（机械制造及其自动化专业论文）叶轮类零件的五轴联动数控加工与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 摘要 叶轮类零件是机械装备行业重要的典型零件，在能源动力、航空航 天、石油化工、冶金等领域应用广泛。叶轮的造型涉及到空气动力学、 流体力学等多个学科，叶轮所采用的加工方法、加工精度和加工表面 质量对其最终的性能参数有很大影响。随着数控技术、c a m 技术的发 展，叶轮的加工技术也日新月异。为了提高叶轮类零件的生产水平， 本文结合企业的具体生产条件，针对叶轮的五轴联动数控加工技术展 开研究。 本论文主要以整体叶轮五轴数控加工的后置处理、加工仿真和优 化等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如加工工艺和u g c a m 等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究。 本文研究了叶轮的加工工艺，分析了叶轮加工的工艺难点和技术 要求，提出了叶轮加工的工艺规划，包括工艺阶段的划分、毛坯的选 择、刀具的确定、夹具的选择等。 文章分析了整体叶轮各个加工部分的特征，在基于u g c a m 平台 上，对整体叶轮各个部分采用不同的加工方法，并且进行了编程，得 到了刀位轨迹文件。 针对实际加工使用的d m u l 0 0m o n o b l o c k 五轴数控机床，本文运 用n x p o s tb u i d e r 后置处理工具为此创建了专用的后置处理，并将 刀位轨迹文件转化成为加工用n c 代码。 本文在v e r i c u t 系统中创建了d m u l 0 0m o n o b l o c k 虚拟机床和刀 具库及程序，利用其仿真模块对零件加工过程进行动态仿真演示，并 在系统中对零件进行了加工质量检查与刀具轨迹优化，实现了完全的 虚拟加工。 此外，本文还通过实验对课题的理论研究部分进行了验证，将设 计零件在实际机床上进行了加工，并与其在v e r i c u t 系统中的仿真加 工结果进行对比。 一 关键词：叶轮：数控加工；u g ：后置处理；v e r i c u t ；加工仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i 页 a b s t r a c t t h ei m p e l l e r t y p ep a r ti si m p o r t a n tp a r ti nt h ei n d u s t r yo f m a c h i n e r y a n d e q u i p m e n t ，a n dw i d e l y u s e d i n e n e r g y a n d p o w e r ，a e r o s p a c e ， p e t r o c h e m i c a l ，m e t a l l u r g ya n do t h e rf i e l d s m a n yd i s c i p l i n e sa r ei n v o l v e d i nt h em o d e l i n go fi m p e l l e r , s u c ha sa e r o d y n a m i c s ，h y d r o d y n a m i c s t h e p r o c e s s i n gm e t h o d ，p r o c e s s i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yo ft h e i m p e l l e rh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h ef i n a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h en c a n dc a m t e c h n o l o g y ，t h ei m p e l l e rm a c h i n i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nm a k i n gc o n t i n u o u sp r o g r e s s i no r d e rt oi m p r o v et h e l e v e lo fp r o d u c t i o no ft h ei m p e l l e r t y p ep a r t s ，i nt h i sp a p e rw h i c hu n i f i e s t h e s p e c i f i cp r o d u c t i o n c o n d i t i o n so f e n t e r p r i s e s f i v e - a x i so fn c m a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ft h ei m p e l l e ri su n d e a a k e nt h es t u d y t h ei n t e g r a l f i v e a x i sn cm a c h i n i n g i m p e l l e rp o s t - p r o c e s s i n g ， p r o c e s s i n