毕业设计（论文）-整体叶轮复杂曲面造型及数控加工仿真.docx

南昌航空大学学士学位论文整体叶轮复杂曲面造型及数控加工仿真全套图纸加扣3012250582 摘要：整体叶轮是涡轮式发动机的核心部件,它在航空航天、石油化工、冶金、国防等行业中均有广泛应用,是具有代表性的,且造型比较规范的、典型的曲面复杂类零件。本文在国家重大专项“航空航天典型零件高速多轴联动加工技术”的支持下,重点对整体叶轮的数控加工技术CAD/CAM及仿真技术作了深入的研究,目的是实现整体叶轮的五轴联动数控加工,优化切削参数,提高叶轮等复杂曲面零件加工质量。首先,在UG环境下,对整体叶轮进行参数化建模,研究整体叶轮多轴数控加工工艺流程,解决了整体叶轮数控加工的几个关键工艺问题：毛坯的装夹、编程零点的设置、加工刀具的选择、切削参数的优化。利用UG仿真软件,进行切削仿真,解决切削过程中的过切、干涉等问题,得到整体叶轮的切削效果图。在五轴加工中心上,对整体叶轮进行了实际试切加工,不断优化切削参数和降低影响因素,提高工件加工的表面质量。最后,运用正交实验法和极差分析法,对不同的切削参数组合方案下得到的表面粗糙度进行极差分析,研究切削参数对整体叶轮的表面粗糙度的影响,得到最优的切削参数组合,对提高整体叶轮的加工技术水平具有一定的指导意义。关键词：叶轮 UG 建模 仿真 指导老师签名：complex surface modeling and numerical simulation mechanic of the Integral impeller Student Abstract：The integral impeller is the key part of the turbine engine, whose form is standard and it is a typical surface complex-type part。It is widely used in aviation, petrochemical industry, metallurgy, national defense and other industries. In order to realize the 5-axis CNC machining of integral impeller, optimization of cutting parameters and improving processing quality for complex surface parts, With the support of national key special project, that is the machining technology of the typical components of aerospace high-speed multi-axis, the CNC processing technology of integral impeller that is CAD/CAM and simulation technologies is deeply researched in this thesis.Firstly, in the UG environment, the parametric modeling for the overall impeller was established, and the technological process of the impeller for multi-axis CNC machining was investigated. The key technology problems of CNC machining for the integral impeller was resolved, such as the selection and clamping of the blank, programming zero setting, the selection of the cutting tools, the setting of the cutting parameters.Using UG simulation software for cutting simulation, the problems of over-cut and interference in the cutting process were resolved, and the machining effect graph of the impeller was obtained. In the five-axis machining center, the actual try cutting for