整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究

南昌航空大学高职学院毕业设计（论文）任务书I、毕业设计论文题目叶轮复杂曲面造型及数控加工编程II、毕业设计论文使用的原始资料数据及设计技术要求1原始资料叶轮复杂曲面零件蓝图或数据及其技术要求，零件生产批量为单件生产；2结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对叶轮的五轴数控加工进行研究；3利用B样条曲线插值反求直纹面叶片的方法，进而借助CAD完成了叶轮几何造型；4对三维叶轮零件进行数控加工仿真，形成刀位轨迹并完成数控加工编程；III、毕业设计论文工作内容及完成时间1收集有关资料（2周）2对叶轮的五轴数控加工进行研究；（2周）3熟悉B样条曲线插值反求直纹面叶片的方法，完成了叶轮复杂曲面几何造型4周）4对三维叶轮零件进行数控加工仿真，形成刀位轨迹并完成数控加工编（3周）5绘制图纸，撰写毕业论文。（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，2001102曾向阳，谢国明UGNX基础及应用教程（建模、装配、制图）北京电子工业出版社，20033盛晓敏等先进制造技术，北京机械工业出版社，200094李鲤，刘善春基于UG下的数控加工快速编程，大众科技，20057815FBACKSCONCURRENTMANUFACTURINGOFPARTSANDTOOLSFORTHESHEETMETALINDUSTRYINTELLIGENTMANUFACTURING19989,3473526赵玉刚、宋现春数控技术北京机械工业出版社2003高职学院院（系）专业类069021班学生（签名）日期自年月日至年月日指导教师（签名）敖志强助理指导教师并指出所负责的部分飞行器制造工程系（室）主任（签名）摘要整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究学生姓名班级069021指导老师摘要叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，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。故叶轮的设计与制造密不可分。传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毅上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。近年来，多轴数控技术尤其是五轴数控技术的发展使得叶轮的整体加工成为可能并日益普及。本论文以整体叶轮曲面造型及数控加工工艺研究等为核心内容，结合数控加工过程中的外延内容如几何建模等技术，对整体叶轮的五轴数控加工进行了较为全面的研究。讨论了利B样条曲线插值反求直纹面叶片型线的方法，进而借助UG完成了直纹面形式的整体叶轮几何造型。结果表明针对一组空间坐标点和各点处的厚度值，采用累加弦长参数化对其进行三次B样条曲线插值，可保证该空间曲线二次连续，同时各点处的厚度值也二次连续，这种方法可用于多维数据的插值与逼近。数控加工是CAD/CAM技术中的重要环节之一，刀位轨迹规划又是数控加工技术的关键，本文也重点讨论了整体叶轮零件的刀位轨迹规划问题。首先，给出了毛坯的制备、定位基准及加工路线的拟定、刀具类型和切削参数的选择；然后介绍了整体叶轮零件粗加工阶段的刀轨规划，采取分层渐进的方式对毛坯进行分层铣削；最后分析了整体叶轮叶片曲面的局部曲率变化特征，以相对于驱动面方式规划精加工刀轨。由于叶片空间重叠区域大，在加工过程中，重点考虑了刀轴矢量的控制，在UG上完成整体叶轮零件的模拟加工过程。关键词整体叶轮B样条曲线插值直纹面刀位规划仿真目录摘要I目录I第一章绪论111数控加工技术概述112复杂曲面造型技术213复杂曲面零件数控加工技术314论文的主要研究内容和工作5第二章复杂曲面的CAD造型方法621引言622整体叶轮三维造型研究9221叶轮原始造型数据9222创建叶轮923本章小结14第三章复杂曲面零件的数控加工编程1531整体叶轮零件数控加工工艺设计15311选择材料和确定毛坯15312选择定位基准15313拟定加工路线16314确定工序具体内容16315数控加工工序的定位装夹设计1732螺旋桨零件数控加工程序编制18321确定加工坐标系18322刀具类型及参数18323切削参数21324五坐标数控刀具轨迹规划24325刀轴控制方式3033本章小结31第四章结论3241结论32致谢34第一章绪论11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。数控加工技术中除了机床制造的硬件技术以外，还有一项重要技术就是数控加工程序编制技术，它直接影响到数控机床加工的精度与效率。MIT与美国各飞机公司合作，研制了第一代数控加工自动编程工具APT语言，它是对工件、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用的一种接近于英语的符号语言。随后，世界各国还发展了各有特色和专业性更强的APT衍生语言。我国机械工业部自动化研究所、航空工艺研究院以及飞机工厂等先后开发了PCL、SKC2、SKC3、CAM251、飞龙79、飞龙81、CSURF、AD80、NC87、APT/X、APT/GI、CAMS、CADS等加工编程和曲面造型/加工系统，完成了多种飞机型号的全机外形定义和关键零件加工1。