毕业设计（论文）-课程设计-四叶桨模的数控加工(推进器)-说明书.doc

常州工学院毕业设计说明书（论文）摘 要 本文主要是一个螺旋桨推进器桨模试做的加工过程，叶背光滑导流，叶面保证其渐变的螺距，以保证其准确的实验性能。螺旋桨通常有着极为复杂的空间形状，同时其加工精度要求也很高。桨叶的叶面和叶背均为空间自由曲面的悬臂结构，叶梢、随边部分为薄壁加工，导边切削时要求驱动面容差量小，叶根部分切削空间小、易相干，桨毂为锥体或柱体，此次是一个右旋四叶桨模的加工，选用西门子840C系统控制的五轴联动的XHA756/3型卧式加工中心。利用UG中一些强大的智能化的自动编程功能，创建刀具，调整刀具轨迹，优化工艺路径，生成程序数控程序的最终结果是控制机床的运动轨迹,刀路轨迹靠机床运动来实现的。刀路轨迹到机床可以识别的加工代码文件是通过专用的后置程序处理的,UG软件提供了产生后置程序的平台,我们需要把机床位置特征参数,控制特征参数准确无误地嵌入POST BUILDER中，产生正确可靠的专用后置处理文件。粗加工时，在装夹力承受范围内采用键槽刀低主轴转速大余量低进给切削，提高切削效率；半精加工采用球刀加工去除不均匀余量，为精加工高速低负荷加工奠定基础。精加工时，由于叶片为薄壁加工，系统铣削刚性较差，唯有在高速低负荷加工的情况下，控制切削力减少切削过程中的振动和变形，才能得到高粗糙度、高精度的表面加工质量。又因为叶梢悬臂加工，所以采用单面小余量铣削，减少切削余量避免因切削力大而引起的变形。关键字 矢量 后处理 刀轨 优化工艺路径 加工目录第一章 绪论.1第二章 四叶桨的数控加工.1 2.1 零件的说明.1 2.2 选用的机床.12.3 CAM技术.22.4 工艺分析.22.5 加工手段.22.6 NC编程注意.3 2.6.1 粗加工.3 2.6.2 半精加工.3 2.6.3 精铣加工.32.7 加工工序及工艺设计.42.7.1 粗加工.42.7.2 半精加工.72.7.3 精加工.72.7.4 主程序.9.2.8 机床加工要点.11 2.8.1 螺旋桨数控加工流程.11.2.9 加工实现.122.10 加工特点.12第三章 结论.13致谢14参考文献15 绪论 我所学专业为数控机加工，此次毕业设计是利用UG中一些强大的智能化的自动编程功能来完成有着极为复杂的空间形状，同时其加工精度要求也很高的螺旋桨桨模的试做，利用所学知识创建刀具，调整刀具轨迹，优化工艺路径，再通过其后处理平台，生成程序后导入机床仿真，完成此次多轴连动的加工过程，也让我对先进的数控加工技术有了一定的认识。第二章 四叶桨模的数控加工2.1 零件的说明此零件为货轮推进器，置于船尾，产生的推力可使货轮承载34000吨的集装箱，现按照一定比例试造桨模，放入空泡实验室中实验，得到的数据按照一定比例放大，看是否能满足推进要求。2.2选用的机床西门子840C系统控制的XHA756/3型卧式加工中心表2-1机床的选用 控制 特性机床类别控制系统与微机接口控制系统ATC操作界面智能诊断智能监控驱动方式机床位置控制主轴转速XHA756/3RS232西门子840C30人机交互报警信息无611A（AC）半闭环小于2500RPM 2.3CAM技术当前世界较流行的CAD/CAE/CAM高端软件UG(NXII)，集成度高，信息交换功能强，有着强大的建模功能、二次开发功能， UGCAM具有丰富的加工手段，提供自动编程功能，在编程界面中提示工艺规划的有关问题，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等。