the impeller was carried out, by constantly optimizing the cutting parameters and reducing the impact factors to improve the surface quality.Finally, by orthogonal experiment and range analysis, the surface roughness obtained in different cutting parameter combinations were analyzed by the range analysis mode to study the cutting parameters influence on the surface roughness of the integral impeller, and the optimal cutting parameters combination was found out, which will have introductive significance for improving the machining level of the integral impeller.Keyword：impeller UG establishe simulationSignature of Supervisor:毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：整体叶轮复杂曲面造型及数控加工仿真II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：本课题旨在完成整体叶轮三维造型及工艺规程设计1原始资料：整体叶轮外形尺寸及其技术要求，生产批量为小批量生产2使用通用CAD/CAM软件绘制整体叶轮图纸并制定工艺规程3 使用通用CAD/CAM软件建立整体叶轮三维CAD模型，并完成零件数控加工工艺规 程。4撰写毕业论文III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1.查阅资料，撰写开题报告 2015.1.12-2015.1.16（1周）2. 英文资料翻译（6000字符） 2015.3.2-2015.3.6（1周）3. 整体叶轮零件图纸 2015.3.9-2015.3.20（2周）4完成整体叶轮零件三维CAD建模 2015.3.23-2015.4.17（4周）5. 制定工艺规程与数控加工工艺 2015.4.20-2015.5.8（3周） 6.撰写毕业论文 2015.5.11-2015.5.29（3周）7.答辩准备及毕业答辩 2015.6.1-2015.6.19（3周） 、主 要参考资料：1张洪兴等.数控机床编程、操作、维修，北京：航空工业出版社，2001.10.2 曾向阳，谢国明. UG NX基础及应用教程（建模、装配、制图）. 北京：电子工业出版社， 2003.3 盛晓敏等. 先进制造技术，北京：机械工业出版社，2000.9.4 朱光力主编.模具设计与制造实训.北京：高等教育出版社，2004.85 F.BACKS. Concurrent manufacturing of parts and tools for the sheet-metal Industry. Intelligent Manufacturing(1998)9,347-352.6冲模设计手册编写组.冲模设计手册.北京：机械工业出版社，1995 航空制造工程学院 机械设计制造及其自动化 专业 110315 班学生（签名）： 日期： 自 2015年 1月 12 日 至 2015 年 6月 19 日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)： 附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 目 录1 绪论11.1 数控加工技术概论11.2 现代制造技术的发展趋势12 曲线曲面基本知识32.1 曲面造型概述42.2 自由曲面造型技术概论42.3 B样条曲线的基本性质52.3.1 B样条的定义52.3.2 B样条曲线方程52.4 B样条曲线的性质62.5 自由曲面零件造型基础72.5.1 自由曲面造型原理72.5.2 双三次B样条曲面的性质73 整体叶轮三维造型研究83.1 叶轮原始造型数据93.2 创建叶轮103.2.1 创建文本文件103.2.2创建样条曲线113.2.3 创建曲面123.2.4 生成轮毂曲线和裁剪曲线133.2.5 建立轮毂回转体143.2.6 修整叶片与轮毂143.2.7 建立其他的叶片153.2.8 建立整体叶轮154整体叶轮的数控加工工艺研究164.1 整体叶轮零件数控加工工艺设计164.1.1 选择材料和确定毛坯164.1.2 选择定位基准164.1.3 拟定加工路线174.1.4 确定工序具体内容174.1.5 数控加工工序的定位装夹设计185 整体叶轮曲面造型仿真205.1打开模型文件并进入加工模块205.2创建程序205.3 创建几何体205.3.1.