目前，应用较为广泛的CAD/CAM通用系统有PRO/ENGINEERING、UG2、CATIA3、MASTERCAM、SOLIDWORKS、CIMATRON、DELCAM、IDEAS4等等。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MAX5，MAXAB，STARRAG程序等还有专门用于加工仿真的VERICUT等等。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。一般来说，数控加工技术涉及到的内容较多，以加工的技术要求及现有加工设备和工人技术水平选择合适的工艺方案，机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照数控系统所要求的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得到最优的加工程序。12复杂曲面造型技术零件的表面形状一般可分为两类7一类是可以用画法几何与机械制图的方法完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息的由初等解析曲面（例如平面、球面、圆柱面、圆环面圆锥面、等）组成的零件，大多数机械零件属于这一类，；第二类是不能由初等解析曲面组成，即不能由基本的立体要素（如棱柱、锥、球、有界平面等）描述的呈自然形状的曲面，而是由有限个型值点的坐标参数来确定的空间曲面，以复杂方式自由变化的曲线曲面，例如飞机、汽车、船舶的外形零件。显然，后一类形状无法单纯用画法几何与机械制图表达清楚，属于复杂零件。在复杂零件中，曲线、曲面的表示经历了FERGUSON（HERMIT）双三次曲面片，COONS双三次曲面片，BEZIER方法，B样条方法，发展到目前广泛流行的NURBS方法8。NONUNIFORMRATIONALBSPLINES（NURBS）是一种交互式3D模型曲线表面技术。现在NURBS已经是3D造型业的标准了。通常对曲线、曲面的描述有三种形式9显式、隐式和参数表示。从计算机图形学和计算几何的角度来看，参数表示法具有明显的优越性。参数方程有代数和几何两种形式，两者之间可以自由变换。目前从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性；从表示方法来看，以网格细分（SUBDIVISION）为特征的离散造型与传统的连续造型相比，更有创新之势；以下列举的是近些年在国际国内研究比较多也是应用比较广的新的曲线曲面造型技术7基于物理模型的自由型变形（FREEFORMDEFORMATION）、基于散乱点的曲线曲面的造型方法、偏微分方程（PARTIALDIFFERENTIALEQUATION）构造自由曲面法、能量优化造型法、小波分析法等等。13复杂曲面零件数控加工技术刀位和加工路径的规划技术是数控加工技术的核心内容。在零件造型完成以后，根据零件的形状，给定的允差，选取合适的机床、刀具、走刀方式、刀位、进给速度的自动优化选择与自适应控制，最终给出刀具的加工曲面的运动轨迹。刀具轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削负荷均衡。数控加工刀位规划问题同所采用的刀具以及加工过程中曲面的成形原理密不可分。在五坐标数控机床上，至今仍然广泛采用球头刀进行加工。由于球头铣刀端部轮廓为球面，刀具与曲面的接触为点接触，且是唯一接触点，当给出被加工曲面的参数方程后，利用球面法矢自适应性作一等距面，便能方便计算出球头刀在被加工曲面上的数控加工轨迹。在不干涉的条件下可以加工任意复杂曲面，由于球面的点对称性，仅需确定球心相对于设计曲面的位置，一般勿须考虑刀具的姿态，这就给刀位确定带来了很大的方便。但是，球头铣刀的切削速度随着趋近刀底部而趋近于零，这时球头铣刀相当于挤压被加工面，导致工件表面质量恶化，而且在一次走刀下加工的带宽较窄，严重制约了其加工的精度或效率。至上世纪90年代开始，在五坐标数控机床上人们开始采用非球头刀进行加工，首先关注的热点是平头刀和圆环刀的端铣加工。SUSAN和CHOI11,12研究发现，当被加工曲面几何尺寸较大时，法曲率较小，在五坐标机床上采用平底铣刀比球头铣刀加工的精度、效率更高。但是，由于平底铣刀不具备唯一接触点和对曲面法矢的自适应性，故刀具干涉问题突出，对非球头铣刀数控加工无干涉刀位轨迹的计算是一个难点和热点。多坐标数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础和关键，近几年来，国内外许多学者和工程技术人员对此进行了大量的研究工作，针对不同的加工对象提出了许多实用的计算方法，并得到了广泛的应用。（1）STRUTZ算法13，即刀轴倾斜法。曲面在刀触点（刀具和曲面的切点为刀触点）处的法矢量与刀轴之间的夹角为STRUTZ角，如图11所示。刀具在沿着刀轨运动时，刀轴矢量随着曲面的法矢量变化而改变，但保证两者之间的STRUTZ角不变。这种方法已经作为通用算法集成到UG和PRO/E等商业CAD/CAM系统中，是目前应用最广泛的算法，但STRUTZ角的确定需要凭经验得到，一般在510之间，过小可能会引起误差，过大则会增大残留高度，表面质量变差，这使STRUTZ法增加了难度。