UGCAM在整个操作过程中,均提供了交互式产生精确刀位轨迹的方法,整个刀位轨迹的生成过程是透明的,可操作的, UGCAM操作方式的多样性、复杂性,尽管增加了学习掌握的难度,但也使UGCAM系统具备了更强的灵活性与柔性。驾驭水平智能化的自动编程，需要我们创建具有想象力的加工方式、驱动面、辅助体来控制刀路，更需要我们用丰富的经验来控制切削参数。数控程序的最终结果是控制机床的运动轨迹,刀路轨迹靠机床运动来实现的。刀路轨迹到机床可以识别的加工代码文件是通过专用的后置程序处理的,UG软件提供了产生后置程序的平台,我们需要把机床位置特征参数,控制特征参数准确无误地嵌入POST BUILDER中，产生正确可靠的专用后置处理文件。2.4工艺分析螺旋桨通常有着极为复杂的空间形状，同时其加工精度要求也很高。桨叶的叶面和叶背均为空间自由曲面的悬臂结构，叶梢、随边部分为薄壁加工，导边切削时要求驱动面容差尽量小，叶根部分切削空间小、易相干，桨毂一般为锥体或柱体，几何特征大异于型面。四叶螺旋桨，叶片较少，相对而言，刀轴控制的自由度较大，有很大的编程发挥空间；但桨毂面积适中，桨毂铣削方法可选择倒角与桨毂大小端构成的面为驱动面；叶片较薄，桨毂较短，因此桨叶悬臂相对较长。2.5加工手段编程软件当前世界较流行的CAD/CAE/CAM高端软件UG(NXII)，集成度高，信息交换功能强，有着强大的建模、二次开发功能，UGCAM具有丰富的加工手段，提供自动编程功能，在编程界面中提示工艺规划的有关问题，刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等。VERICUT对G代码文件程序进行机床加工模拟、碰撞检查、程序验证。由于四叶桨几何特征的限制，叶片较薄，悬臂相对较长，在精铣时，容易产生震刀，工艺上必须采用高速低负荷的方法加工。刀具在高速低负荷状态下切削时，可以减小切削力，从而减少切削过程中的振动和变形；刀具长度应尽可能短，这样刀具的切削刚性好；应有良好的排屑功能，以防止切屑粘刀、拉伤工件。机床目前的排屑主要靠冷却油冲刷刀具及工件，这样需要刀具与加工面有足够的夹角。但受机床本身的几何特性以及四叶桨本身几何特性的限制，铣削叶背时，如果夹角过大、刀具较短，很容易造成机床A转台与主轴头的相碰，所以编程控制时，需要在保证安全的前提下，综合考虑工艺、质量、效率方面的平衡。另外叶片叶根与桨毂结合部以径向方式加工叶片时，由于上一工序加工残留大，球刀底齿接触到桨毂，速度快时容易引起拉刀，从而损坏、报废桨叶，以对于桨毂与叶根结合部的加工，应采取多管齐下加工的方式，例如不是批量加工而是单件试做，可以适当放慢切削速度或者用立铣刀去除大余量，然后再用球刀铣削。2.6 NC编程注意2.6.1 粗加工（1） 粗加工时叶面、叶背分层型腔加工，使用立铣刀，针对桨叶几何特性选择合适的刀具直径、刀轴矢量。（2） 根据刀具参数、被切削材料加工特点选择相应的切削用量。（3） 粗加工部件留切削余量应大于0.81.0mm。2.6.2 半精加工（1） 叶面、叶背刀轴矢量调整时受桨叶重叠、侧斜、垫高值的影响，矢量方向要求尽量一致，尤其是叶梢两个矢量一致。（2） 使用球铣刀。在许可的情况下，要尽可能选择刀径大、刀长短的球铣刀。（3） 径向每步进刀量约，半精铣后留余量0.60.8mm。（4） 应检查A轴转角，一般不超过(-45+45)如超过(-45+45)，应重新调整刀轴矢量。A轴转角检查适用于任何程序段。（5） 调整刀轴矢量，半精铣留余量0.20.3mm，刀轨径向每步0.50.8。(6) 铣削桨毂，使用球铣刀，半精铣留余量0.1.mm。2.6.3 精铣加工(1) 叶片导随边精铣，使用球铣刀，不留余量。