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文档简介
机 电 学 院 毕 业 设 计 题目: 基于UG和vericut的叶轮建模和五轴仿真加工 姓 名: 学 号: 指导教师: 班 级: 13级机械一班 设计时间: 2015.10-2016.1 毕业设计(论文)任务书 题目: 基于UG和vericut的叶轮建模和五轴仿真加工 姓指导老师 职称 讲师 一、 基本任务及要求: 1. 叶轮零件的3D建模; 2. 开题报告; 3. 加工工艺分析及工艺规程的编制; 4. UG刀路设计及优化; 5. 叶轮在德西数控MCV850-5AX机床(海德汉ITNC-530系统)上数控铣削加工的,编程、刀路仿真; 6. 撰写设计说明书; 7. 毕业答辩; 二、 进度安排及完成时间: 1. 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告(0.5周); 2. 毕业调研及撰写毕业调研报告(0.5周); 3. 毕业设计(4.5周),其中:总体方案(0.5周),叶轮的三维造型(0.5周),加工工艺分析及工艺规程的编制(0.5周),CAM刀路设计及优化(0.5周)刀路仿真,加工验证(0.5周); 4. 撰写毕业设计说明书并将初稿交导师评阅(1周); 5. 指导老师评阅、学生修改及打印说明书(0.5周); 6. 评阅老师评阅设计说明书、学生准备答辩(0.5周); 7. 毕业答辩。 目 录第1章 绪论5 1.1 引言5 1.2 毕业设计涉及的软件及部分名词介绍5 1.3 数控加工技术概述6第2章叶轮零件的三维造型7第3章 叶轮加工工艺分析及工艺规程设计13 3.1 叶轮的结构及加工工艺分析13 3.2 零件图样及材料选择14 3.2.1零件图样14 3.2.2零件图分析14 3.2.3刀具、夹具,毛坯材料及机床的选择15 3.2.4零件加工工艺卡片17第4章 基于UG叶轮刀具轨迹设计18 4.1刀具表 18 4.2 自动编程分析18 4.3 程序参数的设置及刀路18第5章 后处理创建&基于VERICUT的加工仿真验证32 5.1后处理创建32 5.1 概述32 5.2 海德汉iTNC 530数控系统辅助功能32 5.1 MCV850-5专用后置处理程序的制作33 5.2 VERICUT机床的创建36 5.3 零件加工的仿真40结论42参考文献43第1章 绪论1.1引言 大家都知道,数控加工是一门正在高速发展热门专业,数控加工程序是有多道复杂的程序组成的,尤其是多轴的加工中心,这就为我们学习带来不便,为了使学习更方便,使用更加有条理,我编写了这份典型的四轴加工中心铣削编程与仿真。我的这份毕业设计包括设计任务书、四轴机床摘要、设计说明书、VERICUT四轴机床的建立与仿真、UG多轴加工的编程等多个部分。设计的主要是内容是对我们机械类日常加工中较为常见的四轴工件取其中的一典型零件进行系统的编程与仿真,从数控加工前应做的准备开始到数控加工工艺分析、数控刀具、UG多轴编程。在毕业设计的制作过程中我们学习并运用了UG、VERICUT、CAD等软件主要任务: 根据所给零件图,编制工艺,编写程序,并进行仿真任务要求:1 根据所给图纸完成工艺的编制2 熟练运用UG制图并编写程序3 熟练运用VERICUT对程序进行仿真1.2毕业设计涉及的软件及部分名词介绍UG是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。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案。这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统,它功能强大,可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站,NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件,用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。Vericut 可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程,也能进行NC程序优化,缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量,检查过切、欠切,防止机床碰撞、超行程等错误;具有真实的三维实体显示效果,可以对切削模型进行尺寸测量,并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工;具有CAD/CAM接口,能实现与UG. CATIA及MasterCAM等软件的嵌套运行。VERICUT是一款专为制造业设计的CNC数控机床加工仿真和优化软件。取代了传统的切削实验部件方式,VERICUT通过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性。 