图11刀轴倾斜法基本原理（2）PAM（PRINCIPALAXISMETHOD）算法14,15，也称主曲率匹配法，其基本原理如图12所示。根据微分几何原理16，曲面上任意一点都存在两个主方向且相互垂直，曲面在这两个方向上的曲率分别是过该点的所在曲率中最大值和最小值。主MAXKMINK曲率匹配法的基本思想是当刀具在切触点处沿设计曲面的最小曲率方向走刀时，得到的行距最大，确定走刀方向的过程就变成了对设计曲面的最小曲率方向匹配过程；在切触点处，当曲面和刀具扫描面在垂直于走刀方向的平面上的有效曲率半径最为接近时，得到的行距就是最大的。可以得到行距，其中，表示SIN8MINKHLL切削带宽；表示残余高度；表示刀轴与Z轴的夹角，即后跟角；表示最小主曲HI率。刀轴最佳倾角，其中，表示最大主曲率；表示刀具半径。ARCSINMAXRKMAXRPAM算法在计算原理和方法上做了大量简化，以牺牲精度来换取较大切削带宽，干涉检查比较困难。图12主曲率匹配法基本原理（3）密切曲率法17,18,19在接触点处，使刀具的包络面与被加工面表面在垂直于进给方向的截面中达到三阶切触的一种方法，由于是基于刀触点的曲率信息进行刀KMAXKMIN位计算，所以也存在PAM算法同样的问题。（4）MPM法20和HERMITE算法21,22的思路相似，是国际上最近提出的两种比较先进的五坐标刀位优化算法，认为在刀具工件间存在两个刀触点时切削带宽最大，也有一些参数要凭经验确定。此外，还有一些其他刀位算法，如最短距离线算法23等。除以STRURZ算法为典型的窄带加工方法得到了实际应用以外，大多数宽带算法都无法实用化。刀位轨迹规划包含走刀控制策略的确定，如等参数法24、等距截平面法25、等距偏置法、等残留高度法26,27等。14论文的主要研究内容和工作我校航空与机械工程学院2005年引进瑞士MIKRON公司的UCP600VARIO五轴联动立式高数控加工中心，该机床是专门针对中小型复杂零件精密加工设计的，在设计中采用了最新的材料和技术，目的是为了保证多轴部件大功率高速度加工时的动态特性，还结合了米克朗高速主轴技术，机床最高转速可达20000R/MIN。与HEIDENHAINITNC530数控系统相结合，再配合圆形回转和摆动工作台，UCP600VARIO机床基本能满足工模具、医疗器械和精密壳体类零件加工所需要的所有要求。本文的研究工作正是在上述背景下进行的，主要内容如下（1）复杂曲面零件造型研究以整体叶轮零件为研究对象，分析其几何特性，将设计图谱给定的二维数据转换为三维数据，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造型的基础之上，进一步完成零件加工路径规划，根据主曲率匹配法的原理，分析求得刀位点处最优的刀具倾角，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。第二章复杂曲面的CAD造型方法21引言计算机辅助设计的根本任务是为产品的开发和生产建立一个全局信息模型28，对零件曲面或实体进行造型是零件进行数控加工的前提条件。CAD三维造型技术的发展经历了线框造型、曲面造型、实体造型、参数化造型及变量化造型技术等五个阶段。线框造型技术29早期三维CAD技术是由点、线集合方法构成的线框式系统。线框造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何体。可以生成点、直线、圆、二次曲线、样条曲线等，又可以对这些基本线框元素进行修剪、延伸、分段、连接等处理，生成更复杂的曲线。线框造型的另一种方法是通过三维曲面的处理来进行，即利用曲面与曲面的求交、曲面的等参数线、曲面边界线、曲线在曲面上的投影、曲面在某一方向的分模线等方法来生成复杂曲线。实际上，线框功能是进一步构造曲面和实体模型的基础工具。在复杂的产品设计中，往往是先用线条勾划出基本轮廓，即所谓“控制线”，然后逐步细化，在此基础上构造出曲面和实体模型。线框的数据存储量小，操作灵活，响应速度快。由于线框的形状用棱线表示，只能表达基本的几何信息，因而在使用时有很大局限性。（1）曲面造型技术曲面造型技术是在线框造型技术的基础上增加了环边信息及表面特征，由有向棱边围成的部分来定义形体的表面，表面也可以是曲面，由面的集合表示形体可满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图等需要30。由于面之间没有必然的关系，形体在面的哪一侧无法给出明确的定义，因此无法完整地进行物理特性计算、有限元分析等。曲面造型分两种方法，一是由曲线构造曲面；二是由曲面派生曲面。1）由曲线构造曲面A旋转曲面一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。B线性拉伸面一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。C直纹面在两曲线间，把其参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。E扫描面截面发生曲线沿一条、二条或三条方向控制曲线运动，变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射状扫描曲面。