gs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni st a k e na st h ec o r ec o n t e n ta n d t h ee x t e n s i o nc o n t e n ti sc o m b i n e di nc n cm a c h i n i n gp r o c e s s ，s u c ha s t e c h n i c s ，u g c a ma n ds oo n b e s i d e s ，ac o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h e f i v e - a x i sc n c m a c h i n i n go ft h ei n t e g r a li m p e l l e ri sm a d ei nt h i sp a p e r i n t h i sp a p e r ，t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fi m p e l l e ri sr e s e a r c h e d ， t h ed i f f i c u l ta n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya r e a n a l y s e d ，ap r o c e s sp l a n n i n go fi m p e l l e rm a c h i n i n gw h i c hi n c l u d e st h e d i v i s i o no fp r o c e s s i n gs t a g e s ，t h ec h o i c eo fb l a n k ，t o o lf i x t u r ea n ds oo n i sp u tf o r w a r d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m p e l l e ri nv a r i o u sp r o c e s s i n ga r ea n a l y s e d a n dd i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d st op r o g r a ma r eu s e d ，t h e nt o o lp a t hf i l e s a r er e c e i v e di nt h eu g c a m p l a t f o r m s f o rt h ea c t u a lp r o c e s s i n go fd m ui0 0m o n o b l o c kf i v e a x i sc n c m a c h i n et o o l s ，t h ep o s t p r o c e s s i n go fu gn x p o s tb u i l d e ri su s e dt o c r e a t e a s p e c i a lp o s t p r o c e s s i n g a n dt h e nt h et o o l p a t h f i l e sa r e t r a n s f o r m s e di n t on cc o d ei nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，av i r t u a lm a c h i n ed m u10 0m o n o b l o c k ，t o o ll i b r a r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i i 页 a n dp r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa r es e tu pi nv e r i c u ts y s t e m ，m a c h i n i n g p r o c e s ss i m u l a t i o nm o d u l ei su s e df o rd y n a m i cs i m u l a t i o nd e m oa n dt h e p r o c e s s i n gq u a l i t yi n s p e c t i o na n dt o o lp a t ho ft h ep a r t si nt h es y s t e mi s o p t i m i z e d ，t h e nac o m p l e t ev i r t u a lp r o c e s s i n gi sa c h i e v e d i na d d i t i o n ，at h e o r e t i c a l s t u d y i sv e r i f i e di nt h ep a p e rt h r o u g h e x p e r i m e n t s t h e n t h er e s u l t so fa c t u a l m a c h i n gp r o c e s s i n g a n d s i m u l a t i o ni nv e r i c u ts i m u l a t i o ns y