创建机床坐标系和安全平面205.3.2 创建部件几何体215.3.3 创建毛坯几何体225.4 创建刀具1225.5 创建刀具2225.6 创建工序1235.6.1插入操作235.6.2 指定切削区域235.6.3 设置驱动方法235.6.4 设置投影矢量和刀轴245.6.5 设置切削参数245.6.6 设置非切削移动参数245.6.7 设置进给率和速度245.7 生成刀路轨迹并仿真275.8 创建工序2285.8.1 插入操作285.8.2 指定切削区域285.8.3 设置驱动方法285.8.4 设置投影矢量与刀轴305.8.5 设置切削参数315.8.6 设置非移动切削参数315.8.7 设置进给率和速度315.9 生成刀路轨迹并仿真315.10 创建工序3315.11 生成刀路轨迹并仿真335.12 变换刀路轨迹一335.13 变换刀路轨迹2345.14 变换刀路轨迹3355.15 整体2D仿真355.16 保存文件365.17 生成加工代码366 结论39参考文献401 绪论1.1 数控加工技术概论在电子、信息等高新技术的高速发展和市场需求个性化与多样化的时代，未来先进制造技术发展的大致方向是朝着精度化、柔性化、集成化、网络化、虚拟化、智能化、集成化、清洁化、集成化、全球化发展。制造业要想实现这些先进制造技术，数控技术是其基础，而衡量国家工业现代化和体现国家综合国力水平的重要指标之一是数控技术水平的高低和拥有数控设备的拥有量.1.2 现代制造技术的发展趋势当前是知识经济的时代，我国已经把制造业作为新世纪的重要战略产业，也将面临着艰巨的挑战和面临一场深远的技术改革。在传统的制造技术基础上，先进制造技术不断发展，它代表着制造技术发展的前沿，且对制造业的发展将产生巨大的影响。当前先进制造技术的发展大致有以下特点：(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合随着信息技术朝着制造技术的注入和融合，不断促进着制造技术的发展。它为制造技术的技术含量提高，也为传统技术发生质的变化，促使了加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化全球化提供了技术支撑。依托信息技术的发展，各种先进的制造模式有如雨后春笋般不断涌现出来，（敏捷制造、精益生产、CIMS并行工程、虚拟企业与虚拟制造等）。(2)计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程分析（CAD/CAM/CAE）随着信息技术的数字化，过去靠制图员手绘出零件图纸的时代已将终结，而现在制图员结合CAD/CAPP/CAM/CAE技术，绘制出来的图纸不仅清晰而且不浪费纸张。CAD/CAPP/CAM/CAE技术的广泛使用，特别是发达国家的大型企业，来实现一个全套数字化设计。在产品设计开发中，采用数字化技术，提升了一个企业自主研发产品的能力和产品的档次，无形中提高了企业对市场的快速响应能力和应变能力。企业在内部通过局域网来实现并行工程和在跨地区通过Internet建立一个虚拟企业来实现资源优化配置和资源共享。互联网辅助制作越来越得到企业的信赖，也使制造业的方向也朝着发展。(3)加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展（1）超精密加工技术 超精密加工技术是为了获得被加工件的形状尺寸精度和表面粗糙度均优于亚微米级的一门高新技术。超精密加工技术的加工精度由红外波段向可见光的紫外波段趋进。就最先进的机床来说，表面粗糙度可达0.045微米，加工精度可达0.025微米，已进入纳米级加工时代。美国为适应航空、航天等尖端技术的发展，已研制开发出多种数控超精密加工车床，最大的加工直径可达1.63米，定位精度为28纳米（10-9m）。（2）超高速切削 当前在超高速数控机床的切削环境中，铝合金切削速度已超1600m/min，超耐热镍合金为300m/min，铸铁为1500m/min，钛合金200m/min。超高速切削的发展方向已转移到一些难加工材料的切削加工。现代数控机床住宅的最高转速可达到10000到20000r/min，采用高速内装饰株洲电动机后，使主轴直接与电动机连接成一体，可将主轴转速提高到400000到50000r/min。