基于UG叶轮的造型加工及数控编程

PAGEPAGE31绪论课题的确定CAD/CAMUGNXCATIA、MasterCAMUGNX4.01-1，1-2，1-3.1-1俯视图1-2叶片之间的角度以上各图在后面会详细的分析。国内（外）发展概况及现状的介绍通常在整体叶轮的设计图上给出的是叶片中性面上顶部和根部的两组数据点，包括顶部和根部的一系列离散数据点和对应点的叶片厚度值。本课题采用样条方法对叶轮曲面进行造型。整体结构叶轮(图1－1)的应用可使航空发动机箭发动机中应用愈来愈多，其加工质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影工中，这些问题才得到了根本的解决。图1－1整体叶轮PAGEPAGE6NCStarrag5/1/米/分。CAD/CAMUGⅡ，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。DOS天机电集团三院某所的加工转子的软件也是在此基础础上改编的。STARRAG)(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，STARRAGCAD/CAM没有如何减少加工变形的指南。数控加工软件迫在眉睫。本文所需解决问题以及采用的手段和方法UGNCUGB多要完善的地方，如夹具的设计。本文研究成果及意义根据已有的数据，利用UGUGCAM0.5mm料进行加工。PAGEPAGE72叶轮的加工工艺分析整体叶轮结构工艺过程分析图所示。极易变形8本设计中的整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并轮毂的表面和叶根表面。表面粗糙度值应小于Ra0.8μm。截面间的型面平滑过PAGEPAGE8UG另外，应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。整体叶轮加工工艺准备机床准备叶轮轮毂面及叶片分别由叶片中性面根部曲线和叶片中性面顶部曲线绕轴旋转而成;经过旋转轴Z的设计基准面为子午面;中性面是处于叶片压力面和Z要求。X900mm，Y600mm，Z550mm，A40SIEMENS840D3-1PAGEPAGE9

图3-1立式加工中心其作用不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。设计基准 设计图样上所采用的基准称为设计基准。工艺基准 在工艺中采用的基准称为工艺基准工艺基准按用途不同又为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。定位基准的选择精基准。精基准的选择原则：(1）基准重合原则 直接选择加工表面的设计基准为定位基准，称为基准重合原则采用基准重合原则可以避免由定位基准与设计基准不重合而引起的PAGEPAGE16B位误差（基准不重合误差Δ。B(2）基准统一原则同一零件的多道工序尽可能选择同一个定位基准，称生产准备周期。(3）自为基准原则精加工或光整加工工序要求余量小而均匀，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。(4）互为基准原则为使各加工表面之间具有较高的位置精度，或为使加为互为基准原则。(5）便于装夹原则 所选精基准应能保证工件定位准确稳定，装夹方便可靠夹具结构简单适用操作方便灵活同时定位基准应有足够大的接触面积以承受较大的切削力。粗基准的选择原则:粗基准选择的要求应能保证加工面与不加工面之间的位置要求和合理分配各加工面的余量，同时要为后续工序提供精基准。具体可按下列原则选择：不加工面为粗基准。足够的加工余量。重要表面原则 为保证重要表面的加工余量均匀应选择重要加工为粗基准。不重复使用原则粗基准未经加工，表面比较粗糙且精度低，二次安装时，其在机床上（或夹具中）生定位误差，导致相应加工表面出现较大的位置误差。便于工件装夹原则 作为粗基准的表面，应尽量平整光滑，没有边、冒口、浇口或其他缺陷，以便使工件定位准确、夹紧可靠。辅助基准的选择：辅助基准是为了便于装夹或易于实现基准统一而人为制成的一种定位基准，加工完毕后应将其从零件上切除。表面后变成随后叶轮的加工基准。刀具准备HSK70mm120mm，并采用整体硬质合金涂层刀具。