s t e ma r ec o m p a r e d k e y w o r d s ：i m p e l l e r ；n cm a c h i n i n g ；u g ；p o s t p r o c e s s i n g ；v e r i c u t ； m a c h i n i n gs i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名彰 f 匆 日期：加t 多7 指导老师签名曰1 灭又 日期：砷t 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本人签名：鹭物 b 凝：俨e 口 tv 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的研究意义 整体叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较典型的通道类复杂零 件，它在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业中均有广泛应用， 如航空发动机上的整体叶轮、坦克发动机增压器叶轮、水泵及压缩机叶轮 等。这类零件的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，曲面加工 手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。传统的叶轮 生产一般采用铸造成型后修光的方法，但是随着设计理论的发展，叶轮类 零件工作面形状日趋复杂，模具制造的难度比较大，工艺过程复杂，制造 成本高，叶片精度难以保证，而且叶片的表面光洁度差，容易造成应力集 中，产生气蚀，叶轮的动平衡性能差。 整体叶轮由于特殊的用途通常选用弹性模量较大、机械性能较好的合 金材料，材料的加工性能特殊。叶轮叶片薄，但悬壁长度相对较长，同时 由于复杂的空间几何形状，其加工需使用细长刀具和多轴联动机床。所以， 叶轮从产品设计、加工制造到维修长期以来一直是困扰广大科技人员的技 术难题，叶轮的加工技术一直受到国外的严密封锁。 在编程方面，叶轮五坐标加工专用软件主要有美国n r e c 公司的m a x - 5 ， m a x a b 叶轮加工专用软件，瑞士s t a r r a g 数控机床所带的叶轮加工模块， 还有h y p e r m i1 l 等专用的叶轮加工软件。此外，一些通用的软件如：u g 、 c a t i a 、p r o e 等也可用于叶轮的加工。目前，国内大多数生产叶轮的厂家， 多采用国外引进的c a d c a m 软件，如e u c l i d 、i d e a s 、u g 等。利用这些软 件，在输入叶轮有关参数时，可以产生要加工的叶轮的数控加工程序n 4 1 。 总体上我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差 距，很多企业的软、硬件都依靠进口，但国外这类软件价格昂贵，国内 大多数厂家难以承受，同时这类软件一般采用封装技术，难以取得其核 心技术，一旦产品型号改变，则很难编制相应数控程序。自主版权的软 件在生产中未见推广应用，在窄槽道、小轮毂比等高性能叶轮制造技术 方面尚未过关，因此研究高性能叶轮的加工技术势在必行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 文献综述 整体叶轮( i m p e l e r ) 是流体机械中流体与机械进行能量转换的中 介装置，一般由轮毂、叶片等组成。当流体流经叶轮时，流体冲击叶片， 叶片使流体的运动速度( 方向或大小) 发生改变，由于介质的惯性作用 产生作用于叶片的力，该力作用于叶片从而使叶轮转动。随着叶轮的转 动，流体的压力发生改变，从而使流体能转化为流体机械的机械能。 对蔡体叶轮的设计制作要求是：( 1 ) 能给出较大的能量头：( 2 ) 流体流过叶轮的损失要小，即流体流经叶轮的效率要高；( 3 ) 流体流 出叶轮时各参数适宜，使流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以及高效区范围较宽。 整体叶轮的类型常分为：闭式、半开式以及开式”1 。如图1 一l 所示。 开式叶轮半开式叶轮闭式叶轮 图卜1整体叶轮的分类图 1 2 1 整体叶轮加工的发展历程及研究现状 传统生产整体叶轮的方法一般是铸造成型后修光。该方法难于保证 叶片的精度和强度，叫轮的动平衡性能差。电火花制造叶轮的特点是能 够制造流道很窄的叫轮。但其加工生产效率很低，且加工后的叶轮表面 会产生个再铸层，使疲劳强度降低。上世纪7 0 年代，人们开始采用石 蜡精密铸造的制造工艺来生产叶轮，并逐渐成为主流。该方法不需任何 专用设备，可以达到较高的精度。因此，目前在叶轮的批量生产中，仍 有部分厂家采用这种生产方法。在此期间，有一些厂家利用数控铣床在 锻件上铣削叶轮，但由于当时数控技术的限制，大多停留在三轴联动的 水平上生产出来的叶轮往往达不到要求的精度：到了上世纪8 0 年代， 八 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 随着c a d c a m 及数控技术的发展，数控机床的价格大幅度下降，其应用 也日益普及，叶轮的数控加工受到了人们的高度重视。 日本在叶轮的数控加工方面走在了世界前列。早在上世纪7 0 年代 初，便采用四坐标的方法加工出了三元叶轮。