五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业,有着举足轻重的影响力。普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。 五轴机床的种类五轴联动机床有立式、卧式和摇篮式,二轴NC工作台,NC工作台 NC分度头,NC工作台 90B轴 ,NC工作台 45B轴,NC工作台 A轴,二轴NC 主轴等类型。 五轴加工是指在一台机床上至少有五个坐标轴(三个直线坐标和两个旋转坐标),而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。 叶轮既指装有动叶的轮盘,是冲动试汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称,是一类具有代表性且造型比较规范、典型的复杂零件。广泛应用于离心泵、离心式压缩机、液力偶合器、轴流式压缩机、搅拌设备。其形状特征明显,工作型面的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科,因此曲面加工手段、加工精度和加工表面质量对其性能参数都有很大影响。1.3数控加工技术概述 随着设计理论和技术的提高,社会对产品多样化的要求日益强烈,产品更新越来越快,多品种、中小批量生产的比重明显增加,此外激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短,传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此,近几十年来,能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的复杂曲面加工的数控机床和相应的数控加工技术得到了迅速发展和广泛应用,使制造技术发生了根本性的变化。三坐标联动铣床是指X、Y、Z三个方向联动,因此可以加工出三维曲面形体。20世纪60年代,国外在航空工业生产中把两个旋转运动引入数控机床,采用五坐标数控铣床加工零件。五坐标铣床是除了X、Y、Z三个方向的直线运动外,再加上铣刀或工件绕X、Y、Z中的两个轴线摆动或旋转。五坐标联动数控是数控技术中难度最大,应用范围最广的技术之一,它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体,应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。目前,较多采用三坐标联动、五坐标联动的数控加工方法来完成复杂曲面的加工。飞机和航空发动机的复杂结构件叶轮、船用螺旋桨等都是五坐标加工的典型例子。 第2章叶轮零件的三维造型第一步、运用圆柱体建立叶轮的底座,圆柱体尺寸为100mm*2mm,如下图所示。第二步、运用圆台工具建立叶轮的主轴,大圆台的尺寸为45mm*50mm,小圆台的尺寸为20mm*15mm,效果如下图所示。第三步、对叶轮主模型进行打孔及倒圆处理,效果如下图所示。孔径为12mm,倒圆半径为20mm。第四步、以XZ平面为基准绘制草图,运用艺术样条工具,结果见下图。第五步、对上步建立的草图进行拉伸50mm,偏置1mm,效果下图所示。第六步、以YZ为平面,建立草图,如下图所示。第七步、对上步建立的草图进行拉伸20mm,效果如下图所示。第八步、运用修剪体命令对叶轮叶片进行修剪,效果如下图所示。 第九步、对叶片进行阵列复制,角度为18,副本为20,旋转轴为Z轴,如下图所示。 第十步、对叶轮模型进行渲染,效果如下图。 以上为叶轮基本建模过程,其中本次叶轮的叶片还采用了扫掠的命令,其中的数据请参考以下数据第三章 叶轮加工工艺分析及工艺规程设计3.1叶轮结构及加工工艺分析 叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。而且能否精确地加工出形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。曲面根据形成原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面。直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面,对于可展直纹面,完全可以使用非数控机床进行加工。而对于非可展直纹面和自由曲面(非直纹曲面)叶片的整体叶轮来说,则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其加工出来。由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能,则利用它进行叶轮加工时,既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削,又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分,避免发生干涉或过切。