(2) 叶面、叶背刀轴矢量尽量与半精铣加工一致。(3) 在叶片较薄悬臂较长时，应采用单边铣削且叶梢采用小吃刀深度多次铣削。(4) 叶面、叶背精铣使用球铣刀，铣后留精加工余量0.000.1mm。对叶片较厚的留0.000.05mm，较薄的留0.050.1mm。(5) 径向每步进刀量0.2mm左右。(6) 桨毂精铣，使用球铣刀。精铣留余量0.10.2mm。 因受机床固有频率的影响，精铣转速不得高于1800。2.7 加工程序及工艺设计下面以四叶桨为例，说明整个加工过程。四叶桨数控加工工序主要由粗加工、半精加工、精加工三个工序组成。2.7.1 粗加工包含三个加工工步，需要在装夹力许可的范围内，尽可能快地去除残料。 程序名kt1，编程方式：用型腔铣的方法，侧面开通螺旋桨。型腔铣的加工特征是在刀具路径的同一高度内完成一层切削，遇到曲面时将绕过，再下降一个高度进行下一层的切削。主要加工参数设置：加工毛坯为22039.2圆铝饼，如图2所示。构建夹具作为检查体。铣削体为桨叶及桨毂，均留1mm切削余量，12槽刀，每刀切深1.5mm，刀轴与桨毂径向平行。图 2-1毛坯 又因为编程需要只选择四分之一的毛坯，如下图 图2-2 四分之一的毛坯 图 2-3开通刀轨 图 2-4 VERICUT仿真铣削结果此正面开通是卧式铣床铣桨时去除大余量不可缺少的一步，它完成了桨叶的初步四等分成型，叶面与叶背开通是在此基础上完成的。此步骤要注意开通范围要选在余量最多的地方，矢量调整尽量与进刀方向一致。 程序名bkt0.8和mkt0.8用固定轴方法，使用该方法，可在复杂曲面上产生精密的刀具路径，并可详细地控制刀轴与投影向量（即A角转过一定角度后不再跟随矢量调整而旋转，可避免A角间隙对加工的影响以及A角旋转范围的限制）。驱动面为叶背本身，铣削体为桨叶，检查体设置成桨毂，12槽刀，叶片留0.8mm余量铣削叶背残留大余量。 图2-5拉伸叶面与叶背作为毛坯叶面与叶背开通刀轨如下图 图2-6叶背开通 图2-7叶面开通 图 2-8VERICUT仿真铣削结果2.7.2 半精加工包含三个加工工步，采用常规铣削方法，使得工件余量均匀，为精加工能在高速加工过程中保持固定的刀具载荷打好基础。程序名SJMQ0.6，编程方式：用固定轴方法（也可用多轴方法），驱动面为叶面本身，铣削体为桨叶，检查体设置成桨毂，10球刀，叶片留0.6mm余量半精铣叶面。 程序名SJBQ0.6，编程方式：用多轴（五轴联动方法），驱动面为叶背本身，铣削体为桨叶，检查体设置成桨毂，10球刀，叶片留0.6mm余量铣削叶背。 程序名jg0.6，编程方式：曲面驱动，驱动面为桨毂锥面两端与叶面叶背倒角所形成的曲面，铣削体为桨毂及桨叶倒角，可选桨叶为检查体，留0.6mm余量10球刀半精铣叶根及桨毂。2.7.3 精加工包含七个加工工步，为了得到高粗糙度、高精度的铣削效果，采用了高速铣削。在叶面、叶背留有一定余量时，先精铣导、随边，避免最后铣削时因叶片太薄而导致叶片崩边现象，铣叶面、叶背精铣选取四刃球刀，高速铣削时比较平稳，铣削桨毂及清根用两刃球刀，不易拉刀。程序SJDB，编程方式：点、线驱动，驱动线为导边轮廓线，插值方式控制刀轨。图2-9仿真结果 程序名SJSB，编程方式：用多轴（五轴联动方法），驱动面为随边面，插值方式控制刀轨，铣削体为桨叶，检查体设置成桨毂，避免球头底齿接触桨毂而导致拉刀。数据到位，10球刀精铣随边。 程序名b10030，同叶背半精铣操作，加密刀轨，单边铣削叶梢，驱动面设置为桨叶叶背的百分之三十，切削余量设置为0.3mm，10球刀精铣叶背叶梢。 