上世纪8 0 年代中期，日立 造船株式会社的植田勋就提出了以微机为中心编制离心压缩机叶轮的四 坐标联动的控制加工程序。该系统没有采用a p t 系统，价格比较低，维 修较容易。 上世纪9 0 年代后，美国的n r e c 公司在叶轮的设计和制造方面是世 界领先的。该公司生产的软件，涵盖了叶轮从曲面设计到叶轮加工数控 代码生成各个方面，专业性很强。该公司的m a x a b ，m a x 一5 两个软件是 专门用于整体叶轮的点铣和侧铣加工的编程。在该软件中采用了三项美 国专利技术来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。同时，软件中 针对各种不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板，用以直接生成刀具 轨迹，然后根据具体情况再进行调整，这样可以大大的节约编程时间提 高效率。 另外，由于现代叶轮的加工多采用数控加工的方式，而且能够加工 出精密的叶轮也最能够体现多坐标数控机床的水平，因此，国际上大多 数著名的机床生产厂家都宣称自己能够进行叶轮的加工，并且基本上都 应用户的要求提供相应的叶轮加工软件，如瑞士著名的机床生产厂 s t a r r a g 在出售机床的同时就附带叶轮加工软件。不过，这类软件价格 昂贵，通常为数十万美金，并且不一定能适应厂家实际产品的情况，厂 家同样不能得到技术核心，无法按照自己的需求进行修改，叶轮生产企 业使用起来并不得心应手。 叶轮的数控加工在我国起步较晚。上世纪8 0 年代中期，沈阳鼓风机 厂、哈尔滨制氧机厂结合本厂的实际情况，在引进了国外数控加工软件 的基础上，研究开发出各自的叶轮加工c a d c a m 一体化软件，成功地加 工出了高精度的叶轮，缩短加工周期。另外，周口风机厂采用微机控制 的方法也加工出了罗茨鼓风机叶轮，该方法具有加工精度高、保护功能 多、效率高等优点，为叶轮的制造开辟了一条新途径。至此，叶轮的数 控加工还在三轴数控机床上采用球头刀加工进行。上世纪8 0 年代末，为 了提高加工效率和表面加工质量，哈尔滨工业大学、西北工业大学等单 位开始着手对三元叶轮侧铣加工技术进行研究，并成功地加工出了透平 膨胀机用叶轮、汽车增压器用精密的半开式三元叶轮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 上世纪9 0 年代以来，我国的一些企业如航天部一些单位，也先后在 四坐标联动的机床上用点铣和侧铣的方法加工出了整体叶轮。近年来， 西安交通大学王小椿教授和王尚锦教授以及大连理工大学的曹利新博士 对曲面的数控加工理论进行了深入研究，开发出了三元叶轮等复杂曲面 类零件的多轴数控加工技术。这也基本代表了我国叶轮数控加工的水平。 目前，我国己有越来越多的厂家开始采用多坐标数控加工的方法来 生产加工叶轮，使叶轮的精度和强度均得到较大的提高，也使我国的叶 轮制造业逐步跨入世界先进行列。但由于国内还没有比较成熟的叶轮 c a d c m a 软件系统，日前绝大多数厂家还依靠从国外引进的软件完成 叶轮的加工。不仅浪费了大量的外汇，而且由于国外技术保密，运行的 软件都采用封闭的功能模块，因此，不能根据实际应用情况或叶轮型号 的变化进行修改和开发。值得一提的是，引进软件的性能也未必可靠和 全面，特别是在误差、干涉和工艺方面n 4 1 。 1 2 2 数控加工编程和后置处理的发展历史、现状与趋势 数控加工编程技术是随着数控机床的诞生而发展起来的技术，至今 已经历了手工编程、语言自动编程和图像自动编程三个发展阶段。计算 机自动编程又称计算机辅助编程，简称自动编程，是通过数控自动程序 编制系统实现的。编程人员将零件的形状、几何尺寸、刀具路线、工艺 参数、机床特征等，按一定的格式和方法输入到计算机内，自动编程软 件对这些输入信息进行编译、计算、处理后，自动生成刀位文件和机床 的数控加工程序，通过通信接口将加工程序直接送入机床数控系统，以 备加工。 数控自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不 同，主要有语言式自动编程系统和c a d c a m 集成化编程系统。 数控语言自动编程最主要的是美国的a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt o o l s ) 语言系统。a p t 是一种自动编程工具的简称，是一 种对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所使 用的接近于英语的符号语言。a p t 语言自动编程就是把a p t 语言书写的 零件加工程序输入计算机，经计算机的a p t 语言编程系统编译产生刀位 数据文件，然后进行后置处理，生成数控系统能够接受的数控加工程序 的过程。用a p t 语言编程的不足之处是：需要配备大型计算机( 如i b m 4 3 4 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i b m 3 0 3 1 ) ，某些算法尚未采用计算几何学的最新理论，工艺处理还得靠 编程员脱机确定，零件源程序的编写、编辑、修改等还不够方便直观。 c a d c a m 集成系统数控加工编程是以待加工零件c a d 模型为基础的 一种集加工工艺规划及数控加工编程为一体的自动编程方法。其中零件 c a d 的描述方法多种多样，适用于数控加工编程的主要有表面模型和实 体模型，其中以表面模型在数控加工编程中应用较为广泛。 