F网格曲面由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成；而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。G拟合曲面由一系列有序点拟合而成的曲面。H平面轮廓面由一条封闭的平面曲线所构成的曲面。I二次曲面椭圆面Q抛物面，双曲面等。2）由曲面派生曲面A等半径倒圆曲面一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。B变半径倒圆曲面半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。C等厚度偏移曲面与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。D变厚度偏移曲面在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。E混合曲面（桥接曲面）在两个（或多个）分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。F延伸曲面在曲面的指定边界线处，按曲面的原有趋势（或某一给定的矢量方向）进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面。G修剪曲面把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。H拓扑连接曲面把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。（2）实体造型技术实体模型由若干表面组成的闭包，这些表面之间具有一定拓扑关系。表面之间通过环、边、点建立联系，表面的方向由围绕表面的环的绕向决定，表面法矢总是指向形体之外30。曲面造型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达。实体造型技术包含的内容有以下几点1）基本体素A拉伸体一条封闭的曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的实体，包括方体。B旋转体一条封闭曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的实体。包括圆柱体、圆锥体、球体等。C扫描体一条或多条封闭的截面曲线沿一条轨道按一定的规律运动而生成的实体。D等厚体与原始曲面偏移给定厚度值而形成的实体。E缝合体由一组封闭曲面缝合而成的实体。F倒圆体在实体的棱线处，生成一个与该棱线处的两相邻表面相切的圆弧型过渡体。G倒角体在实体的棱线处，生成一个给定角度和长度的倒角体。2）工艺特征形体包括凸台、凹腔、孔、键槽、螺纹、筋等。3）拓扑操作对体素进行并、交、差布尔运算及用曲面片体修剪体素而生成新的实体。（3）参数化造型技术前面所述几种造型技术均是基于形体的几何尺寸进行造型的，它们的模型都不包括定位基准、公差、表面粗糙度、加工和装配精度及材料信息等，因此几何造型不能满足机械产品设计及加工要求。参数化造型方法是基于特征的实体造型方法，其主要特点有用尺寸参数来约束特征及其他几何对象的形状，通过尺寸约束来控制和修改几何形状，所有这些尺寸参数都是可调的变量参数；当需要修改几何对象的形状时，只要编辑与该形状相关的尺寸参数即可；模型的形状与其约束的各几何对象的尺寸完全相关，几何对象相应的尺寸参数的修改将使同一模型在不同的应用模块中的相关尺寸自动更新。应用参数化造型方法的最具代表性软件是PRO/ENGINEER。（4）变量化造型技术变量化造型技术是在参数化造型技术的基础上的改进，将参数化技术中的单一尺寸参数分成“形状约束”和“尺寸约束”。形状约束通过几何对象之间的几何位置关系来确定，不需要对模型的所有几何对象进行全约束，既可以欠约束，也可以过约束，不影响模型的生成。可以直接修改三维实体模型，而不一定要修改生成该三维模型的二维几何对象的尺寸。22整体叶轮三维造型研究221叶轮原始造型数据（1）叶轮叶片数据的获取方法叶轮叶片数据的获取主要有两种方法一种是通过逆向工程获取数据点，一种是通过理论计算获取数据点。逆向工程是把原型的几何尺寸通过各种测量方法（如三坐标测量机、激光跟踪仪、三坐标测头等）转化成一个数据文件，然后重新建立此零件的CAD模型的技术。重建零件的过程为通过每一个截面内的型值点采用三次样条曲线进行插值计算，然后进行光顺处理。对于拐点较多的曲线进行光顺时，可用最小能量法。光顺的标准是只保持叶型有规律的拐点，去除其它多余的拐点，对叶型线曲率变化率未作规定。这种方法可以降低设计零件的周期，但是加工出的零件性能并不能高于原型。理论计算是根据流体力学原理计算出来的叶片的叶型数据，本文的原始造型数据就是通过逆向工程获取的数据。（2）创建UG支持的数据文件叶轮造型的叶片是根据截面数据进行拟合的，所以必须把原始数据文件进行处理使之符合UG所能识别的格式，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。所以要编写一个小程序，将叶片的原始数据点处理成N个截型线数据文件，其中每个截型线对应叶片原始数据文件中的一个基元线，将每个截型线数据点建成一个DAT格式的数据文件，这样如果有N条基元线，就需要建立N个DAT格式的数据文件，为建立曲面模型做准备。