装夹方案工件装夹原则：在熟悉产品图样、工艺文件和工艺装备的基础上进行工件的装夹；求的相对位置；毛刺，保证定位精度；按工艺规定的定位基准装夹，定位基准符合以下原则：测量；心度、垂直度等；精加工工序定位基准应是巳加工表面，使定位准确、加工精度高；选择的定位基准必须使工件定位、夹紧方便，加工时稳定可靠。靠近加工面；对刚性较差或是悬空的工件，应增加辅助支承以增强刚性；夹紧精加工面应以铜皮作软垫保护，不损坏巳加工表面；粗糙度。基准及叶轮进口直径作径向找正后夹紧，粗车叶轮进口端口环留精车余量1-2mm，及前板面，本工序保证叶轮流道的相对位置。所以就不多做研究。划分工序作是否连续。加工工序安排原则：先粗后精的原则。基准面先加工原则。先面后孔原则(4)先内后外原则。减少换刀次数的原则。工序划分原则：按所用刀具划分。工。工中心。常用这种方法划分。按安装次数划分面不多。的工件，加工完成后就能达到待检。按粗精加工划分的那一。开的零件。按加工部位划分以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序，对于加工表面多尔复杂的零件，可按其结构特点《如内型，外形，曲面和平面等》划分成多道工序。按以上原则划分叶轮加工工序如下：1.工序1用φ16R2圆鼻刀粗加工。工序1的具体内容如表1所示。加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格Φ16R2刀具材料硬质合金主轴转速6000r/min加工余量2.5进给速度3500mm/min曲面精度0.03mm切削宽度12mm切削深度2mm工艺分析：机床规格小，粗加工采用小负载快速加工速加工效果较好2用φ16R22278加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格Φ16R2刀具材料硬质合金主轴转速6000r/min加工余量1进给速度3500mm/min曲面精度0.03mm切削宽度8mm切削深度1工艺分析：开粗时，注意使用上道工序的毛胚跟踪功能3用φ12R633910工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象表3工序3工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象加工方式刀具规格ZLEVEL_FOLLOW_COREΦ12R6球头刀刀具材料硬质合金主轴转速6000r/min加工余量0.5进给速度2500mm/min曲面精度0.02m切削宽度4mm切削深度0.54用φ12R6球头刀精加工。工序4的具体内容如表4工序4加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格刀Φ12R6球头尖 刀具材料硬质合金主轴转速6000r/min 加工余量0.5进给速度2500mm/min 曲面精度0.02m切削宽度4mm 切削深度0.5工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象5工艺分析：使用球头刀时参加切削刃不宜过长，避免产生包刀现象用φ10R5球头刀除流道残料加工。工序5的具体内容如表5所示。表5工序5加工方式ZLEVEL_FOLLOW_CORE刀具规格Φ10R5球头刀刀具材料硬质合金主轴转速6000r/min加工余量0进给速度2500mm/min曲面精度0.005mm切削宽度0.5mm切削深度8工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响6用φ10R5球头刀清根加工。工序6的具体内容如表6所示。工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响表6工序6工艺分析：注意刀具切削工件时的切削应力对工件精度的影响加工方式VARIABLE_CONTOUR刀具规格Φ16R2圆鼻刀刀具材料硬质合金主轴转速10000r/min加工余量0mm进给速度4500mm/min曲面精度0.005mm切削宽度0.02mm切削深度60mm7多刀具清角加工。