【《航空撑板零件分析及虚拟加工仿真分析》9100字（论文）】

12航空撑板零件分析及虚拟加工仿真研究目录TOC\o"1-3"\h\u134701绪论 321971.1研究背景和研究意义 375111.2国内外研究现状 3270841.2.1国外研究 3282081.2.2国内研究现状 4179011.3研究方法 5269901.4研究内容 5129102航空撑板的加工分析 6250432.1零件图图样分析 714522.1.1撑板零件的特点 7205982.1.2零件待加工面及加工要求 7101822.2工艺路线规划 7109482.2.1撑板零件的材料分析 7141262.2.2刀具确定 73052.2.3夹具选择 718122.2.4加工路线确定 8298423航空撑板的CAD建模与CAM加工 9281173.1UGNX软件简介 9161943.2撑板零件模型的建立 9194643.2.1航空撑板建模过程 9144653.3撑板零件的CAM加工 17145693.3.1CAM数控加工流程 17111763.3.2零件的CAM加工过程 18264194VERICUT虚拟数控加工 27271804.1VERICUT软件简介 27116834.1.1机床分析模块 27303424.1.2分析模块 27145244.2VERICUT仿真文件建立 28223834.2.1VERICUT仿真流程 28224044.2.2机床文件的组建 29241014.2.3夹具体、零件和毛坯的组建 3190444.2.4刀具的组建 32162604.3VERICUT虚拟加工 337474.3.1偏置坐标系建立 3379954.3.2数控程序的添加 34193074.3.3多工序数控程序插入 34259644.3.4VERICUT虚拟加工 3556074.4仿真结果分析 3614958结论 371绪论1.1研究背景和研究意义随着市场的不断发展，工业需求的提高与变化，机械工业的未来面临着巨大的机遇与挑战，这要求机械行业的从业者必须紧跟市场，掌握前沿理论，使用最新软件，更快速且优质的设计出具有参数化、集成化或智能化等特质的机械产品。加工仿真是虚拟机床技术的基本组成部分之一，就是应用计算机技术使数控加工过程三维动态再现。通过仿真可以减少切削实验，从而减少浪费，减少刀具的磨损，并且可以在实际加工前测试程序的正确性和工艺的合理性。针对某些复杂难加工的零件，采用合理的工艺加工方案、数控程序，能够缩短产品加工时间，降低产品成本，从而提高企业生产效率，进而提高企业效益。加工仿真技术对此类零件的制造有十分重要的意义。像撑板这类的零件，需要进行热处理，导致零件硬度高，零件切削难度高。同时这类零件较大，重量高，制作专用夹具成本较高，因此使用垫板、压板、千斤顶等装夹工件。在加工时为了提高效率，最直接的方法就是提高切削参数，但是又因此类零件材料硬度太高，使通过提高切削参数来解决效率问题的可行性差。如果将程序代码过长，稍有疏忽还会发生撞机。为了提高调试效率，降低调试成本，优化零件加工工艺，提高产能和机床利用率，鉴于实际现场调试存在短板和问题，利用虚拟机床技术就很必要了。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究关于虚拟机床与计算机技术之间的关系，LINYZ等针对雕刻表面加工过程中机床运动产生的误差以及定位误差进行研究。通过理想状态下的刀轨离散化，将原本存在于雕刻机机床运动的误差转变为几何表面加工误差。经过研究实验表明，通过这种方式可以有效将理论与实际加工过程之间的误差进行预测。Jean-NicolasRuby则重点研究ICAM，一种用于处理后期效果的智能化软件。该软件与传统软件相比，不仅可以缩短加工流程时间，减少人为错误的机率，还能够将道路优化以及后期解决方案让其自动化完成，让工艺员有更多的精力与时间来投入到零件的道路工艺的规划中。