（3）新一代制造装备的发展 新材料、新技术、新产品不断地推陈出新再加上市场竞争日益加剧使得新型加工设备的研发周期大大缩短。(4)工艺研究有“经验”走向“定量分析”随着计算机技术以及模拟技术的发展，先进制造技术通过吸收引进这两门技术后得到了快速的发展。以往靠”经验判断”传统工艺研究已从历史的舞台慢慢衰退，而今的”定量分析”工艺研究已成为行业内的宠儿。加工工艺从技术已有可能成为一门工程科学。(5)虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两部分。虚拟制造技术与传统制造模式相比，无论从产品设计、试制、修改设计以及规模化生产方面都略胜一筹。在一个产品要进行大批量生产之前，首先要考虑样品如何生产出来，如果采用传统的硬样品（Hard Prototyoe）试制样品既废材料又增加产品研发周期，而采用生成软产品原型（Soft Prootype），在虚拟环境中生产出所需样品大大缩减研发周期，经济效益高并且对产品进行性能测试会更加直观。未来的制造业发展趋势更趋向于虚拟制造技术虚拟企业通过信息高速公路，快速的组建成一个合作实体经济。在涉及到产品问题上，相关企业通过计算机相互沟通和协调，不必像以往公司派人员出差才能把问题解决，既可以降低公司成本又可以避免地域上的约束，无形中把问题给解决了。各企业统一指挥产品的生产制造在一个合作经济实体机构。时间就是金钱，企业不会花费过多的精力在旅途中况且通过计算机网络，信息的快速传递，大大适应了市场需求。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永性，即功能的虚拟化、地域的虚拟化、组织的虚拟化。 2 曲线曲面基本知识2.1 曲面造型概述 曲面造型的工作环境是在计算机制图系统下完成对曲面的设计和修改，它已成为计算机辅助几何设计以及计算机图形学的一项重要内容。它起源于汽车、飞机、船泊、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师与二十世纪六十年代奠定其理论基础，如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲线参数化特征设计和隐式袋鼠曲面表示这两类方式为主体，以差值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论体系。曲线曲面的表示从美国波音公司Ferguson参数三曲线，到美国麻省理工学院的Coons参数三曲线，到法国的Bezier曲线，再到B样条曲线，最后发展到如今应用比较广泛的非均匀B样条曲线（NURBS）。NURBS方法是总结提升了非有理B样条方法，以此同时多数非有理B样条所具有的性质和算法同样适用于NURBS方法。曲面造型技术以NURBS方法作为最重要的基础得到了发展。它有以下几个突出优点：1. 二次规则曲线曲面能够准确的表示出来，正是其规则的曲线曲面，就可以应用数学公式来描述一个规则的曲面和自由曲面。；2. 拥有一个可改变曲线曲面形状的权因子，使形状更易于控制和实现。 随着计算机和工业水平的不断提升，曲面造型得到了充分的发展进步，这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新。首先从研究领域来看，传统的研究曲面表示要么是曲面拼接就是曲面求交两种方法，而目前曲面造型有曲面等距性、曲面重建、曲面转换、曲面简化、曲面转换和曲面变形；然后从表示方法来看，由于曲面造型的大胆创新，传统的连续造型已不能跟离散造型相提并论了，且创新之势迅猛。近几年新的曲面造型方法有：基于物理模型的曲面造型方法；基于片微积分方程（PDF）的曲面造型方法；流曲线曲面造型等等。2.2 自由曲面造型技术概论在工程中，构成叶片类的自由曲面由离散点或边界曲线来表示。最早，样条曲线的获得是通过物理样条的方法，放样员选取细木条(或有机玻璃条)时，要选择富有弹性的，给定的型值点一定要用压铁固定，以便可以被曲线可以通过，自然弯曲的样条通过绘制而成的曲线就称之为样条曲线。表21列出了几种曲面造型方法的比较。表21曲面造型方法的比较方法特点缺点Coons曲面法简单易行、编辑方便、插值精度高。设计曲面时，需要用到切矢、扭矢，不直观，难于控制。Bezie曲面法整体逼近，具有对称性，网格的四个角点位于曲面上。不可以对局部进行修改，曲面的阶次控制有且只与多边形顶点数目有关。，B样条曲面法阶次的多少和控制顶点数目无关，可对曲面进行局部可修改，拼接曲面片之间的拼接光滑。曲面片一般不通过特征网格的任意一个顶点。NURBS曲面法 用数学公式来描述一个规则的曲面和自由曲面，而且拥有一个可以改变曲线曲面形状的权因子。计算量较大。对计算的要求很高，大量的数据的存储，有可能在运行过程中反应速度延迟。