距D每齿进给量C主轴转速B，影响表面粗糙度的各因素的极差关系为RDRBRARC，即各影响因素的主次顺序为：走刀行距D主轴转速B切削深度A每齿进给量C。 如果只考虑切削效率，应选取各因素最大k所对应的水平为最优方案，由表4.2.2.1可知，最优方案为A3B3C3D3；如果只考虑表面粗糙度的要求，则应选取各因素最小k值所对应的水平方案为最优方案，由表4.2.2.1可知，最优方案为A1B2C1D1，应根据实际加工要求的需要，在满足表面粗糙度要求的情况下，选用最大的切削效率。 由于A3B3C3D3与A1B2C1D1都不在正交试验表4.1.2.2，经对其进行模拟试验及实物加工都能满足加工的要求。方案A3B3C3D3的切削效率为147mm3/min-1,表面粗糙度在加工模拟软件里测得为2.684m，虽说表面不是很光滑，但也在加工范围内，方案A1B2C1D1的表面粗糙度在加工模拟软件里测得为1.206m，较9号试验好。5.2.3确定最终的切削参数因此，通过极差分析法对表面质量与切削效率两个指标的考察，可以确定满足试验粗糙度要求并且切削效率最高的水平组合是A3B3C3D3，即切削深度0.45mm，主轴转速4500r/min-1,每齿进给量0.07mm/z，走刀行距0.5mm。该方案可以达到试验粗糙度的要求，且切削效率最高，符合企业优质、高产、低成本的生产加工要求。表4.2.3.1 L9（34）正交试验设计及结果 试验结果试验序号 A B C D /（mm3.min-1） Ra/m1 1 1 1 1 15 1.2012 1 2 2 2 28 1.6893 1 3 3 3 47 2.8034 2 1 2 3 63 4.0325 2 2 3 1 50 1.1306 2 3 1 2 54 2.5217 3 1 3 2 88 2.4138 3 2 1 3 90 2.6749 3 3 2 1 72 1.326K1 90 166 132 135K2 167 168 158 170K3 250 173 163 200 k1 30 55.3 44 45 k2 55.7 56 52.7 56.7 k3 83.3 57.7 54.3 66.7 R 53.3 2.4 10.3 21.7Ra K1 5.693 7.646 5.048 3.687K2 7.683 5.493 7.074 6.623K3 6.413 6.65 6.607 9.509k1 1.897 2.549 1.683 1.229k2 2.561 1.831 2.358 2.207k3 2.138 2.217 2.202 3.170 R 0.664 0.712 0.519 1.9415.3试验结论 通过极差分析法考察了4个切削参数对表面质量与切削效率的规律，最终确定了保证表面质量与切削效率的最优切削加工方案。通过试验得也以下结论：1) 影响切削效率的各因素主次关系为：切削深度A走刀行距D每齿进给量C主轴转速B，切削深度影响最大；影响表面粗糙度的各影响因素的主次顺序为：走刀行距D主轴转速B切削深度A每齿进给量C。走刀行距影响最大。2) 最优加工方案的水平组合为方案A3B3C3D3的切削效率为147mm3/min-1,该方案的切削效率最高，并且能保证表面粗糙度的要求。6课题总结 通过上文的叙述，在数控加工中，数控编程及切削参数的选择对产品质量及机床的利用效率有着重要的影响。这就对编程人员提出很高的要求。 首先，一个合格的编程人员要是一个合格的工艺人员，工艺安排得不当不仅影响加工效率，还大大降低机床的利用率。所以编程人员要对工艺十分的熟悉。 其次，编程人员对加工材料的性能也要有所了解，不同的加工材料选用不同的加工方法，同时根据不同的加工材料合理的选择加工所用的刀具以及切削参数。 再次就是编程人员对实际生产所用刀具更要认识，这样才能更好安排加工工序，工序的安排对加工效率的影响也是十分显著的，工序安排得不当，换刀过程太多，不仅影响切削加工效率，同时还会影响产品的质量及生产成本。 还有就是夹具的设计，夹具设计的好坏对于生产效率有着重要的影响。 