通过以上处理，才可以根据曲面的连续、光滑性要求，在UG的自由曲面模块中，由叶片的离散数据点拟合生成光滑的准确的闭合曲线，从而再通过这些曲线生成叶片曲面。222创建叶轮叶轮创建的流程图如图21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21叶轮创建流程图（1）创建样条曲线创建了UG支持的数据文件后，打开UG系统，建立一个新的PART文件，从菜单栏中选择应用|建模命令，进入建模状态。导入数据文件，绘制样条曲线。从菜单栏中选择插入|曲线|样条命令，系统弹出样条对话框，根据需要选择其中的一种拟合方式，把已生成的DAT格式文件导入，系统将按照数据绘制样条曲线。按照上述方法用其它的DAT文件中的数据绘制其它的样条曲线，如图22图22（2）通过曲线串生成叶片片体从菜单栏中选择通过曲线组命令，系统将弹出对话框，分别选取已建的样条曲线串，注意统一起始元素，如图23图23否则拟合成的曲面将会发生空间扭曲。这样就自动形成了叶片片体（如图23），图23（3）延伸片体（4）采用通过曲面组和艺术曲面方法生成缝合面（5）缝合曲面生成叶片实体如图24图24（6）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25所示。图25（7）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26图268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。9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N1次，这样就完成了N个叶片在轮毂上的均匀分布，如图27图278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28图2823本章小结本章基于UG的自由曲面造型功能，对提供的叶片原始数据文件进行前处理，然后利用UG中基于NURBS建立的叶片型面的样条曲线，构造叶片空间型面，更精确的反映叶片的曲面形状，有利于叶片的实际加工。本文是针对叶轮的三维造型所采用的技术处理方法进行分析，对解决不同领域的类似问题也是很有益的借鉴。值得注意的几个问题（1）对已知离散点的曲面造型，首先要对数据文件进行前处理，使之符合UG所能识别的格式。（2）一般认为曲线的阶数越高，曲线越光滑，但在实际叶型曲面拟合时采用3阶的曲线，实践证明是最适合工程要求的。第三章复杂曲面零件的数控加工编程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。31整体叶轮零件数控加工工艺设计311选择材料和确定毛坯整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后用数控车床车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件可以通过整体加工制造出来，因此较理想的毛坯是锻压件它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少。由于本微型叶轮是航空发动机的关键部件之一，他对材料的要求是在保证零件有足够的强度时尽量减轻零件的重量。在综合考虑零件的使用性和工艺性之后选择采用牌号为LD80的铝合金。图31整体叶轮锻件毛坯312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。313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32拟定加工路线通常为防止加工时叶片变形，改进切削工艺，高速铣切削能够有效的降低叶片弹塑性变形，提高切削速度，降低切削区域温度，改变了切屑成形原理和去除机理，降低切削力，减少了变形；改进工艺路线，先加工刚性薄弱的叶尖部位，后加工叶根部位；改进工艺参数，降低精加工切削量，使用锋利的刀具，多轴加工中增大后跟角等。拟定的加工路线如图32所示。314确定工序具体内容根据零件的加工工艺要求，进行工序的划分，内容包括确定走刀次数和加工余量，不同的加工工序，其加工余量、精度和表面粗糙度是不一样的。UG/CAM默认划分三个工序粗加工、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。首先给定一个Z值，确定出该Z值处的XY平面，求出该平面与相叶片等距面（偏置距离粗加工余量）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，用ZIGZAG模式把预定义的刀位连接起来，形成粗加工刀轨，叶片和流道面的精加工选择UG多轴铣削模板。各工序内容如表31所示。表31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R122500120070212半精加工叶背和叶腹变轴铣球刀R5300090040080253半精加工流道面变轴铣球刀R53000900080254精加工叶背和叶腹可变轴铣球刀R350004000305精加工流道面可变轴铣球刀R55000400030315数控加工工序的定位装夹设计在金属切削机床上进行加工时，为了保证工件加工表面的尺寸、几何形状和相互位置精度等要求，在加工方法确定之后，需要解决的主要问题之一是，使工件相对于刀具和机床占有正确的加工位置，即工件的定位，并把工件压紧夹牢，以保持这个确定了的位置在加工过程中稳定不变，这就涉及到机床夹具的设计和使用。