c a d c a m 集成系统数控加工编程的主要特点是零件的几何形状可 在零件设计阶段采用c a d c a m 集成系统的几何设计模块在交互方式下进 行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型( 可以是表面模型、也可 以是实体模型) 。数控加工编程的一般过程包括刀具的定义或选择、刀具 相对于零件表面运动方式的定义、切削加工参数的确定、走刀轨迹的生 成、加工过程的动态仿真显示、程序验证直到后置处理等，它们都是在 图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。 以实体模型为基础的数控加工编程方法比以表面模型为基础的编程 方法复杂。基于表面模型的数控加工编程系统，其零件的设计功能( 或几 何造型功能) 是专为数控加工编程服务的，其针对性很强。也容易使用。 图卜2 ( a ) 描述了其编程原理与过程。基于实体模型的数控加工编程系 统则不同，其实体模型一般都不是专为数控加工编程服务的。为了用于 数控加工编程往往需要对实体模型进行可加工性分析，识别加工特征， 并对加工特征进行加工工艺规划，最后才能进行数控加工编程。其中每 一步可能都很复杂，需要在人机交互方式下进行。图1 - 2 ( b ) 描述了其 编程原理与过程。 对于几何形状不太复杂的简单零件，计算简单，加工程序不多，采 用手工编程较容易实现，但对于形状复杂或程序量很大的零件，手工编 程难于胜任。语言自动编程与手工编程相比，提高编程效率数倍乃至数 十倍，但它必须对要加工的每一个几何体作精确的描述和定义，而某些 复杂的几何图形几乎难以用语言来精确描述，在三维加工领域更是这样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 几何造型 1r 表面模型 1r 工艺规划 1r ，、 刀具、刀具轨迹、加 工工艺规范定义 上 a p t 源程序 l r 编译j， 刀位文件 1 r ： 后置处理 上 n c 程序 1r r r、 程序验证和加工过 程图形动态仿真 l 零件r 特征设计 生成上 提取 f 零件实体模型1 识别上 ，r 加t 特征 j 可加工性分析 上 工艺规划 上 刀具、刀具轨迹、加 工工艺规范定义 l j 1r a p t 源程序 a p t 编译，r1r 刀位文件 j 后置处理 j n c 程序 r 1r ，、 程序验证和加工过 程图形动态仿真 l j ( a ) 基于表面模型的数控加工编程原理( b ) 基于实体模型的数控加工编程原理 图卜2c a d c a m 集成系统数控加工编程原理与过程旧1 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国达索飞机公司开始开发集三维 设计、分析、n c 加工于一体的系统，称为c a t i a 。随后很快出现了像e u c l i d ， u g i i ，i n t e r g r a p h ，p r o e n g i n e e r ，m a s t e rc a m 及n p u g n c p 等系统，这 些系统都有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修 改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了c a d 和 c a m 向一体化方向发展。到了2 0 世纪8 0 年代，在c a d c a m 一体化概念 的基础上，逐步形成了计算机制造系统( c i m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。 目前，为了适应c i m s 及c e 发展的需要，数控加工编程系统正向集成化 和智能化方向发展。在集成化方面，以开发符合s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准的参数化特征造型系统为主，目 前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；智能化方面技 术的研究也正开始起步。 计算机辅助制造( c a mc o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 有广义和狭 义两种定义。广义c a m 是指利用计算机来完成从生产准备到产品制造出 来的过程中各项活动，它包括工艺过程设计、工装设计、计算机辅助数 控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。狭义 c a m 通常是指n c 程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨 迹仿真及n c 代码生成等。不管是就广义c a m 还是狭义c a m 而言，数控加 工编程都是c a m 的重要组成部分。它包括加工刀位文件的生成和机床数 控代码指令集的生成。在c a d c a m 集成化编程中，加工刀位文件可利用 c a d c a m 软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征( 其中包括机床、 夹具、刀具和工件所组成的具体工序加工系统的特征) 以及加工工艺设计 的具体特征来生成描述加工过程的刀位文件。 数控机床的各种运动都是执行特定数控指令的结果，完成一次加工 过程需要连续执行一连串的数控指令，即数控程序。