而传统加工工艺与ICAM相比则暴露出工程费时，灵活性差等更多的缺点，特别是传统加工需要进行多次人工校验，修改，调整，这就给人为错误提供了上升的空间。新型CIAM软件有效解决这些问题，并且能够针对仿真机床在模拟过程中出现的各个情况进行模拟，一定程度上将员工的工作效率提高。1.2.2国内研究现状UG是辅助设计、制造以及工程(CAD/CAM/CAE)中经常使用的综合高级软件，特别是分析高级仿真模块中的立场有限元。李铁钢选择WFL-M35机床上的某一零件的生产过程进行模拟仿真。模拟仿真采用UG和VERICUT两种高级软件。将模拟仿真中获得的准确程序应用到实际机床加工中并进行多层次全方位的检验。该应用令机床零件的调整时间大大降低，工艺制造周期缩短，机床经济效益获得较明显的提高。郑金兴等对siemens-810D定制了专门的后处理程序，通过Post-builder功能以及利用UG进行模型编程后，形成符合机床加工的数控文件。再对该文件利用VERICUT进行模拟仿真，通过选取的数个点的检测与分析，发现加工后的产品精度高，符合生产要求。除此之外，户凤荣等对压缩机中的缸体零部件利用UG5.0和VERICUT两种软件进行编程和模拟仿真。崔浪浪等针对在仿真模拟中复杂曲面高速加工时“S”样件带来的精度和粗糙度等质量问题的探讨。“S”形检测试件是由中行工业成飞提出的一-种机床加工精度检测试件。该种试件有别于ISO国际标准试件、NAS979系列试件、NCG试件等，将复杂曲面共同的薄壁、扭曲角和曲率不连续特征融入到试件形面中。造成在机床加工精度与刚度上需要达到更高要求。因此，在模拟加工与仿真中“S”样件有着不可忽视的重要意义。在国产高档数控机床加工中获得广泛应用。将VERICUT技术应用到机床仿真中可以有效解决非常规机床结构复杂、加工周期时间长以及验证难等问题。刘旭华等对车削中心类复合机床仿真进行研究。利用VERICUT进行刀塔的建模，分析其仿真的正确有效性，该研究在此类仿真中具有重要意义。像MAZAKHQ100MSY机床采用的都是双主轴刀塔车削中心，具有Y轴和车铣复合两种功能。但由于刀具无论是种类还是配置都繁多紧凑，造成相互之间严重的干涉问题，因此编程后的处理问题也不可忽视。王晓军等发现XOY面和ZOC面的铣削展开是研发FANUC18i系统复合后处理构造器的关键，具体是指利用UG后处理定制功能形成XY与ZC两种车铣复合铣削模式。定制形成的复合模式是否正确与实用还需进行多方面考量。在仿真结果正确的基础上，他们采用UGNX8.0软件实现的加工环境中，以FANUC18i数控系统为基础，将一些字样增加到一个棒料圆周和端面上，这个棒料的直径至少为30毫米。后处理结束后，PDATMC三轴铣车复合加工中心进行实际验证。而实验结果表明，虚拟仿真设计的零件和实际加工的零件相符，从而证明王晓军通过采用的车铣复合机床后处理方式是切实可行。该理论的成功验证也为其他类型机床的仿真带来理论依据和实际应用结果。1.3研究方法选择某航空零件的撑板，研究其加工过程，CNC加工过程，加工工具，切削参数等，使用UG和VERICUT软件组合编写CNC程序，并进行仿真验证，以确保可以使用CNC程序，使它可以在立式加工中心正常运行。1.4研究内容本文利用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和数控加工仿真技术结合，分析加工过程是否存在过切，残留等情况，保证加工精度，避免机床，夹具等发生干涉、碰撞等现象，确保实际加工的正确。（1）对撑板零件进行图样分析和加工要求分析，制定合理的加工工艺流程，对加工设备和刀具进行选择。（2）使用UG计算机辅助制造（CAD）模块对撑板零件进行建模，根据制定的加工工艺使用计算机辅助加工（CAM）模块进行加工编程，通过后处理程序将加工程序输出为NC代码。