工序7的具体内容如表7工序7加工方式VARIABLE_CONTOUR刀具规格Φ10R5球头刀刀具材料硬质合金涂层刀具规格Φ8R4球头刀刀具材料硬质合金涂层刀具规格Φ6R3球头刀刀具材料硬质合金涂层刀具规格Φ12R2圆鼻刀刀具材料硬质合金涂层主轴转速150000r/min加工余量0mm切削宽度0.01曲面精度0.005mm进给速度6000mm/min切削深度60mm工艺分析:根部圆角的加工是重要的一步，采用相同的加工方式不同的刀具直径逐渐逼近设计要求测量准备工艺分析:根部圆角的加工是重要的一步，采用相同的加工方式不同的刀具直径逐渐逼近设计要求对于叶轮这样的复杂型面，手工方法无法确定精度，主要采用三坐标测量机进行型面数据检测。把采集到的数据与几何建模实体进行比较来检测加工精度。工艺文件产品图号产品图号机械加工名称现代制造技术系工艺卡零件整体式11名称叶轮铝铸材料牌毛坯种类毛坯尺寸φ100*50件 号工具序备工种 工步 工艺内容 夹号 注 刀具 量具具卡1 下料 铸件盘2粗洗流道加 流道加工 立铣三坐3 精细流道工 标测粗铣叶片中 叶片加工 卡 球头刀 量机精铣叶片心6清根 倒角加工根部清理 盘 球头刀7零件名称整体式叶轮零件名称整体式叶轮零件图号1夹具名称卡盘设备名称及型号加工中心叶轮的开材料名称及牌号铝铸件硬度75HBS工序名称工序号1粗PAGEPAGE17工步号工步内容n切削用量fap编号刀具名称量具1流道粗加工6000350021T0101标测量机三坐2叶片粗加工6000350011T0101标测量机三坐1流道半精加工6000250022T0202标测量机三坐2叶片半精加工6000250012T0202标测量机三坐1流道精加工600025000.53T0303标测量机PAGEPAGE19三坐三坐2叶片精加工600025000.53T0303标测量机T0404T05051清根1500060000.14T0606T0303刀具卡产品名称或代号序号刀具号零件名称刀具规格名称典型轴数量零件图号加工表面备注1T01Φ8R2立铣刀1叶轮粗加工2T02Φ12R6球头刀1半精加工3T03Φ10R5球头尖刀1精加工4T04Φ8R4球头刀1清根5T05Φ6R3球头刀16T06Φ12R2立铣刀1编制审核批准第1页编程软件的准备MAX-5MAX-ABStarrag轮加工模块，还有HyperMill等专用的加工软件。此外，一些通用的CAD/CAMUGCATIADelcamUG通用编程软件。3叶轮的实体造型曲面造型质量、加工手段等对叶轮性能参数都有很大的影响。CAO/CAMSiemensPLMSoftwareUGNX。U6NXUGNX叶轮造型方法概述(through串，通过旋转(RevolVe)命令对截面线串旋转，再创建轮毂回转体。可见，整体3-1)3-2)循的般原则。PAGEPAGE20图3-1叶片五截面数据图3-2前（后）球截面线处的图和控制过四次的曲线，且五个截面要生成相同次数的曲线。在每个截面样条曲线的前、后缘曲率比较大的部位，控制顶点的分布即可。PAGEPAGE22律相同。尽量使截面样条曲线的曲率变化均匀。叶片的创建3.2.1.截面数据的获取与处理叶轮叶片截面线数据的获取主要有两种方法一种是通过对实体进行测量获CAD原始数据的测量，主要分为接触式和非接触式两类：接触式测量(如三坐标测量机、机械手式测量机)具有精度高、减少冗余数据的优点，是直接对所需截UGNX(throughCurves)UG能够识别的数据格式，即.dat文件，为每个截面线创建一个文件，方便截面线个数据文件。截面线曲线的创建改，因而这种截面线的构造方法是不可取的。在实例的设计要求中给出了叶高方向五个截面的原始数据(包括叶片型线坐标点，前(后)缘两段圆弧的圆心和半径)，需要通过给定数据点为每个截面插值实体的光顺处理。这不需姿重新扫掠截面线生成实体，工作变得简单，更符合uG先选择“样条曲线(SPllne)”命令，选择种样条曲线拟合方式，使用“ThroughPoints”fdat又件数据分别导人，这可使曲线更接近特征多边形，能够更好地控制样条曲线。3-33-4)3-5PAGEPAGE26图3-3截面线前（后）缘图3-4截面线的控制点图3-5修改后的5条截面选通过拟合出的截自线扫掠生成叶片实体选择“通过曲线(Throughcurves)“3-63-7截面线初始矢量截面线的对应点3-8