在c a m 计算机辅助 制造过程中，将c a d 设计的模型，通过c a m 软件模块计算产生刀位轨迹 的整个过程称为前置处理。在前置处理中，按照相对运动原理，将刀位 轨迹计算统一在工件坐标系中进行，而不考虑具体机床结构和指令格式， 从而简化系统软件。即在c a m 软件系统中进行刀位轨迹编程时，总是假 定工件是固定不动的，所以刀位文件中给出的是在工件坐标系中刀具的 位置数据，包括刀心点和刀轴矢量。前置处理产生的是刀位文件，而不 是数控程序。因此要获得数控机床加工程序，还需要将前置计算所得的 刀位轨迹数据转换成具体机床的程序代码，该过程称为后置处理。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c a d c a m 集成化编程系统中，后置处理就是通过后置处理器读取由c a m 系统生成的刀位文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床 的特点及n c 程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所 能直接识别的n c 程序。 目前，从技术上讲，由于c a d c a m 系统硬件和软件的发展，对加工 对象、加工系统建立三维模型、运用图形交互的方法实现刀具路径的生 成、加工过程仿真和干涉碰撞检查已经是可行的。而要使生成的刀位文 件转换成数控n c 程序，驱动和控制机床实施加工，还必须以相应的后置 处理器开发为条件。对于使用多种c a d c a m 系统，配备多种机床各种类 型数控系统的情况就更为复杂。 要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工， 则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。这就要求开发人员 熟悉所用的c a m 系统及所生成的刀位文件的格式、熟悉所用数控机床及 其数控系统代码功能及其表述格式，而这一工作是智力密集和劳动密集 兼而有之的过程。当面临的c a m 系统众多，机床及其数控系统众多的情 况下，从头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来 出现了以开发数控加工编程通用后置处理器为基础，应用数控代码导向 等相关技术定制数控机床专用后置处理器的做法，用数控加工编程通用 后置处理器解决共性问题，用定制后置处理器解决个性问题。 能够处理不同类型格式的刀位文件，并做优化处理，以适应不同类 型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求，生成的n c 程序不需人工做二次修改，而直接应用于机床是数控加工编程后置处理 技术的发展方向。 1 2 3 数控加工仿真技术的国内外研究现况 数控仿真一般可以分为两种不同的类型： ( 1 ) 几何仿真 几何仿真不考虑切削参数、切削力等物理因素，只考虑刀具与工件 的运动，以验证数控加工代码的正确性与合理性，以减少或者消除因为 程序错误而导致的机床损伤、刀具折断及零件报废等问题。目前几何仿 真方面的研究比较全面和深入，出现了许多成熟的仿真软件与仿真模块。 国外的仿真软件与系统相对比较成熟，商业化程度比较高。如c n c 公司 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的m a s t e r c a m 等。m a s t e r c k m 是一个成熟的商业数控仿真软件。m a s t e r c a m 主要功能包括三维绘图、曲线曲面加工、点位加工，两轴到五轴铣削加 工、数控车削、线切割以及激光切割等。其数控加工提供多种走刀方法， 对加工路径的选择、干涉的检查、多曲面加工、五面加工、刀具管理以 及测量方面具有很强的功能。在国内，数控几何仿真系统相对不够成熟， 商业化程度也不高，但是也独立研制了一些数控几何仿真系统。如清华 大学与华中科技大学合作开发的h m p s 系统、哈尔滨工业大学研制的 n c m p s 系统以及南京航空航天大学开发的s u p e r m a n 2 0 0 0c a d c a m 系统。 h m p s 是在8 6 3 c i m s 主题下进行研制的，该系统以s i m e n s 8 5 0 m 为仿真对 象，采用交互式实时控制与管理的仿真过程，可以仿真加工中心的加工 过程，仿真过程由代码驱动，可以对刀具与成型工件、刀具与夹具、刀 具与加工工作台碰撞与干涉测试，记录干涉点并报警。系统采用c + + 结 合o p e n g l 进行开发，毛坏处理采用光线跟踪算法进行表示。n c m p s 在刀 具轨迹三维显示方法上利用直接从数据结构读取刀位文件的方法，以零 件形状、刀具与夹具类型、机床类型等信息和n c 程序作为输入，输出碰 撞检验结果和三维图形仿真，计算机显示工件的实际运行状态。s u p e r m a n 2 0 0 0c a d c a m 由南京航空航天大学研制与开发，基于s p a t i a l t e c h n o l o g y 公司的a c i s 几何开发平台，使用v i s u a lc + + 进行开发。该 系统实现了三维数控加工过程仿真中视图移动，视角旋转、放大、缩小 等功能。 ( 2 ) 物理仿真 物理仿真使用物理规律模拟整个切削加工过程，考虑受力、速度、 加速度、质量、密度、能量等物理因素，模拟加工过程的动态力学特性 进行刀具破损预测、刀具振动计算以及切削参数控制，从而达到优化切 削过程的目的。