叶轮的加工需要对叶轮的流道、叶片和圆角主要曲面进行加工。另外,在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足气动性的要求,叶片常采用大扭角和根部变圆角的结构,这给叶轮的加工提出了更高的要求。根据参考具体情况分析出加工难点如下。(1)加工槽道变窄,叶片相对较长,刚度较低,属于薄壁类零件,加工过程极易变形。(2)槽道最窄处叶片深度超过刀具直径的8倍以上,相邻叶片空间极小,在清角加工时刀具直径较小,刀具容易折断,切削深度的控制也是加工的关键技术。(3)本例的整体叶轮曲面为自由曲面,流道窄,叶片扭曲比较严重,并且有明显的后仰趋势,加工时极易产生干涉,加工难度较大。有些叶轮由于有副叶片,为了避免干涉,要分段加工曲面,因此,保证加工表面的一致性也有困难。整体叶轮加工技术要求包括尺寸、形状、位置和表面粗糙度等几何方面的要求,也包括机械、物理和化学性能的要求。在对叶轮进行加工前,必须对叶轮毛坯进行探伤检查,叶轮叶片必须具有良好的表面质量。精度一般集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面,表面粗糙度值应小于R0.8m,截面间的型面平滑过度。另外,叶身的表面纹理力求一致,一致的流水线是最好的纹理表面,但这样又限制了走刀方向,从而在一定程度上限制了加工的刀具轨迹。整体叶轮在工作中为了防止振动并降低噪音,所以整体叶轮对动平衡性的要求很高,因此在加工过程中要综合考虑叶轮的对称问题。在进行CAM编程时,可利用叶片和流道等关于叶轮旋转轴的对称性加工表面,采用对某一元素的加工来完成对相同加工内容不同位置的操作,应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。考虑到整体叶轮实际的工作情况,一般整体叶轮的曲面部分精度高,工作中高速旋转,对动平衡的要求高等诸多要求,结合叶轮的形状、结构特点、材料安排工艺路线如下:1、铣出整体外形,中心定位孔;2、精加工叶片顶端小面;3、粗加工流道面;4、精加工流道面;5、精加工叶片面;6、精加工叶圆根脚3.2零件图样及材料选择 3.2.1零件图样 3.2.2零件图分析 由零件图可以看出该零件是比较不规则,比较难以通过三轴加工的零件。 制做该零件,就应该使用五轴的机床并选用适合的刀具,以及适合的切削用量。在编程过程中应当根据所选机床的种类与控制系统选择适当的后处理程序,以及适合的坐标。3.2.3刀具、夹具,毛坯材料及机床的选择 (1)由于叶轮的面大部分为曲面所以采用球头铣刀,由于叶轮两叶片之间的最小距离为29.7573mm,所以采用直径为16mm球头铣刀开粗,由于叶圆跟脚的最小半径为4.9mm,所以采用直径为8mm的球头铣刀精加工。 (2)由于三爪卡盘可以约束加工叶轮所需要的全部约束,所以采用三爪卡盘对毛坯进行装夹。 (3)由于加工经验的不足,所以采用较软的铝做毛坯材料。 (4)由于叶轮加工需要来回转动,所以带转头的机床不适合加工,所以选择双转盘的五轴机床。 3.2.4零件加工工艺卡片第4章 基于UG叶轮刀具轨迹设计及优化4.1刀具表刀具名称刀具号刀具直径(mm)球头铣刀T01018球头铣刀T0202164.2自动编程分析(1)这类多轴多命令的加一般使用自动编程,本毕业设计中使用的便是UG数控编程。(2)根据零件分析使用UG五轴编程中的叶轮加工模块进行零件的程序编制。(3)根据零件的要求,先对毛坯进行开粗,精铣,铣孔,然后对叶片进行粗加工,再对叶片进行精加工,及叶毂精加工和叶圆根脚精加工。4.3程序参数的设置及刀路(1) 开粗(型腔铣) 切削模式:跟随部件 最大距离为1mm 刀具:R8球头铣刀 刀轴:+ZM轴 切削参数:部件侧面余量2mm 毛坯余量2mm 进给率和速度:转速为3000rpm 进给率2250mmpm ( 2 )铣孔粗加工(型腔铣) 切削模式:跟随部件 最大距离为1mm 刀具:R4球头铣刀 刀轴:+ZM轴 切削参数:部件侧面余量1mm 毛坯余量1mm 进给率和速度:转速为3000rpm 进给率2250mmpm (3)铣孔(型腔铣,精加工) 切削模式:轮廓加工 最大距离为0.5mm 刀具:R4球头铣刀 刀轴:+ZM轴 切削参数:部件侧面余量0mm 毛坯余量0mm 进给率和速度:转速为5000rpm 进给率1250mmpm (4)外形精加工(型腔铣) 切削模式:轮廓加工 最大距离为0.5mm 刀具:R4球头铣刀 刀轴:+ZM轴 切削参数:部件侧面余量0mm 毛坯余量0mm 进给率和速度:转速为5000rpm 进给率1250mmpm (5)多叶片粗加工(刀具:R8球头铣刀) 驱动方法:叶片粗加工(方向:沿叶片方向 切削模式:往复上升) 切削层设置:深度模式为从包覆插补至叶毂(每刀深度为恒定 距离为30%刀具) 切削参数:包覆余量1mm叶片余量1mm叶毂余量1mm 进给率和速度:转速为3000rpm 进给率为2250mpmm (6)叶毂精加工(刀具:R4球头铣刀) 驱动方法:叶毂精加工(叶片边缘点:沿叶片方向 切削模式:往复上升 