夹具的安装使得工件相对于机床占有正确的位置。图33夹具结构示意图夹具由上下两部分组成。下部是一个开槽的圆盘，用螺栓紧固在工作台的T形槽里面夹具的上部分主要是一个直径为10MM的心轴。为了提高夹具的刚度，心轴的下部采用圆锥结构，心轴的上端是一个螺杆，用压板压紧螺旋桨，然后用螺母锁住。夹具的上下两部分是用六个内角螺钉紧固在一起的。如图33所示。32螺旋桨零件数控加工程序编制321确定加工坐标系生成刀具轨迹前，必须要确定刀具轨迹所在的坐标系，这个坐标系就是加工坐标系（MCS），加工坐标系与机床坐标系有着密切的关系。在数控铣床和加工中心上，机床坐标系的3个轴就是3个导轨方向，而机床上的原点就该机床坐标系的坐标原点。MCS的三个轴和机床坐标系的三个轴相对应，坐标原点就是对刀点。本文中设定螺旋桨轮毂面中心为加工坐标系原点。如图34所示。图34加工坐标系322刀具类型及参数要实现数控加工的高速、高精与高效，一个重要因素就是如何根据加工对象选用合适的刀具。（1）铣刀的材料及结构39,40刀具工作时，要承受很大的切削力。同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在刀具、切屑、工件相互接触表面间产生的强烈摩擦，使刀具的切屑刃产生高温和受到很大的应力，故刀具会迅速磨损或破损。因此刀具材料必须具备高硬度和强的耐磨性，足够的强度和韧性，红硬性和良好的工艺性。铣削时对刀具的刚性有严格的要求，刀体伸出刀柄愈长，刀具的刚性愈差，铣削时愈容易产生颤振，影响工件的表面质量，还容易断刀。刀具材料主要涉及到刀具材料的硬度，一般常用的刀具材料有高速钢和硬质合金钢两种，其它非金属材料的有陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。高速钢具有较高的强度和韧性，具有一定的硬度和耐磨性，适用于制造各种复杂刀具。高速钢刀具制造工艺简单，成本较低；硬质合金的硬度、耐磨度、耐热度很高，因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，当刀具耐磨度相同时，切削速度可提高410倍，所以在高速铣削中常用硬质合金。但是硬质合金制造工艺复杂、价格较高。铣刀的主要结构参数包括直径和齿数的选择。铣刀直径的选择应首先考虑零件加工部位的几何尺寸与形状，在保证铣刀有足够的强度和刚度、减少走刀次数、提高生产效率的前提下，应尽可能选择直径较大的铣刀。铣刀切削刃长度只要能保证将零件铣出即可，当D/L04时铣刀刚性差；当D/L05时，刚性较好。铣刀端刃圆角半径R的大小应与零件尺寸要求一致，但粗加工中铣刀尚末切削到零件的最终轮廓，R可选得小一些。铣刀刀齿数的选择应考虑到刀具材料的刚度、耐磨性、精度的要求，一般刀齿数愈多，心部实体直径增大，刚性提高，但排屑性能差，所以刀齿数多、螺旋角大的立铣刀适宜精加工、半精加工，反之，则用在粗加工。直刃立铣刀加工时，切削刃全部同时切入工件，同时离开工件，这样反复作用加工容易引起振动缺损，加工表面质量不佳，作用在刀刃上的切削力作用在同一方向上，使刀具弯曲，故曲面加工精度较差。螺旋刃立铣刀加工切入工件时，刀刃上某点其受力位置随刀具回转而变化。结构上难以引起振动，作用在刀刃上的切削力垂直于螺旋角方向，并分解为垂直分力与进给分力，使刀具弯曲的进给分力减小了，故曲面加工精度较好。螺旋角的选择与切削振动、磨损、加工精度有关，一般选择大的螺旋角，其理由是螺旋角越大参与切削长度越长、切削力在长切刃上被分散，如图35所示。但是螺旋角也不是越大越好，螺旋角越大，垂直于刀具分力就越大，就不适合加工刚性差的工件。还有切屑排出性也变差了。图35螺旋角大小与受力力情况碳素钢、合金钢、铸铁、铝合金、纯铜和塑料等加工可以选用45螺旋角和30螺旋角。钛合金、镍合金、不锈钢等难切削材料和高硬度钢等加工选用60螺旋角。（2）刀具的类型数控加工中常用的刀具主要有平底铣刀、球头刀、端铣刀、环形刀、锥形刀和鼓形刀。下面依次分析其各自的铣削特点和应用场合。1）平底立铣刀平底立铣刀主要以周边切削刃进行切削，切削性能好，是铣削加工的主要刀具。它主要用于平面铣削（如凸台、凹槽以及平底开腔等）、二维零件的周边轮廓铣削、立体轮廓粗加工和多坐标精加工，而且也可应用于立体轮廓的三坐标精加工。在多坐标加工情况下，平底立铣刀的应用有侧铣和端铣两种方式。侧铣方式主要是应用于直纹面的加工，由立铣刀周边切削刃一次成形，加工效率高，并可有效保证型面质量。端铣方式主要应用于不适合侧铣加工的其他情况，它采用一行一行的行切方式加工。这种方式在保证刀具不与被加工曲面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底部贴近被加工表面，这样切削条件好，并有效抑制切削行间的残余高度，从而减少走刀次数。2）球头刀球头刀主要用于三维立体轮廓的三坐标加工，在五坐标加工中也能用到。球头刀对于加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工过程中，越接近球头的底部其切削条件越差（切削速度低、容屑空间小等）。因此，在需要刀具底部切削（如型面平坦部位的加工等）的情况下，加工效率难以提高且刀具容易磨损。