由于切削机理复杂、建模难度大，研究还不够深入。目 前在数控加工物理仿真方面仍然没有成熟的商业化系统出现，但是国内 外都进行了对数控加工物理仿真技术的研究。国外有学者开发了一套面 向智能加工过程的仿真系统，系统中包括了检验刀具路径的几何仿真过 程和加工误差的物理仿真过程，该系统可以用于优化加工过程、在线自 适应控制，并能够对异常情况进行检测和报警。还有学者针对车削加工 建立了全面的加工过程模型，该模型综合考虑了刀具几何形状、变化的 切削层参数、工件材质以及刀杆相对于工件的振动等因素，建立了车削 力的动态模型和工艺系统的振动模型。在国内，天津大学张大卫教授等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 人建立了圆锥螺旋铣刀的三维铣削力模型，通过了对几何特征的分析提 出了非线性模型的参数识别方法。哈尔滨工业大学姚英学等提出了面向 加工质量预测的虚拟加工检测单元的概念，综合了虚拟加工及虚拟检测 尺寸误差、形状误差、表面粗糙度等技术指标，作为虚拟加工过程中的 基本单位。 目前，数控加工物理仿真中仿真模型的建立仍然有待完善，实现的 物理仿真系统一般都是针对于某一特定的加工过程而设计的，通用性很 差。同时由于切削过程的复杂性以及仿真模型建立的困难性，仿真结果 与实际的实验结果仍然存在很大差距，系统的实用性较差哺3 。 本论文所讨论的加工仿真是基于n c 程序的几何仿真。 1 3 论文主要研究内容 本文针对整体叶轮的五轴数控加工流程展开研究，以整体叶轮五轴 数控加工的后置处理、加工仿真和优化为核心内容。主要的研究内容包 括： ( 1 ) 分析了整体叶轮的特点，在此基础上制定了诱导轮的加工工艺。 ( 2 ) 规划了叶轮不同切削区域粗、精加工方法，生成了刀具轨迹文件。 ( 3 ) 在n x p o s tb u i l d e r 通用后置处理器的基础上，针对特定的五轴 加工中心和配置的数控系统开发专用后置处理程序。 ( 4 ) 利用专用数控加工仿真软件v e r i c u t 对后置生成的n c 代码进行 加工仿真，以检测加工过程中可能存在的问题，避免不必要的损失；以 及对切削参数进行优化。 ( 5 ) 在d m u l 0 0m o n o b l o c k 型五轴加工中心上，进行了整体叶轮的加 工实践从而验证了本文提出的理论和方法的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第2 章整体叶轮的结构分析与工艺规划 2 1 概述 整体叶轮的类型常分为：闭式、半开式以及开式。但同一种类 型的叶轮形状也不完全相同。通常可以在五轴联动机床上直接加工 的整体叶轮为半开式和开式，而闭式叶轮一般不能直接加工。本论 文主要研究的是一种特殊整体叶轮一诱导轮的加工。 在离心叶轮中，液体在进入叶片头部时，方向要急速转弯，流速要 增加，所以压力还要降低，这就极易发生汽蚀，使汽体与液体分离；初 生汽蚀产生后，离心叶轮不能限制它的发展，因为液体在叶轮里的流动 方向是沿着离心力的作用方向的，液体在离心力的作用下，高速向外甩 去，从而更增加了汽体与液体的分离。 然而在诱导轮中，情况就不是这样，首先液体在进入诱导轮时不经 过转弯，动压降较小，因而不易发生汽蚀；就是发生了汽蚀( 主要发生 在入口外缘，因为此处相对速度最大) ，其汽泡会立即受到两方面的夹攻： 一方面，因外缘汽泡沿轴向流到高压区域时，受压立即凝结；另一方面， 在离心泵的作用下，轮毂处的液体冲向诱导轮外缘，同样使汽泡受压凝 厶士 ；口。 诱导轮是一种叶片负荷很小的轴流式叶轮，由于它不仅本身具有很 高的抗汽蚀性能，而且还能产生一定的扬程，所以安置在离心叶轮前面， 增加叶轮进口处流体的压力，从而提高整个泵机组的抗汽蚀性能。 诱导轮常用是螺旋型，可分为等螺距和变螺距两种基本形式，目前 常用的大多数是等螺距诱导轮。但是，等螺距诱导轮在水力性能方面是 有缺陷的，由于它的螺距从进口到出口不变，其流道面积和叶片安放角 就只能保持不变，从实际流体的流动情况以及液体能量转换角度来看， 等螺距诱导轮很难取得良好的设计效果。为了满足诱导轮本身的汽蚀性 能要求以及离心叶轮入口压力能要求，诱导轮应设计为变螺距结构，即 以较小的叶片入口角获得较小的进口流量系数，以较大的叶片出口角产 生足够的扬程。由于其螺距都是渐增的，故又称增螺距诱导轮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 22 诱导轮的几何结构特点 本论文研究的诱导轮是一个变螺距的诱导轮，它比一般的叶轮更难 加工，其平面图如图2 - 1 所示，入口螺距为4 6 j m m ，出口为4 8 m m 。其三 维模型如图2 2 所示。由图可知，诱导轮可分为轮毂曲面( h u b ) 及叶片曲 面( v a n e ) 两个部分，而叶片又包含包覆曲面( s h r o u ds u r f a c e ) 、压力曲 而( p r e s s u r es u r f a c e ) 及吸力曲面( s u c t i o ns u r f a c e ) 叶轮轮毂面为一 圜锥的外表面。其几何特点是：叶片薄，叶片前端最薄处仅i5 m m ；流 道深，流道开口最深处达3 3 7 5 m m ：间距小，相邻叶片最小间距仅 2 2 9 7 5 m m 。 吸力曲 图2 1 变螺距的诱导轮的平面图 图2 - 2 变螺距的诱导轮的三维图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 。