程序名b10005，同叶背半精铣操作，加密刀轨，单边铣削叶背，驱动面设置为桨叶叶背的百分之百，切削余量设置为0.05mm，10球刀精铣叶背。刀轨显示图6，刀轨步距细密，过渡平滑，是理想的精铣刀轨。 图2-10精铣叶背程序名M10030，同叶面半精铣操作，加密刀轨，单边铣削叶梢，驱动面设置为桨叶的叶面百分之三十，切削余量设置为0.3mm，10球刀精铣叶背叶梢。 程序名M10005，同叶面半精铣操作，加密刀轨，单边铣削叶面，驱动面设置为桨叶叶面的百分之百，切削余量设置为0.05mm，10球刀精铣叶面。刀轨显示图7，刀轨步距细密，过渡平滑，是理想的精铣刀轨。图2-11精铣叶面 程序名jg005，编程方式：驱动曲面为桨毂锥面两端与叶面叶背倒角所形成的曲面，铣削体为桨毂及桨叶倒角，桨叶为检查体，留0.05mm余量10球刀半精铣叶根及桨毂。图2-12精铣桨毂2.7.4 主程序MPF9，所有的加工程序由主程序串起，由于是多叶加工，叶片程序只要编制一个程序，其他叶片由主程序调用机床循环指令完成。编制该程序时，注意程序起始及结束时的机床刀具的安全位置。工件装夹好以后，按程序启动键即可开始加工，加工完毕，机床自动停止，整个加工过程无需人工干预。附主程序清单：R0=0R1=4R2=90R3=0N6 G59 C0R3=R3+R2G58 C=R3N8 （子程序名）R0=R0+1121 R0R1 K-6G59 C0G01 Z300 F1000M02 图2-13建模结果2.8 机床加工要点2.8.1螺旋桨数控加工流程螺旋桨型值表输入建立螺旋桨模型模型验证VRICUT工作环境设置，加工体设置构建辅助加工体；加工驱动面；作加工准备建立刀具，加工坐标系，创建加工环境构建加工操作刀轨验证后置输出加工程序机床仿真将加工程序输入机床机床调用程序加工2.9 加工实现加工刀轨通过UG针对西门子840C系统控制的XHA756/3型卧式加工中心机床的后置处理程序生成机床可以识别的代码指令，经过VERICUT仿真验证后，通过计算机以太网接口传入机床控制机，机床调用程序后自动进行加工。编程时加工坐标以机床坐标为基准，机床加工X、Z轴的原点设于A轴轴心，故螺旋桨轴线应与机床C转台同轴， Y轴原点位于C转台轴心，工件通过专用夹具安装在C转台上，保证工件的轴线与C转台同轴，用顶尖对毛坯零点，将数值输入机床坐标。机床加工速度根据不同工况的要求设置（编程时，对部分切削参数已规划好，加工时参照切削力经验公式、刀具的应用性能调整机床的进给速度、主轴转速）。硬质合金刀具铣削切削力经验公式：FC=9.81ae0.9fz0.80 ap zd-0.9其中：ae为切削深度（与编程工步中的加工余量相对应）ap为被加工表面宽度（在螺旋桨加工时表现为径向进刀量，与UG编程中的刀轨步数成反比）d为铣刀直径fz为每齿进给量fz=vf/z/nvf为机床进给速度z为铣刀齿数n为主轴转速因为此加工为桨模试做,切削要视机床具体情况而定。 2.10加工特点粗加工时，在装夹力承受范围内采用键槽刀低主轴转速大余量低进给切削，提高切削效率；半精加工采用球刀加工，由于此时叶片还保留一定余量，系统铣削刚性尚可，震刀问题不很突出，叶面、叶背铣削编程时将桨毂设置成检查体，刀轨保证球头底齿不接触工件，半精加工去除不均匀余量，为精加工高速低负荷加工奠定基础。精加工时，由于叶片余量已很少，系统铣削刚性较差，唯有在高速加工的情况下，控制切削力减少切削过程中的振动和变形，才能得到高粗糙度、高精度的表面加工质量。又因为叶梢悬臂加工，所以分两刀铣削，减少切削余量避免因切削力大而引起的变形。第三章 结论在四叶桨的整个加工过程中，采用西门子840C系统控制的XHA