（3）利用VERICUT软件对零件进行虚拟加工仿真，检测UG软件生成的NC代码是否有错误，通过机床的仿真过程可以检测刀具碰撞，零件是否干涉，是否有过切和残留现象发生。762航空撑板的加工分析以图2.1中的航空撑板为加工对象。图2.1a撑板零件二维图图2.1b撑板零件三维图2.1零件图图样分析2.1.1撑板零件的特点航空撑板是航空设备中常见的零件，撑板零件的制造方式、加工的经济性和加工质量很大程度上影响航空设备的造价问题，决定企业的市场竞争力。撑板在加工过程中，它的特点是：有多个尺寸精度要求较高的孔，底面有粗糙度要求，上下面存在位置精度，零件需要热处理，硬度高，切削难度大。2.1.2零件待加工面及加工要求撑板零件要求加工平面、曲面还有孔，其中尺寸精度，位置精度和粗糙度均有要求。因此有些地方加工的时候需要进行精加工。主要孔的尺寸精度孔2×φ900-0.12；孔φ720-0.09；主要平面的位置精度及粗糙度底面和顶面的平行度公差为0.05mm；底面粗糙度Ra为1.6μm；2.2工艺路线规划2.2.1撑板零件的材料分析该撑板材料材料为45#，零件需进行热处理，回火：350~370℃，HRC：33~38，使该零件能够获得较高的硬度和耐磨性，进而提高零件使用寿命。经过热处理后，零件硬度较高，零件切削难度较大。2.2.2刀具确定刀具的合理选择是保证撑板表面质量的重要手段，刀具性能直接影响零件的加工质量和加工效率。刀具选择时应选择刚度好、精度高、抗振、热变形小、互换性好、寿命高、切削力大等的刀具。对于此零件加工，刀具均选择高速钢（HSS）材料。2.2.3夹具选择由于零件较大，制作专用夹具成本很高，因此使用垫板、压板、台虎钳等装夹固定零件。2.2.4加工路线确定根据零件特点，加工路线如下表2.2所示。表2.2加工路线工步号工步内容工艺装备主轴转速切削速度r/minm/min1底面开粗D63R8转位铣刀150010002底面半精铣粗D63R8转位铣刀150010002制定位孔基准D40R5转位铣刀200010003零件翻面，顶面开粗D32R8转位铣刀150010004钻孔D44麻花钻200805顶面精加工D32R0.5转位铣刀8006006孔精加工D72麻花钻100507底面精加工D63R0.8转位铣刀10006008零件侧翻铣孔D32R8转位铣刀100050083航空撑板的CAD建模与CAM加工3.1UGNX软件简介UG是辅助设计、制造以及工程(CAD/CAM/CAE)中经常使用的综合高级软件，主要应用于航空飞行,消费类产品的软件,汽车交通运输,电子制造等行业,通过虚拟设备和产品开发的理念为客户提供了一个全局性的集成,企业级的通用机器人等领域。文章中所采用的是最新修订版的UGNX12.0。UGNX最新版本软件支持多种语言版本,可以选择合适的语言进行软件安装。NX的每一个的新版本都增加了一些的新功能,但是在具体操作上都基本上是没有什么太大的更新变化。UG包含三个子系统，分别是计算机辅助设计（CAD）,计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助分析（CAE）。可以利用CAD在UG中创建工程图，曲面造型，实体造型和虚拟化装配等功能；可以利用CAE的运动分析模块,仿真和有限元分析,极大提高设计的效率和可靠性;可以通过利用CAM模块来生成数控代码，对产品进行加工。UGNX这款软件能够为各类企业所需要的资源提供准确且可以被衡量的价值;能进行复杂型产品的简易设计和分析;可以促进企业产品在国际市场上的发展;有效地增强了企业在国际市场上的竞争能力。3.2撑板零件模型的建立3.2.1航空撑板建模过程根据图纸要求，撑板零件包含多组曲面，在UGNX12.0中无法只通过特征建模来实现零件的建模，为此，采用构建草图进行扫掠来完成平面斜面的建模，采用特征建模来完成曲面的建模，然后通过实体建模布尔运算进行多余部分的减去和各部分的合并，最后通过边倒圆操作完成撑板的建模。