3 叶轮的加工流程 叶轮由复杂的雕塑曲面构成，其数控加工属于复杂曲面数控加工， 需要采用五轴联动数控加工技术才能完成。目前，国内只有少数几家公 司掌握了该技术，并绝对保密。叶片的制造工艺方法在不同的公司都有 一些独到之处，但就总的工艺流程来讲基本一致，其工艺流程如图2 - 3 所示： 图2 - 3 加工流程图 2 4 叶轮加工工艺分析 叶轮作为透平机械的关键零件，经常运行于高旋转速度情况下，对 制造要求的水平非常高，制造质量对叶轮的性能有着重要的影响。为了 获得理想的动力学特性，叶轮叶片大都采用了大扭角、根部变圆角等结 构，这种结构特点对于铣削加工非常困难。同时，叶片曲面制造质量要 求非常高，叶轮叶片又比较薄，制造中会出现大量的工艺问题，因此要 制造出与设计要求相符的叶轮，不仅要有良好的制造方法，还要有良好 的工艺作保证u 1 。 2 4 1 叶轮的加工技术要求 叶轮零件的技术要求内容与常规零件样，它包括尺寸、形状、位 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 置、粗糙度等几何方面的技术要求，也包括机械、物理、化学性能等方 面的技术要求。前者主要取决于机床的加工精度，后者主要取决于毛坯 的结构材料，但都受到加工工艺方法的影响。 要获得良好的气动性能，叶轮叶片必须具有良好的表面光顺性。精 度要求集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面，一般表面粗糙度要求 应高于3 2um 。 为了防止振动并降低噪声，叶轮对动平衡性要求很高旧3 ，因此在加 工过程中要综合考虑叶轮的对称问题，在进行c a m 编程时应尽量利用叶 片、通道等关于叶轮旋转轴对称的加工表面，可采用通过加工其中一个 元素来完成其它元素的加工。另外，也要尽可能地减少由于工件装夹和 换刀产生的误差，加工完成后，可进行动平衡检查。 2 4 2 叶轮的加工难点 为了使叶轮满足动力学要求，叶轮常采用采用了大扭角，根部变圆 角等结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求，叶轮加工难点如下： ( 1 ) 叶轮加工槽道较窄，而叶片相对较长，相对刚度低，是一种典 型的薄壁类零件，加工过程中易发生变形，使得整体叶轮加工难度增加。 ( 2 ) 本论文加工的叶轮，叶片直径为中8 5 m m ，在叶片距最窄处叶片 深度3 3 7 5 m m ，相邻叶片最小间距2 2 9 7 5 m m ，在刀具直径较小的情况下， 刀具刚性差，容易折断，控制切削深度的同时保证加工效率较为困难。 ( 3 ) 叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，加工时极易产 生干涉，加工难度高，保证加工表面的一致性也有一定困难。 因此，为了加工合格的叶轮，必须综合考虑此叶轮的叶片薄壁、大 扭角、小刀径的特点，规划出一套合理的加工方案。 2 5 叶轮加工工艺规划 叶轮的加工工艺规划主要集中在叶片和流道的加工工艺研究。叶片 及流道的加工方法种类多样，数目繁多，但其加工一般都采用了工序集 中的工艺路线，这样做不但可以缩短工艺路线和辅助时间、减少工人数 量和生产面积、简化生产组织管理，还能提高各个表面间的位置精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 5l 叶轮加工的阶段划分 在本文加工的叶轮中，需要加工的部分主要为流道、叶片、圆角三 部分，如图2 - 4 所示。另外在叶片之闻有大量的材料需要去除，由于每 个表面的加工要求都有所不同，因此在安排工序时，为了保证叶轮叶片 的加工质量、生产效率、经济性和和加工可行性，要遵循工序集成、基 准先行、先粗后精、先主后次和分面加工的工艺原则。 情同 图2 4叶轮加工模型 根据上述工艺原则。将叶轮的加工划分为个阶段：粗加工和精加 工粗加工的任务是尽快大量切除叶轮各个表面多余的材料，加工出叶 轮基本形状。另外可根据实际需要设置半精加工工序以平滑粗加工留下 的粗糙表面，去除拐角处多余的材料，生成加工余量比较均匀的表面 为精加工作好准备。这个阶段是叶轮加工的关键阶段，它主要保证叶片 尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度。叶轮在半精加工后基本 成形精加工阶段的任务是获得要求的加工精度和表面质量。考虑到加 工采用的五轴数控机床性能较为全面，因此可以将零件的粗、精加工放 在同一台机床上完成，提高加工效率，缩短加工时间，减少装夹次数， 有利于减少装夹误差，提高表面精度，保证叶轮的加工质量。 2 52 叶轮毛坯的选择 毛坯的形状和尺寸越接近成品零件，材料消耗就越少，机械加工的 劳动量也越少，因此会提高机械加工效率降低成本，但毛坯制作的成 本却提高了。因此，确定毛坯耍从机械加工和毛坯制造两方面综合考虑， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 以求得晟佳效果。确定毛坯包括选择毛坯种类、尺寸及制造方法等内容。 常用毛坯的种类有铸件、锻件、压制件、冲压件、焊接件、型材和 板材等。选择毛坯种类的方法有：( i ) 根据图纸规定的材料及机械性能 选择毛坯；( 2 ) 根据零件的功能选择毛坯，( 3 ) 根据生产类型选择毛坯； ( 4 ) 根据具体生产条件选择毛坯。 选择毛坯形状和尺寸总的要求是：减少“肥头大耳”，实现无屑或少 腾加工，因此毛坯形状要力求接近成品形状，以减少机械加工的劳动量， 如前所述，毛坯的形状、尺寸越接近叶轮的设计造型，所消耗的材 料和加工