严重时可能发生畸变当且仅当权因子为零和负值时。2.3 B样条曲线的基本性质2.3.1 B样条的定义目前用B样条方法对零件形状数学描述被广泛应用，由于其具有一系列的配套技术，也具有强大功能在表示与设计自由曲线曲面方面，另外，B样条方法是目前关于工业产品几何定义国际标准的有理B样条方法的基础。2.3.2 B样条曲线方程k次B样条曲线的方程为: ( 2.1 ) 式中:, i=0,1,2,n为控制顶点，又称为德布尔点。将顺序连接而成的折线称为B样条控制多边形;Ni ( u ) , i=0,1,2,n作为在k次规范内B样条基函数，其中每一个称为规范B样条，简称B样条。它必须是k次分段多项式，而节点矢量U（非递减矢量）的序列U: 决定了这个多项式，也称为k次多项式样条.P ( u ) 是对应于参数的B样条曲线上的点。 如果已知控制节点矢量U和顶点d，求解曲线上的点P ( u ) ，这在B样条技术中称为“正算”，如图2.1所示： 图2.1 由控制点求曲线如果己知曲线上的一系列点和节点矢量U，求解出控制顶点d，再由控制顶点求出这条曲线，这在B样条技术中称为“反算”，如图2.2所示： 图2.2 由曲线上的点计算曲线2.4 B样条曲线的性质B样条具有如下性质：由定义可以表明： 1 ) 规范性： 2 ) 局部支承性： 3 ) 可微性 2.5 自由曲面零件造型基础2.5.1 自由曲面造型原理 B样条曲面的数学模型 ( 2.2 ) ( i=0,1,m j=0,1,n 0u1 0w1 ) 这是一个曲面片模型，全部曲面片拼接起来称为B样条曲面。其中称为Pi,j ( u,w ) 的控制顶点，一共 ( m+k+1)( n+t+1 ) 个。由这些控制顶点组成的两组控制多边形Vi0Vi1Vi, ( n+t+1 ) ( i=0,1,m+k+1 ) 和v0jv1jv( m+k+1 ) ( j=0,1,n+t+1 ) ,构成了一个网格，这个网格称为Pi,j ( u,w ) 的控制网格。和B样条曲线与控制多边形的关系类似，Pi,j ( u,w ) 是对控制网格的逼近；控制网格是Pi,j ( u,w ) 形状的大致勾画。 双三次B样条曲面的数学模型当k=t=3时，得到了广泛应用的双三次B样条曲面，数学模型为： ( 2.3 ) ( i=0,1,m j=0,1,n 0u1 0w1 ) 若将上式的曲面片数学模型改写成矩阵形式，则为： ( 2.4 ) 这里MT是M的转置矩阵B 样条曲面与B 样条曲线一样具有较强的局部修改能力和较大的灵活性,容易保证曲线的连续性,因而在生产中得到了广泛的应用。2.5.2 双三次B样条曲面的性质1 ) B样条曲面片不通过特征网格的四个角点。如图2.3所示的16个空间点逼近B样条曲面，但都不经过B样条曲面。为使曲面通过角点，应在首、末端点处取重复点或共线点，且所取的点都应落在u, w两参数线上。 图2.3 B样条曲面片2 ) B样条曲面片的光滑的拼接是无条件的。基函数一阶导数、二阶导数在B样条曲面片上均要求连续。其次，把一片双三次曲面定义由每 ( 44 ) 即16个几何条件组成。要想定义出( m-3 )( n一3 ) 个曲面片就必须满足定义B样条曲面的几何矩阵V有m行n列 ( m4, n4 )这样的一个条件。为能自动动保证左右相邻的曲面片或上下相邻的曲面片二阶连续，只需在矩阵中，保证( 44 ) 的子矩阵逐次向右或逐次向下移动就跟三次B样条曲线的连续性一样。B样条曲面之所以得到广泛应用最重要原因主要归因于B样条曲面的连续条件十分简单。3 )具有局部可调性。4 )曲面位于控制顶点的凸包内 ( 凸包性 ) ;凸的控制网格决定的曲面是凸曲面 ( 保凸性 ) 。5 )曲面的形状只与选取控制点位置有关，但与选取的坐标系无关 ( 几何不变性 ) 。 3 整体叶轮三维造型研究3.1 叶轮原始造型数据（1）获取叶轮叶片数据的方法有以下两种方法获取数据点的方法：一种是逆向工程，另一种是通过理论计算。逆向工程，简单来说就是通过各种测量方法（比如说：激光跟踪仪、三坐标测机等）获得要测量零件的几何尺寸，然后存储相关数据，然后在UG系统环境下，对零件重新建模。重建零件的过程为：采用三次样条曲线的方法，对每一个截面内的型值点一一进行插值计算，再进行光顺处理。当光顺处理有较多拐点时，采用最小能量法能够很好地解决这一问题。进行光顺处理只保留叶片那些有规律的拐点，那些无关的拐点可以全部删掉。这种方法优点是降低设计零件以及缩短研发的周期；缺点是加工出来的零件相对于原型性能较差。理论计算是叶型数据通过流体力学原理计算出来的叶片，本文的设计数据通过逆向工程获取。（2） 创建UG 支持的数据文件通过逆向工程获取的数据需要把原始数据进行一定的处理不然UG就不能识别其格式，由于叶轮造型的叶片是根据截面数据进行拟合的，为后续建模提供合法的数据源文件。