另外，球头刀加工时的走刀行距一般也比相同直径的其他刀具加工时小，因此效率较低。3）端铣刀端铣刀主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓（如大型叶片、螺旋桨、模具等）的多坐标铣削，以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。4）环形刀环形刀是在周边切削刃与底面切削刃之间以一段小圆弧过渡，主要用于凹槽、平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加工，其工艺特点与平底立铣刀类似，切削性能好。而且与平底立铣刀相比，由于环形刀的切削部位是圆环面，切削刃强度较好且不易磨损。5）锥形刀锥形刀刃磨容易，切削条件好，能够获得高的加工效率，特别是对于底部狭窄的通道零件的加工，如叶轮的侧铣加工。采用锥形刀可以介入通道底部，在满足结构空间限制的情况下增加刀具的刚度，避免了刀具的振动，从而提高加工效率与精度。6）鼓形刀鼓形刀多应用于一般表面的多坐标侧铣。由于它在包含轴线的截面内的形状是曲线，所以它比圆柱面或圆锥面侧铣的适应能力强。但是，鼓形刀的缺点是刃磨较困难，切削条件较差，而且不适于加工内缘表面。在编程之前，首先确定要使用的刀具。在UG/CAM中，通过专门刀具创建操作来确定刀具。在UG中确定刀具的方式有两种用户自定义刀具和从刀具库获取刀具。本文在对螺旋桨零件进行粗加工时选用了12MM的平铣刀，刀具长度75MM，刃长50MM，刀柄直径为50MM，长度为20MM。粗加工过程中采用型腔铣（MILL_CONTOUR）方法对流道进行开粗，此方法开粗效率高、加工质量稳定，所以选取平铣刀可以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。半精加工和精加工时选用了5MM的球头刀，刀具长度75MM，刃长50MM，刀柄直径为30MM，长度为20MM。由于在多坐标加工中，球头刀对于加工对象的适应能力很强，而且编程与使用也较方便，所以本文选取了球头铣刀。参数设置如图36和图37所示。图3612MM平铣刀参数图375MM球铣刀参数323切削参数切削参数主要包括主轴转速、进给速度、背吃刀量和切削宽度等。（1）主轴转速N主轴转速的选取应根据所采用的机床功率、刀具材料和尺寸、被加工零件的切削性能和加工余量来综合确定。（M/MIN）（31）10DNV式中铣刀的直径（MM）主轴转速（R/MIN）（2）进给速度FV进给速度是切削用量的主要参数，要根据零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、机床的性能和工件材料选取。所谓进给速度是指加工过程中，切削刃选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。对于铣削而言，铣刀的每个齿就相当于一个切削刃。在复杂形状零件的加工中特别是多坐标加工，如果进给速度是恒定的，材料切除率常常波动并且可能超过刀具强度的极限，而导致刀具折断，机床各运动轴的速度和加速度也可能超出允许的范围。进给速度和每齿进给量有关，粗加工时，每齿进给量的选取主要决定于FVZFZF工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀类型。工件材料强度和硬度越高，选取的越ZF小，反之则越大；同一类型的铣刀，采用硬质合金材料的每齿进给量应大于高速钢铣刀；而对于面铣刀、圆柱铣刀、立铣刀，由于它们刀齿强度不同，其每齿进给量值的ZF选取按面铣刀圆柱铣刀立铣刀的排列顺序依次递减。在精加工时，每齿进给量的选取要结合工件表面粗糙度的要求来考虑，表面粗ZF糙度值越小，每齿进给量就越小。一般情况下，每齿进给量和切削速度，可从ZZFFV有关金属切削工艺册中查出。在确定了进给速度后，就可以以此为标准确定一些非切削运动的速度，包括快速进刀/退刀、趋近速度、横越速度以及第一刀进给速度。前面的速度可以根据机床的性能取到最大，而第一刀进给速度，应该比正常的进给速度小很多，对于铸铁和钢件而言，一般为正常进给速度的30。（3）背吃刀量背吃刀量，是指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。在机床动力足够和工艺系统刚度许可的条件下，应选取尽可能大的背吃刀量。一般情况下，在留出精铣和半精铣的余量052MM后，其余的余量可以作为粗铣的背吃刀量，尽量一次切除。半精铣背吃刀量可选为0515MM，精铣背吃刀量可选为0205MM。（4）切削宽度在复杂曲面的铣削加工中，切削宽度的确定就是走刀行距的确定。相邻两条估计轨迹线上对应刀位点之间的距离称为走刀行距，其大小是影响曲面加工精度和效率的重要因素。由于球头刀加工会在走刀方向上形成走刀步长残留，同时在相邻走刀行之间形成行距间残留41,42,43，行距过大得到的残留高度就大，相应的表面粗糙度就会增大，后续处理加工量加大；行距过小将使加工时间成倍增加，同时还导致编程效率的下降以及零件加工程序行的成倍增加。因此，为了既满足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有较高的生产效率，必须合理确定行距。在一些比较成熟的CAD/CAM编程模块中都提供了较有效的刀具轨迹规划算法和相关的步距确定方法。