滑叶片实体(RevolVe)命令对截面线串旋转，创建轮毂回转体，如图3-93-10图3-9轮毂3-10叶轮实体uGNX的数控加工提供了有力的保证。PAGEPAGE274基于UG的整体叶轮数控编程CAD/CAM——UG，大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机的转子的五坐标加工程序，并在MIKRONHSM400UNRECStarragHypermillCATIA、PRO/E等也可用于整体叶轮加工。目前，国内只有少数几家企业（如：可以加工整体CAD/CAMCAD/CAM4-1PAGE1CAD/CAM微型压气机转子的结构特点及加工难点89mm，83mm44.3mm，17.15mm，0.4mm，3.1mm，4-2图4—2压气机转子叶轮角等结构，给加工提出了很高的要求。转子加工难度如下：81mm121416加工难度进2.5mm因此保证加工表面的一致性也有一定困难。片高，变圆角的加工也是个难点。总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。压气机转子的仿真加工工艺方案工成形后焊接在轮毂上的工艺方法。其加工工艺方案如下：4-3图4-3压气机转子毛培叶轮气流通道的开槽加工4-4图4-4叶轮路气流通道加工2°，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。此步选用的主轴转速为：10000r/min，进给速度为：800mm/min。在数控机床的控制面板上一般备有主轴转速、进给速度修调（倍率）开关，可在加工过程中根据实际加工情况对主轴转速、进给速度进行调整。叶轮气流通道的扩槽加工及叶片的粗加工UG第一部分：选择驱动面为轮毂面，进行扩槽。此时不能加工到轮毂表面，还需进一步扩槽加工；粗加工的同时，进一步扩槽。3mm，角为2°，刀具柄部直径为：6mm，带锥部分长度为：20mm。此步选用的主轴转速为：20000r/min，进给速度为：3000mm/min。叶片、轮毂的精加工3.1mm，17.15mm，考虑到干涉，转子精加工刀具采用瑞士Fraisa公司的直径2.5的球头棒铣刀，刀具避空位为20mm。加工时的主轴转速为：260000r/min，进给速度为：5000mm/min。变圆角精加工1.25mm2.2mm1.25mm22％1.25mm整体式叶轮的数控程序编制UGUG5各操作的刀位轨迹，并贯穿加工的整个过程。图4-5UG加工流程图数控程序编制建立父节点组在刀具节点下，加入加工用到的所有刀具，并设置其刀具参数；体；轨迹的显示颜色。叶轮气流通道的开槽加工抽取流道曲面，U、V4-6（a）所示。因为叶轮通道的加工需要沿气U、VUVU、VV4-6（b）所示，是沿气流方向的。1、流道前端曲面（如图4-6(b)中的1面）的加工。图4-6(a)原流道曲面的U、V参数曲线图4-6（b）调整后的曲面U参数PAGEPAGE33采用可变轴曲面轮廓铣VariableContour采用一种刀轴控制方式不一定合适，因此分成两种刀轴控制方式进行。一种为：Normalto用于上半层加工用于下半层加工。加工上半层，程序的参数设置如下：(1）驱动方法（DriveMethod）采用SurfaceArea；(2）驱动几何选用流道前端曲面，即图6(b)中的1面；(3）粗加工时选用自动退刀来避免干涉。(4）Tolerance=0.1mm(5）刀轴控制方式为：NormaltoDrive。(6）Surface%Start、Endstep：50，加工面中间位置切削一刀。(7）设置Non-Cutting，即非切削运动，选用沿刀轴进退刀。(8CuttingStock7mmMultiplepasse（多层加工0.5mm。加工下半层，程序的参数设置如下：(1）刀轴控制方式为：TowardPoint(2）CuttingStock0.2mm；设置Multiplepasses（工0.5mm。(3）其它参数设置，同加工上半层的程序。制方式。2、流道左端曲面（如图4-6(b)中的2面）的加工NormaltoDrive（用于上半部分加工RelativetoDrive（用于下半部分加工流道右端曲面（4-6(b)3）的加工此曲面曲率变化很平缓，曲面上各点法向与叶片曲面夹角都接近0º，因此加工NormaltoDrive4-7PAGEPAGE37