叶片原始文件提供的是：一系列数据点坐标，数据点坐标格式为：“XC 空格YC 空格ZC 空格”。UG 对数据源文件的要求是：（1）数据格式为：“XC 空格YC 空格ZC 空格”，与叶片原始文件相同。（2）此数据源文件必须为：dat 格式。（3）从集合论的角度看，面是无数条线的集合，线是无数个点的集合。用一系列型值点表示截型线，用一系列截型线表示曲面。UG 就是用这种方式来建构曲面的。 3.2 创建叶轮叶轮创建的流程图如图3-1所示。下面我们将以这个流程图为引导，创建整体叶轮 创建三次B样条曲线组创建叶片背面片体和叶片腹面片体延伸片体生成缝合面缝合生成叶片实体旋转复制叶片实体生成轮毂曲线生成轮毂实体实体裁剪和编辑生成叶轮实体图3-1叶轮创建流程图.3.2.1 创建文本文件打开Windows记事本，在记事本中输入测量所得的叶片每个截面轮廓的数据点坐标，输入格式为“XC空格YC空格ZC”，其格式和三个截面的数据如图3-2所示，文件名分别为data1.dat, data2.dat, data3.dat.图3-1图3-2 数据文档3.2.2创建样条曲线单击【曲线】【样条】命令，然后单击【根据极点】按钮，在“由极点生成样条”对话框中设置“曲线类型”为“多段”、“曲线次数”为“3”并选中“封闭曲线”。如图3-3，图3-4所示单击【文件中的点】按钮后选中刚创建的data1.dat文件，完成样条曲线1的创建如图3-5所示。重复上述步骤，创建样条曲线2和3，生成曲线模型如图3-6所示。 图3-3 样条文本框 图3-4根据极点生成条文本框图3-5样条曲线1图3-6曲线模型3.2.3 创建曲面单击【网格曲面】【通过曲线组】命令，根据系统提示选择样条曲线1如图3-7所示，根据系统提示选择样条曲线2如图3-8所示，根据系统提示选择样条曲线3如图3-9所示，在选择时保证样条曲线方向矢量一致。并设置“V向次数”为2，完成曲面创建，生成叶片模型如图3-10所示。 图3-7选择曲线1 图3-8选择曲线2图3-9选择曲线3图3-10叶片模型3.2.4生成轮毂曲线和裁剪曲线 UG 提供了两种建立曲线的方式：一种是直接在三维建模方式下，一种是在草图方式下。草图中建立便于参数化，推荐用草图建立。截面线串如图3-11所示。图3-11 截面线串3.2.5 建立轮毂回转体在菜单栏中选择插入| 设计特征| 回转命令，选择所建的截面曲线作为剖面线串，创建轮毂回转体，如图3-12图3-12 回转体3.2.6 修整叶片与轮毂通过定义基准面和裁剪体，利用插入|特征操作|裁剪命令，裁掉多余的部分。注意：为了裁剪而作的辅助基准面和裁剪体不能够删掉，只能隐藏。3.2.7 建立其他的叶片 因为叶片是圆周均布的，所以从菜单栏中选择编辑|变换命令，选择要复制的叶片，在角度文本框中输入参数值360 / n（ n 为叶片个数），连续复制n - 1 次，这样就完成了n 个叶片在轮毂上的均匀分布，如图3-13图3-13 叶轮3.2.8 建立整体叶轮到此时叶片、轮毂已经建立完毕，但它们都是独立的实体，因此，通过布尔和运算把它们组合成一个实体，最终完成叶轮的三维实体造型如图3-14图3-14 叶轮4整体叶轮的数控加工工艺研究五坐标数控机床由于具有五个运动轴，所以它具有足够的自由度逼近任意工件曲面，使得在五坐标机床上能够采用球头铣刀、平底铣刀、端面铣刀等各种刀具进行加工。本章从刀具及切削参数的基础知识、多坐标数控加工刀具轨迹规划方法等方面入手，详细介绍、分析了复杂曲面零件（整体叶轮）的加工过程。4.1 整体叶轮零件数控加工工艺设计4.1.1 选择材料和确定毛坯（1） 选择材料 整体叶轮的选材要求零件的强度满足要求同时尽可能减轻其重量。综合考虑之后最终选择用牌号为LD80的铝合金。 （2） 确定毛坯 选择锻压件，由于采用五轴数控加工技术，毛坯能一次加工完成并且能满足其强度要求。 图4-1整体叶轮锻件毛坯4.1.2 选择定位基准考虑到整体叶轮为中心对称零件，叶轮加工时要准确定位。选择定位基准为：孔+面，用出气端的短平面作为轴向定位基准，用叶轮的中心孔作为周向定位基准。整体叶轮加工时，把叶轮毛坯安装在夹具的心轴上，然后在上端压紧。4.1.3 拟定加工路线铣削子午面外轮廓面流道开粗扩槽叶片背面半精铣叶片腹面半精铣流道面半精铣叶片背面精铣叶片腹面精铣流道面精铣装夹图4-2 拟定加工路线选择合理切削工艺能够减少加工时发生叶片形变的几率，如采用高速铣削降低叶片弹性塑性变形；选择合适的切削液已达到降低切削区域温度目的以及选择合适的刀具减少切削力等。拟定的加工路线如图4-2所示。4.1.4 确定工序具体内容零件加工工艺要求被确定下来后，需要考虑每走一刀的加工余量以及整个零件总共的走刀次数等内容。每一个设计出来的零件根据其应用场合不同，设计者根据工艺要求设计出不同的参数。在UG/CAM环境中，加工步骤一般分三个工序走粗加工、半精加工和精加工。