一般情况下，在粗加工中，为了能够大量且有效的去除毛坯材料，对表面粗糙度的要求不是很高，所以可以选择比较大的切削宽度，在曲面型腔铣或型芯铣的粗加工中，就可采用直径比较大的平底铣刀，所选取的切削宽度为刀具直径的2/3，同时也要考虑刀具的强度和耐用度，适当修正前面的切削深度。在精加工中，由于加工的精度和表面粗糙度都要求很高，所以在加工过程中采用小直径的球头铣刀，所选择的步距就应该比较小，一般可选择0103MM左右。在确定切削用量参数时要根据机床说明书的要求和刀具的耐用度去选择和计算，当然也可以结合实践经验，采用类比法去确定。确定切削条件的目标是要生成具有最大材料切除率NC程序，同时保持稳定的切削状态与要求的加工精度。在影响铣削过程切除率的参数中，轴向与径向切削深度必须在刀具轨迹生成时确定，而进给速度与切削速度则可以以其后进行调节。因此，首先就确定轴向与径向切削深度以获得最大的材料切除率，然后再考虑切削力的限制与刀具承受力对进给速度进行选择。零件粗加工一般采用层切法加工。在确定了切削区域后，接下来就是确定切削层，UG/CAM中切削层包含两个内容，切削深度范围和每刀切削深度。切削层选取从顶面下降到56MM深度的范围，每层切削2MM。进入UG的CAVITYMILL模板设定粗加工切削参数，包括加工余量、安全间隙、公差等加工精度参数，还包括进给率、切削模式、切削类型、行距等。本文中的设置参数为进给率1200MM/MIN，切削模式选择FOLLOWPERIPHERY，行距选择刀具直径的70。在CUTTING参数设置里选择切削方向为INWARD由毛坯外缘向内铣削，到刀路轨迹如图38，39模拟加工如图310，311图38开粗刀轨图39扩槽刀轨图310开粗模拟结果图311扩槽模拟324五坐标数控刀具轨迹规划刀具轨迹规划的目的就是针对待加工零件产生一组刀位点，使得在保证加工精度的前提下，加工效率最高。对于二轴、三轴数控加工刀具轨迹规划来说，可以把规划过程看成是确定刀位点X、Y轴坐标的过程，同时可以确定Z轴坐标的初始值，然后由后续的干涉处理过程完成Z轴坐标的无干涉计算44。而对于五轴曲面加工刀具轨迹规划来说，刀轴矢量的初始位置是与刀位点处的法矢量平行的，则规划过程还包括确定在刀位点处刀轴矢量绕最大主曲率方向的旋转角，即后跟角，以及绕法矢量方向的旋转角，即侧偏角，这两个角度共同确定了刀具的空间姿态。可以将刀具轨迹规划的任务归纳如下（1）确定刀具轨迹线的几何形状；（2）确定刀具轨迹线的连接顺序及连接方式；（3）确定刀具轨迹线的疏密与刀具轨迹线上的刀位点的疏密；（4）五轴数控加工刀具轨迹规划中还需要确定每一刀位点处的刀具空间姿态。多坐标数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础和关键，针对不同的加工对象研究者们提出了许多实用的计算方法，并得到了广泛的应用。有的工件曲面可以在一次走刀中完成，这时只要确定最优的走刀方向即可；有的需要多次走刀才能完成，这会产生多条刀轨。常用的主要方法有以下几种（1）等参数线法曲面参数线加工方法是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主要方法，也是最简单的方法之一，其特点是切削行距沿曲面的参数线分布，即切削行沿U线或V线分布，适用于网格比较规整的参数曲面的加工。基于曲面参数线加工的刀具轨迹计算方法的基本思想是利用样条曲线曲面的细分特性，将加工表面沿参数线方向进行细分，生成的点位作为加工时刀具与曲面的切触点。（2）等距截平面法等距截平面法加工的基本思想是指采用一组截平面去截取加工表面，截出一系列交线，刀具与被加工表面的接触点就沿着这些交线运动，完成曲面的加工。该方法刀具与曲面的切触点轨迹在同一平面上，从而使加工轨迹及残留高度分布相对比较均匀，加工效率较高，适用于曲面网格分布不太均匀及由多个曲面形成的组合曲面的加工。（3）回转截面法回转截平面法加工的基本的思想是指采用一组回转圆柱面去截取加工表面，截出一系列交线，刀具与加工表面的接触点就沿着这些交线运动完成曲面加工。该方法要求首先建立一个回转中心，接着建立一组回转截面，并求出所有的回转截面与待加工表面的交线，然后对这些交线根据刀具运动方式（一般为ZIGZAG方式）进行串连，形成一条完整的刀具轨迹。其可以从中心向外扩展，也可以由边缘向中心靠拢。（4）等波高法45等波高法通过控制两相邻刀轨之间的距离使得两条刀轨之间的波纹高度保持不变，充分利用了公差带，避免了重复切削。其缺点是随着刀轨数的增多，宽度不同积累起来的影响较大，使远离起始刀轨的后续刀轨产生严重的变形和不规整，走刀方向偏离最佳走刀方向。（5）投影法投影法加工的基本思想是使刀具沿一组事先定义好的导动曲线（或轨迹）运动，同时跟踪待加工表面的形状。导动曲线在待加工表面上的投影一般为切触点轨迹，也可以是刀尖点轨迹。切触点轨迹适合于曲面特征的加工，而对于有干涉面的场合限制刀心点更为有效。由于待加工表面上每一点的法矢方向均不相同，因此限制切触点轨迹不能保证刀尖点轨迹落在投影方向上，所以限制刀尖点容易控制刀具的准确位置，可以保证在一些临界位置和其他曲面（如干涉面）不发生干涉。该方法常用来处理其他方法难以取得满意效果的组合曲面和曲面型腔的加工。（6）三坐标球形刀复杂曲面加工方法46复杂曲面一般采用VARIABLE_CONTOUR可变轴轮廓铣，首先需确定驱动方式。驱动方法用于定义创建刀轨时的驱动点，有些驱动方法沿指定曲线定义一串驱动点，有些驱动方法则在指定的边界内或指定的曲面上定义驱动