图4-7开槽加工SurfaceStartstep0、Endstep：100，4-8图4-8粗加工仿真进一步扩槽和叶片的粗加工扩槽加工后已经加工掉流道大部分余量，为了保证精加工之前有均匀的加工余4-94-8图4-9叶片粗加工刀轨转子一级、二级叶片的精加工(吸力面、压力面、前圆角)从吸力面过渡到压力面曲率变化剧烈，因此，采取吸力面、压力面、前圆角分开加工。一级、二级叶片型面类似，加工参数是类似的，下面是叶片精加工的通用参数设置。驱动几何选择要加工曲面；刀轴控制方式为：RelativetoTilt、Lead；Non-Cutting，选用沿切削方向进刀、沿刀轴方向退刀；Stock：0mm；4-10。图4-10大小叶片吸力面刀轨叶片根部变圆角精加工Relative(Normal)ToDriveTowardLine线。大叶片左侧变圆角加工刀轨如图4-11、小叶片左侧变圆角加工刀轨，如图4-12。图4-11大叶片左侧变圆角加工刀轨图4-12小叶片变圆角加工刀轨UG型整体叶轮的数控加工编程，加工效果良好。程序的生成后置处理程序生成（见附录）PAGEPAGE405结论本课题是整体叶轮的造型、数控加工仿真及数控编程。是利用UG软件CAD/CAM进行造型和数控加工仿真，并设计整体叶轮的仿真加工。术一定会日臻完善，在加工业中起愈来愈重要的作用。致谢参考文献胡忆沩主编.实用带压密封夹具图集[M].北京：机械工业出版社，1998-[M].1990洪如瑾主编.UGNX2CAD快速入门指导[M]2004龚勉主编.UGCAD（NX）.北京：清华大学出版社，2003马秋成等编.UG-CAM[M].北京：机械工业出版社，2002PAGEPAGE41附录图为叶片粗加工刀轨生成下面是上图刀轨的部分程序%N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z0.0:0030T00M06N0040G0G90X-.8042Y-1.4605S0M03N0050G43Z1.8789H00N0060Z1.8011N0070G1Z1.6829F9.8M08N0080X-.6266Y-1.3573PAGEPAGE42N0090G2X-.5632Y-1.3349I.0914J-.1573N0100X-.5213Y-1.3307I.0578J-.3714N0110X-.2514Y-1.3149I.551J-7.0872N0120X-.2053Y-1.2681I1.3124J-1.2447N0130G0X-.0752Y-1.1405N0140N0150N0160X.1782N0170Z1.8011N0180G1Z1.6829N0190X.2968N0200G2X.3268Y-1.3183I-.236J-.2115N0210X.5216Y-1.3308I-.2888J-6.0617N0220X.5589Y-1.3348I-.0262J-.4175N0230X.6412Y-1.3696I-.0276J-.1798N0240G0X.801Y-1.4908N0250N0260Z1.997N0270X-.7973N0280Z1.8789N0290Z1.8011N0300G1Z1.6829N0310G3X-.5352Y-1.5146I.2198J.1663N0320G2X-.5109Y-1.5124I.0298J-.1917（非完整程序）PAGEPAGE44图为仿真加工开粗图为叶片精加工刀轨下面是上图刀轨的部分程序%N0010G40G17G94G90G70N0020G91G28Z0.0:0030T00M06N0040G1G90X.3952Y-.2024Z.8426A345.855B83.266F9.8S0M03N0050X.3418Y-.1516Z.7223A347.481B82.513N0060X.2844Y-.1068Z.602A349.252B81.822N0070X.2235Y-.0687Z.4816A351.164N0080X.1593Y-.0384Z.3613A353.2B80.711N0090X.3938Y-.2077Z.8389A345.831PAGEPAGE45N0100X.3407Y-.1576Z.7193A347.451B82.328N0110X.2837Y-.1135