开题报告-整体叶轮复杂曲面造型及数控加工仿真.doc

毕业设计（论文）开题报告.题目整体叶轮复杂曲面造型及数控加工仿真专 业 名 称 机械制造设计及其自动化班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 1 日一、选题的依据及意义：整体式叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空等领域，其加工技术一直是制造业中的一个重要的课题。从整体式叶轮的几何结构和工艺过程可以看出：加工整体式叶轮时加工轨规划的约束条件比较多，相邻的叶片间空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能过满足几何准确性的要求，而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持加工的质量。目前，我国人多数生产叶轮的厂家多采用国外大型CAD/CAM软件，如UG NX,CATIA,MASTERCAM等。 随着航空航天技术的发展，为了满足发动机高速，高推重的要求，在新型中小发动机的设计中大量采用整体结构叶轮。选择数控加工仿真技术，适合加工种类多，需求少，难加工的整体叶轮，减少整体叶轮加工成本。本课题主要研究的是航空发动机上整体叶轮的数控加工工艺，造型，数控加工仿真及数控编程。而且本文选用目前流行且功能强大的UG NX6.0对复杂曲面整体叶轮进行加工轨迹规划。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：1.国内研究早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC 加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。按叶轮的曲面形状的不同，在数控机床上加工叶轮采用了两类方法。第一类是点铣法，即用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀 （加工一个叶片一般需 50200 次走刀） ，逐渐加工出叶片曲面。 这种方法在自由曲面型叶片上普遍采用，在一小部分直母线型叶片上也采用。我国航天用的转子、风扇都采用这种点铣法。以航天部某机器厂加工某型号叶轮为例，叶轮材料为 TC6 钛合金。 其加工方法即是在四轴联动的机床上利用圆柱球头铣刀进行点铣加工。即从叶片顶部开始，沿叶片的流线方向，用球头刀的刀头部分对其进行切削，当其走刀行程加工完一侧的一条流线后，经过退刀及进刀后，刀具即向轮毂方向移动 0.3mm，进行下一次切削，直到叶片的一面加工完毕，再对另一面进行切削。如图 1。利用这种方法加工出的叶片能够较精确地符合叶片设计型面的要求，精度较高，而且加工走刀方向和设计流线方向相同，对叶轮运行时的动力性能有利。但是其最显著的缺点为加工效率低下，上述所加工叶轮直径为 279mm，叶片高度为4075mm。用这种方法加工出一个完整的叶轮耗费机时 500 个左右，需占用机床一个月，耗费大量的机时费和人工费用。大大增加了产品的生产成本。而且，这种点铣的切削方式，只有刀具头部一点或一圈切削刃参加切削，刀具磨损严重，需要经常换刀及重磨刀具， 生产成本进一步增加。第二类是侧铣法。即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面，它主要用于直母线型叶轮的加工上。我国增压器模型叶轮已采用此种方法制造。这种铣削方法比采用点铣法能显著改善叶片的表面粗糙度以及显著提高叶轮的加工效率，但是我国国防工业中，由于对侧铣加工的方法有疑虑，很少采用侧铣的方法，使叶轮的加工效率低下。尽管非可展直纹面是非可展的，（也就是说，存在于直母线两端的曲面法矢方向是不平行的）但它毕竟是由直母线沿导线扫描形成的。 （以直纹抛物面为例，就是直母线的一端以直线为导线，而另一端以抛物线为导线，扫描而成的）也就是说，将曲面离散后，可以得到曲面上的一条条方向各不相同的直线。正是利用很大部分叶轮曲面为非可展直纹面这一特性。国外许多家公司已开始采用四轴侧铣来加工非可展直纹面叶片的整体叶轮。其中世界上最著名的美国 NREC 公司提供的资料上就介绍了该公司生产的软件 MAX5 就能够完成为叶轮的四轴侧铣数控加工生成数控代码的工作。在该软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。用数控编程时进行的处理工作来避免理论切削误差。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，可以直接生成刀具轨迹，然后根据具体情况再进行调整，这样可以大大地节约编程时间，提高效率。