将本文中的螺旋桨零件加工划分为粗加工、半精加工和精加工三个工序。粗加工选择型腔铣加工，就是沿轴向（z向）不同深度的XY平面内生成粗加工刀轨。首先平移xy平面到给定一个z值上，求出叶片等距面（偏置距离粗加工余量）和叶片的交线；求出相邻叶片的2D边界线；然后由边界线，相交线，叶轮轮毂及毛坯确定出每层的加工区域。最后，粗加工时，在zig-zag模式下，刀轨是一个个预定义的刀位串联起来的，精加工时，在UG多轴铣削模式下，进行叶片和流道面的加工。各工序内容如表4.1所示。表4.1各工序内容序号方法加工内容操作方式刀具主轴转速S进给F跨距切深余量1粗加工毛坯开粗型腔铣平刀R122500120070%212半精加工叶背和叶腹变轴铣球刀R8300090040%0.80.253半精加工流道面变轴铣球刀R830009000.80.254精加工叶背和叶腹可变轴铣球刀R6B350004000.305精加工流道面可变轴铣球刀R650004000.304.1.5数控加工工序的定位装夹设计在五轴数控机床上进行加工时，首先需要考虑工件的定位，如果一个工件没能精确定位，加工出来的工件很难确保其互相的形状、尺寸、位置精度等技术要求。因此要保证工件相对于数控机床以及刀具的加工位置是没有错。找准定位后把工件压紧夹牢，不要在加工过程中松动，否则工件可能会成为残次品。整个加工过程必须保证加工位置一成不变，原来是哪样现在也是这样，要做到这一点，就要利用的有关机床夹具的使用和设计的知识。夹具能够保证工件有相对的加工位置。图4-3夹具结构示意图夹具由上下两部分构成。下部是一个开槽的圆盘，T形槽是用螺栓紧固在工作台上，它里面是夹具的上部分.上部分是一个直径为10mm的心轴，而心轴的下部采用圆锥结构主要是为了提高夹具的刚度，而其上部分采用螺杆主要目的是为了夹紧工件。夹具的紧固是使用六个内角螺钉来完成的。如图4-3所示。25 整体叶轮曲面造型仿真5.1打开模型文件并进入加工模块 步骤一.打开模型文件C:UsersAdministratorDesktop步骤二.进入加工环境。选择下拉菜单【开始】下拉列表中选择【加工】命令，在系统弹出的“加工环境”对话框【要创建的CAM设置】列表框中选择【mill muti-axis】选项，然后单击【确定】按钮，进入多轴加工环境。5.2创建程序 步骤一.选择下拉菜单【插入】下拉列表中选择【程序】命令（单击”插入”工具栏中的按钮），系统弹出“创建程序”对话框。 步骤二.在“创建程序”对话框中【类型】下拉列表中选择【mill_muti-axis】命令选项，在【位置】区域的【程序】下拉列表中选择【NC_PROGRAM】选项，在【名称】文本框中输入程序名001，单击【确定】按钮。在系统弹出的“程序”对话框中单击【确定】按钮，完成程序001的创建。 步骤三.重复步骤一和步骤二的步骤，创建名称分别为002和003的程序。说明：程序001用来存放槽加工操作，程序002和003分别存放叶片侧面加工操作。5.3 创建几何体5.3.1.创建机床坐标系和安全平面步骤一.进入几何视图。在空白处右击，在弹出的菜单中选择 【几何视图】，双击弹出“MCS”。步骤二.创建机床坐标系（1）在“MCS”对话框【机床坐标系】区域左击“CSYS”对话框，图形为，弹出“CSYS”，在【类型】下拉列表中选择【动态】选项。（2）机床坐标系的创建是将机床坐标系的原点对准整体叶轮圆心的位置。如图5-1所示，单击【确定】，完成机床坐标系的创建。说明：在选取边线时，可以暂时将毛坯隐藏起来，方便接下来的操作。步骤三.创建安全面（1）在“MCS” 对话框中【安全设置】区域【安全设置选项】下拉列表中选择【平面】选项，单击“平面对话框”按钮，图形为，弹出“平面”两个字。（2）选取图5-2所示的模型的顶平面，在【偏置】区域的【距离】文本框中输入值20.0，单击【确定】按钮，再单击“MCS” 对话框中的【确定】按钮，完成安全平面创建。图5-1创建机床坐标系图5-2创建安全平面5.3.2 创建部件几何体 步骤一.在工序导航器中双击【WORKPIECE】，弹出“工件”两个字。 步骤二.选取部件几何体。在“工件”对话框中单击 按钮，系统弹出“部件几何体”对话框，在图形区选取图5-3所示的叶轮模型。 步骤三.在“部件几何体”对话框中单击【确定】，完成部件几何体的创建，并返回到“工件”中。5.3.3创建毛坯几何体 步骤一.在“工件”对话框中单击图形为按钮，弹出“毛坯几何体”五个字，在图形区选取图5-4所示的毛坯模型。 步骤二.单击“毛坯几何体”对话框中的【确定】按钮，然后单击“工件”对话框中的 【确定】按钮。 图5-3 部件几何体 图5-4毛坯几何体5.4 创建刀具1 步骤一.选择下拉菜单【插入】下拉列表中选择【刀具】命令，系统弹出“创建刀具”对话框。 步骤二.确定道具类型。