总之，对于编程人员来说，要编出高效率的程序就要有很强是综合能力知识。 对于数控加工中心来说，加工的产品都是复杂的曲面，并且把在普通铣床上加工的工序集中起来加工，在理论上来说，手工编程是可行的，但在实际生产中这是行不通的，曲面越复杂，手工编程需要大量的工作，同时还容易出错。正因为如此，自动编程软件应运而生，当前广泛应用的自动编程软件有UG、Pro/E、MasterCAM等等，这里主要对UG加工模块进行说明。 在UG加工模块里应选用不同的加工方式，对于平面可供选择的加工方式如图6.1所示 图6.1平面加工方式的选择 图6.2轮廓加工方式的选择 图6.3多轴加工方式的选择在平面加工方式里，通常选用第一种加工方式FACEMILLING，之后的加工方式都是在第一种加工方式里派生出来的，平面加工主要针对刀轴垂直加工面的加工。图6.2为轮廓加工方式，与平面加工方式一样，大多都用CAVITYMILL加工方式，它可以加工平面加工不能加工的零件。对于图6.3多轴加工方式，主要对对四轴或四轴以上的回转加工，可以加工复杂的曲面，对于汽轮机叶片的加工，大多都采用多轴加工。采用合适的切削方式有利于加工效率的提高。 在汽轮机叶片数控编程中，需要注意事项有：1）工艺设计 工艺的质量直接影响汽轮机叶片的加工效率，要对产品图仔细的分析，充分发挥数控机床的功效，一方面有利于保证加工质量，另一方面能提高数控机床的使用效率，一次性装夹加工多个部位。由于集中了多道工序，在数控加工中工序的安排显得十分重要，在保证加工质量的同时，尽量减少换刀，集中一把刀加工工序。2）三维建模 叶片曲面都是复杂的曲面加工，程序 采用自动编程软件生成，三维建模尤其重要。在数控加工中，产品的尺寸精度靠程序保证，所以，要按理论值进行三维建模，这样在自动编程时才不会出现奇异的轨迹。毛坯尺寸要与实际的毛坯相符，减少空刀的产生。3）刀具的选择 应根据不现的加工材料选用不同材质的刀具或刀片，在数控加工中，合理的选择刀具有利于降低加工生产成本。粗加工中，加工余量较大，在不出现过切的情况下，选用大直径刀杆以提高刀具的刚性，精加工中，主要保证叶片尺寸精度，选用较小刀杆直径。在加工汽轮机叶片型面时，采用刀具寿命长的刀片，在加工过程尽量不要转刀片，以保证加工型面是一个光滑的表面，用提高加工效率来降低生产成本。4）夹具的设计 汽轮机叶片数控加工夹具的设计要求，根据产品加工要求合理选用定位方式及夹紧装置，便于在机床上定向安装，有利于程序的调试。加工时不能出现刀轴与夹具的干涉，同时还要保证夹具的刚性与稳定性以使加工的产品质量一致。5）切削参数的选择 根据加工要求合理选择切削参数对生产有质的意义，通过上文的试验得出，如果追求表面粗糙度质量，应采用较小的走刀行距，较高的转速，较大的每齿进给量，这里把它称为“快速小步走”。如果是为了提高加工效率，就应采用较大的切削深度，较大的走刀行距，在最短时间内去除余量。6）切削方式的选择 应根据不同和毛坯选用不同的切削方式，以便生成合理的加工程序，同时还要注意进、退刀的设置，以减少刀具的磨损及操作工件7）程序的编辑及调试 自动编程软件生成的程序要通过编辑才能用于实际机床的加工，这就要根据实际的机床进行编辑。在程序调试时，为了安全起见，在Z轴方向上要抬刀进行试切，要注意观察进、退刀的位置，以便程序的编辑，同时避免撞刀，损伤刀具及工件。 在数控编程过程中，要综合考虑以上几点因素，才能编出高质量的程序，以利于生产成本的降低。致谢：在这里我要特别感谢我的指导老师陈光明老师，在论文设计过程中他给予我精心的指导，让我从设计中使理论知识在实际生活中得到了应用，让我在设计过程中体会到从理论到实际，再从实际到理论之间的衔接，增强了自学的能力。同时还要感谢实习单位无锡鼎元精工机械有限公司的技术员吴林江、杨锋他们，在设计过程中遇到了实际生产问题，他们给我详细的解答，同时通过向他们学习，能更好的发现实际生产中存在的问题及解决的办法，使我能更好的适应实际的生产。参考文献：1乐英，韩庆瑶，王璋奇.基于密切曲率法的汽轮机叶片数控加工J,汽轮机技术2007年2月2苏莹，郭旭伟.基于UG的汽轮机叶片数控加工编