最大距离:20%刀具) 切削参数:叶片余量0mm叶毂余量0mm 进给率和速度:转速为5000rpm 进给率为1250mpmm (7)叶片精加工(刀具:R4球头铣刀) 驱动方法:叶片精加工(几何体:叶片 要切削的面:所有面 切削模式:单向 切削方向:顺铣 起点:后缘) 切削层设置:深度模式为从包覆插补至叶毂(每刀深度为恒定 距离为10%刀具) 切削参数:包覆余量0mm叶片余量0mm叶毂余量0mm 进给率和速度:转速为5000rpm 进给率为1250mpmm (8)圆角精加工(刀具:R4球头铣刀) 驱动方法:圆角精加工(几何体:叶根圆角 要切削的面:所有面 最大距离:20%刀具) 切削参数:叶片余量0mm叶毂余量0mm 进给率和速度:转速为5000rpm 进给率为1250mpmm第5章 后处理创建&基于VERICUT的加工仿真验证5.1后处理创建 5.1.1概述 针对德西数控MCV850-5(海德汉iTNC530系统)双转台式五轴联动加工中心机床,本文介绍了运用UG软件中的后处理开发工具-后处理构造器,定制五轴机床专用后处理一般步骤和方法。5.1.2 海德汉iTNC 530数控系统辅助功能能否充分发挥数控系统的控制功能是衡量后处理文件优劣的重要指标,该后处理文件中欲加入海德汉iTNC 530数控系统的一些辅助功能,如M128/M129/M126/M127/Cycle 32等。1)M128/M129 指令:M128指令是刀尖点跟随功能,M129指令是取消刀尖点跟随功能。需要注意的是,五轴加工时应在换刀前输入M129,各摆轴复位,换刀后执行M128。2)Cycle 32:该指令保证数控系统自动地将两个路径之间的轮廓平滑过渡(无论补偿与否)刀具与工件表面保持接触。3)M126/M127指令:M126指令是旋转轴短路径运动指令,M127指令是旋转轴取消短路径运动指令。5.1.3MCV850-5专用后置处理程序的制作1.设置机床的基本参数(1)启动NX/后处理构造器程序,新建后置文件,文件名为:MCV850_5。(2)按图5设置以下参数:选择“后处理输出单位”毫米,“机床”为铣床,“控制器”选择“heidenhain_conversational”,然后进入用户编辑界面。图5 新建后处理(3)设置机床的极限参数 按图6设置机床的一般参数。选择“机床”标签中的 “一般参数”页面,设置机床的线性轴的移动极限以及快速进给极限参数;图6 设置机床的一般参数 设置第四轴参数。为防止A轴超程,在“第四轴”页面设置A轴的极限转角最小值为-25、最大值为120; 设置第五轴参数。选择“第五轴”页面点击“配置”按钮,设置“第五轴”的旋转平面为“XY”,修改“文字指引线”为“C”,选择“退刀/重新进刀”单选框,以防止A轴连续插补过大造成反旋转向过切。2) 定义程序头、刀轨移动部分、程序尾。(1) 进入 程序 程序起始序列在“程序开始”程序块里添加程序名、毛坯大小、取消最小角度转动功能与取消TCPM功能。如图7所示:图7(2) 进入 操作起始序列初始移动在“操作起始序列”程序块里添加刀具、启动M126、TCPM (M128)、公差等,如图8所示:图8(3) 进入 刀轨 运动 设定刀轨移动关系 设定“线性移动” ,如图9所示:图9编辑X并设定表达式为 $mom_alt_pos(0)编辑Y并设定表达式为 $mom_alt_pos(1)编辑Z并设定表达式为 $mom_alt_pos(2) 设定“圆周移动”,如图10:图10编辑X并设定表达式为 $mom_alt_pos_arc_center(0)编辑Y并设定表达式为 $mom_alt_pos_arc_center(1)编辑Z并设定表达式为 $mom_alt_pos_arc_center(2) 设定 “快速移动”,如图11所示:图11rap1 表达式为 $mom_alt_pos(0)rap2 表达式为 $mom_alt_pos(1)rap3 表达式为 $mom_alt_pos(2)A 表达式 为 $mom_out_angle_pos(0)C 表达式 为 $mom_out_angle_pos(1)4) 设定程序结束前的机床动作,如图12:图125) 设定“程序结束”,如图13:图13最后保存退出,在保存目录下会生成这三个文件分别是:MCV850_5.def 、 MCV850_5.tcl、MCV850_5.pui,利用后处理构造器中的实用程序下的“编辑模板后处理数据文件”命令编辑template_post.dat文件,如图14所示。编辑template_post.dat时有个小技巧,如本例中需添加MCV850_5的后处理,只要点击“new”按钮,然后浏览选择MCV850_5.pui,就会自动添加,非常人性化。5.2vericut机床的创建选择海德汉530控制系统打开机床基础,导入床身模型文件再建立X Y Z A C轴在C轴上创建夹具与毛培 并将C轴附属在A轴上。Y轴附属在X轴上。Z轴附属在Y轴上。将Z轴抬高。根据测量X Y Z的长度限
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