2.国外研究据调查，在俄罗斯的叶轮加工中，也已大量使用侧铣的加工方法进行加工，前例中提到叶轮在俄罗斯只需几十个小时即可加工完成，而有些非重要用途的铝材料叶轮甚至只需几十分钟即可加工完毕。生产效率大大提高，而且利用侧铣的方法加工，可以避免刀具与工件接触区集中于一点，从而减轻了刀具磨损，这两项都大大地降低了生产成本和表面粗糙度。而且，这些年发展起来的高速切削在叶轮叶片加工中已经广泛使用。 Starrag 公司提供的五轴、四轴叶轮叶片加工机床的最高转速可达 5 万转/分。 实际生产中转速也常用到 1 万转/分左右。 使用硬质合金刀具加工不锈钢普遍切削速度为 150米/分。在编程方面，叶轮的数控加工代码的生成也是一个很重要的步骤。目前多数厂家采用通用CAD/CAM 的商用软件编制叶轮的数控加工程序。目前用得较多的有 UG，CAMAND 等。采用这些软件编程有不便之处，由于通用软件并非针对某一种零件设计，所以其功能繁多、界面复杂。输入参数后须经过许多步骤才能编出程序，且需多次反复，而且编程人员必须对叶轮几何造型很熟悉，同时用相当多的时间学习掌握了通用软件的使用方法才能编出叶轮数控加工程序。也有部分工厂未采用通用软件，而是针对某一叶轮编制了专用程序，但现在情况多是使用面窄，使用性能也较差。例如，航天机电集团某厂所做风扇是使用早年北京邮电大学研制的程序，此程序还是 DOS 下所编制的，使用很不方便。 航天机电集团三院某所的加工转子的软件也是在此基础上改编的。国际上有许多工厂与我国的情况类似，也采用通用软件编制叶轮数控加工程序。但一些先进的多坐标数控机床生产厂商(如 STARRAG)及专业的叶轮加工工厂（如美国的 NREC）都推出了专用于叶轮的数控加工软件包，如 MAX-5，MAX-AB，STARRAG 程序等。不采用通用的CAD/CAM 软件有一系列的优点。这是因为专用软件的生产厂商通常都有多年的叶轮加工和数控编程的经验，软件中针对不同特征的叶轮设计了刀具路径模板。对于叶轮加工中最易出现的干涉问题，也有了充分的考虑。这些都是通用软件所不具备的。另外，这些软件通常集成性好，可以和设计结果和工艺设计直接相连。 作为专用软件，界面更为简洁、重点突出，利于设计人员掌握。这些程序尽管编程性能优良，但所包含的工艺信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、转速表、进给率表等，而缺乏推荐的切削刀具与切削量，更没有如何减少加工变形的指南。我国尚缺乏在这种专用于叶轮的数控加工的编程软件，国内少数工厂已经认识到专用软件的优越性，意欲引进。但国外索价昂贵。所以开发中国产权的叶轮数控加工软件迫在眉睫.三、研究内容及实验方案： 1.研究方案(1) 复杂曲面零件研究：一整体叶轮零件为研究对象，分析器几何特征，将设计图谱给定的二维数据转换成为三维数据，基于UG系统，讨论这类复杂曲面零件的CAD造型方法；(2) 整体叶轮零件数控加工工艺研究：在CAD造型的基础上，进一步完成零件加工路径规划，根据主曲率匹配法的原则，分析求得刀位点出最优的刀具倾角，并采用球头铣刀对螺旋桨零件采取等参数法生成无干涉刀位轨迹，进行仿真加工。2.实验方案1.利用数据对叶片进行建模 2.利用UG系统进行整体叶轮建模 3.制定工艺规程与数控加工工艺 4.对整体叶轮进行数控加工仿真 5. 撰写毕业论文 四、目标、主要特色及工作进度目标： 针对论文选题，查阅了大量的国内外相关资料和文献，充分了解国内的现状。分析并研究了整体叶轮的造型及数控加工仿真。 通过该课题的研究，培养和提高对所学理论，知识和技能的运用能力。主要特色： 整体叶轮作为工业设计中实用频率很高的复杂零件，广泛地应用与航空，航天等领域。研究高性能叶轮的加工技术势在必行。工作进度：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 2015.6.2-2015.6.19（3周）五、参考文献1 施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条.北京：高等教育出版社，2001：6-602 朱心雄，张鲜.CAD/CAM中自由造型技术的发展和问题J.工程图学报告，1994（2）:71-743 孙江宏，陈秀梅等。UG/CAD工程设计基础教程。北京：清华大学出版社，2001:2-64 杨德武，基于朱曲率匹配的叶片五坐标加工轨迹优化研究.华中科技大学硕士论文.武汉. 华中科技大学，2001:13-175 张洪兴等.数控机床编程、操作、维修，北京：航空工业出版社，2001.10.6 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， 2003.7 盛晓敏等. 先进制造技术，北京：机械工