Z.5997A349.215B81.622N0120X.2231Y-.0761Z.4802A351.117B80.998N0130X.1593Y-.0463Z.3606A353.144B80.477N0140X.3924Y-.213Z.8353A345.807B82.925N0150X.3397Y-.1637Z.7164A347.421B82.143N0160X.283Y-.1202Z.5975A349.177B81.421N0170X.2228Y-.0834Z.4787A351.071B80.782N0180X.1594Y-.0542Z.36A353.087B80.244N0190X.3911Y-.2183Z.8317A345.782B82.754N0200X.3386Y-.1697Z.7135A347.39B81.957N0210X.2824Y-.1269Z.5953A349.14B81.221N0220X.2225Y-.0908Z.4773A351.024B80.565N0230X.1595Y-.0621Z.3594A353.03B80.011N0240X.3898Y-.2237Z.8282A345.758B82.582N0250X.3376Y-.1758Z.7106A347.36B81.771N0260X.2817Y-.1337Z.5932A349.102B81.02N0270X.2222Y-.0981Z.4759A350.977B80.349N0280X.1596Y-.07Z.3588A352.973B79.779N0290X.3885Y-.2291Z.8246A345.733B82.409N0300X.3367Y-.1819Z.7077A347.329B81.584N0310X.2811Y-.1404Z.591A349.064B80.818N0320X.222Y-.1055Z.4745A350.93B80.133N0330X.1597Y-.0779Z.3582A352.916B79.547N0340X.3872Y-.2345Z.8211A345.708B82.236N0350X.3357Y-.188Z.7049A347.298B81.397N0360X.2805Y-.1472Z.5889A349.026B80.617（非完整程序）PAGEPAGE47图为叶片精加工刀轨此图为棱边精加工下面是上图刀轨的部分程序%N0010G40G17G94G90G70N0020G91G28Z0.0:0030T00M06N0040G1G90X1.5096Y-1.531Z.897B0.0F9.8S0M03N0050X1.4397Y-1.4757Z.8004N0060X1.3731Y-1.4136N0070X1.31Y-1.3451Z.6126N0080X1.251Y-1.2702Z.522N0090X1.2226Y-1.2306N0100X1.1941Y-1.1889PAGEPAGE48N0110X1.1383Y-1.1Z.3557N0120X1.0865Y-1.0057Z.2802N0130X1.039Y-.9052Z.2086N0140X.9968Y-.7997Z.1406N0150X.9611Y-.6904Z.0764N0160X.9314Y-.5758Z.0148N0170X.9093Y-.4603Z-.0429N0180X.9021Y-.4015Z-.0726N0190X.8975Y-.3427Z-.1027N0200X.8955Y-.2841Z-.1331N0210X.8962Y-.2258Z-.1642N0220X.8997Y-.1678Z-.1962N0230X.9061Y-.1107Z-.2292N0240X.9155Y-.0548Z-.2634N0250X.9278Y-.0007Z-.2991N0260X.9282Z-.2996N0270X.9158Y-.0548Z-.2639N0280X.9064Y-.1106Z-.2297N0290X.9Y-.1677Z-.1967N0300X.8965Y-.2258Z-.1646N0310X.8957Y-.284Z-.1336N0320X.8977Y-.3427Z-.1031N0330X.9023Y-.4015Z-.0731N0340