在“创建刀具”对话框【类型】下拉列表中选择【mill_muti-axis】选项，在【刀具子类型】区域中单击“BALL_MILL”按钮，在【名称】文本框中输入刀具名称D6，单击【确定】按钮，系统弹出“铣刀-球头铣刀”对话框。步骤三.设置刀具参数。在“铣刀-球头铣刀”对话框【尺寸】区域的【（D）球直径】文本框中输入值6.0，其他参数采用系统默认设置值。步骤四.在“铣刀-球头铣刀”对话框中单击【确定】按钮，完成刀具的创建。5.5创建刀具2 参照4的操作步骤，创建名称为D6B3的球头铣刀，并在【（D）球直径】文本框中输入值6.0，在【（B）锥角】文本框中输入值3.0，其他参数采用系统默认设置值。 刀具1 刀具25.6创建工序15.6.1插入操作 步骤一选择下拉菜单【插入】下拉列表中选择【工序】命令，系统弹出“创建工序”对话框。 步骤二。确定加工方法。在“创建工序”对话框【类型】下拉列表中选择【mill_muti-axis】选项，在【工序子类型】区域中单击“VARIABLE_STREAMLINE”按钮，在【程序】下拉列表中选择【001】选项，在【刀具】下拉列表中选择【D6（铣刀-球头铣）】选项，在【几何体】下拉列表中选择【WORKPIECE】选项，在【方法】下拉列表中选择【MILL_FINISH】选项。单击【确定】，弹出“可变流线铣”。5.6.2指定切削区域 在“可变流线铣”对话框中单击按钮，系统弹出“切削区域”，选取图5-5所示的切削区域，单击【确定】，返回到“可变流线铣”。5.6.3设置驱动方法 步骤一.在“可变流线铣”对话框【驱动方法】区域中单击按钮，弹出“流线驱动方法”，如图5-6所示，并且在图形区会自动生成交叉曲线和流曲线，如图5-7所示。 步骤二.查看两条交叉曲线和流曲线的方向。如果与图5-7所示的不相同，双击方向箭头就可以实现反向。 步骤三.设置驱动参数。在【刀具位置】选择【相切】，在【切削模式】下拉选择【往复】，在【步距】中选择【恒定】，在【最大距离】中输入值3.0，选择单位为【mm】如图5-6所示，单击【确定】，返回到“可变流线铣”。5.6.4设置投影矢量和刀轴步骤一.设置投影矢量。在“可变流线铣”对话框【投影矢量】区域的【矢量】下拉列表中，选取【垂直于驱动体】选项。 步骤二.设置刀轴。在“可变流线铣”对话框【刀轴】区域的【轴】下拉列表中选择【朝向点】选项，单击“点对话框”，弹出“点”，在【参考】的下拉列表中选择【WCS】选择，然后在【XC】【YC】【ZC】文本框中分别输入值25.0 、-110.0 、80.0，单击【确定】，自动返回到“可变流线铣”。5.6.5设置切削参数 步骤一.在【刀轨设置】区域中单击“切削参数”按钮，图形为 ，自动弹出“切削参数”对话框。 步骤二.在“切削参数”对话框中单击【多刀路】选项卡，参数设置如图5-7所示。 步骤三. 在“切削参数”对话框中单击【余量】选项卡，在【部件余量】文本框中输入值0.5，然后单击【确定】按钮，系统返回到“可变流线铣”对话框。5.6.6设置非切削移动参数 步骤一.单击“可变流线铣”中的“非切削移动”按钮，图形为，弹出“非切削移动”。 骤二.单击“非切削移动”对话框中的【进刀】选项卡，设置图5-8所示的参数，完成后单击【确定】按钮，系统返回到“可变流线铣”对话框。5.6.7设置进给率和速度 步骤一。单击“可变流线铣”对话框中的“进给率和速度”按钮，系统弹出对话框“进给率和速度”对话框。 步骤二.选中“进给率和速度”对话框【主轴速度】区域中的复选框，在其后的空白处输入值1500.0，在【进给率】选择【切削】输入值600.0，单击按钮，在【更多】选择【进刀】输入值300.0.如图5-9所示。 步骤三.单击“进给率和速度”对话框中的【确定】按钮。图5-5指定切削区域 图5-6流线驱动方法对话框 图5-7流曲线和交叉线图5-7切削参数对话框图5-8 非切削移动对话框图5-9 进给率和速度对话框5.7生成刀路轨迹并仿真 步骤一.在“可变流线铣”对话框中单击“生成”按钮，在图形区中生成图5-10所示的刀路轨迹；在“可变流线铣”对话框中单击“确认”按钮 ，系统弹出“刀轨可视化”对话框。 步骤二.使用2D动态仿真。在“刀轨可视化”中单击【2D动态仿真】，只需要选择动画的播放速度，其他的参数设为默认值，单击播放，就可以观察刀具是否导沿刀轨运行，完成后的模型如图5-11所示，单击【确定】，然后在“可变流线铣”对中单击【确定】，完成操作。 图5-10刀路轨迹 图5-11 2D仿真结果5.8创建工序25.8.1插入操作 步骤一.选择下拉菜单【插入】下拉列表中选择【工序】命令，系统弹出“创建工序”对话框。 步骤二.确定加工方法。在“创建工序”对话框的【类型】下拉列表中选择【mill_muti-axis】选项，在【工序子类型】区域中单击“VARIABLE_CON