具体步骤如下：新建模型文件。打开UGNX12.0软件，点击菜单选项选择文件，新建建立一个新文件名“hangkongchengban”，模板选择“模型”，单位选择“毫米”，文件类型“*.prt”。点击确定，进入建模界面。如图3.1所示。图3.1新建模型2、首先绘制撑板平面部分，通过绘制草图，在进行拉伸操作将其生成为实体。绘制草图如图3.2所示。生成实体如图3.3所示。图3.2平面草图图3.3拉伸特性3、通过特征建模，构建圆柱体，再通过布尔操作进行减去，完成撑板尾部曲面的建模，参数设置如下图3.4，生成实体如图3.5。图3.4参数设置图3.5实体构型4、通过特征建模，构建撑板定位孔的建模，然后进行布尔操作减去多余部分，参数设置如下图3.6，生成实体如图3.7。图3.6参数设置图3.7实体构型5、绘制草图，进行拉伸，通过布尔操作减去来构造第一层槽的模型。草图如下图3.8所示，参数设置如下图3.9所示，实体如下图3.10所示。图3.8槽的草图图3.9参数设置图3.10实体构型6、绘制草图，进行拉伸，通过布尔操作减去来构造第二层槽的模型。草图如下图3.11所示，实体如下图3.12所示。图3.11槽的草图图3.12实体构型7、通过特征建模，构建撑板中心孔的建模，然后进行布尔操作减去多余部分，参数设置如下图3.13，生成实体如图3.14。图3.13参数设置图3.14实体构型8、去除尾部圆柱体多余部分，通过绘制草图，在进行拉伸操作将其生成为实体，在进行布尔操作减去多余部分。绘制草图如图3.15所示。生成实体如图3.16所示。图3.15草图绘制图3.16实体构型9、进行边倒圆操作，参数如图3.17，最终实体图如图3.18。图3.17参数设置图3.18撑板零件图3.3撑板零件的CAM加工3.3.1CAM数控加工流程UGNX12.0能够模拟数控加工的全过程,其一般流程（图3.19）如下。图3.19UG数控加工流程图3.3.2零件的CAM加工过程1、打开模型文件点击应用模块，选择“加工”选项，进入加工界面，如图3.20所示。图3.20进入加工模块2、创建机床坐标系。将工序导航器调整到几何视图，右键插入“几何体”，系统弹出“MCS”对话框，点击“CSYS对话框”建立加工所需要的四个机床坐标系，如下图3.22所示。图3.22机床坐标系建立3、创建安全平面。在“MCS”对话框安全设置区域的安全设置选项下拉列表中选择“自动平面”选项，在安全距离中输入10。如下图3.23所示。图3.23安全平面创建4、创建部件几何体和毛坯几何体。在工序导航器中双击机床坐标系节点下的“WORKPIECE”，系统弹出“工件”对话框（如下图3.24所示），在几何体区域中点击“指定部件”选项，选择整个零件，完成部件几何体的创建。点击“指定毛坯”选项。选择包容块选项，各方向余量输入值5，完成毛坯几何体创建。图3.24部件几何体创建5、创建刀具。创建如下刀具，下图3.25为一号刀示例：（1）球头铣刀，直径63mm，下半径8mm（2）球头铣刀，直径40mm，下半径5mm（3）球头铣刀，直径32mm，下半径8mm（4）球头铣刀，直径32mm，下半径0.5mm（5）钻刀，直径44mm，刀尖角度118°（6）钻刀，直径72mm，刀尖角度118°图3.25刀具创建对话框6、创建工序。选择下拉菜单插入，点击工序命令，在“创建工序”对话框中选择“mill_contour”选项，在工序子类型中选择“型腔铣”，在刀具中选择“63R8”选项，方法选择“METHOD”选项，几何体选择“WORKPIECE”,使用系统默认的名称，系统弹出“型腔铣”对话框（如下图3.26所示） ，指定切削区域选择底面，切削模式选择“跟随周边”，步距选择“%刀具平直”，平面直径百分比输入值75，公共每刀切削深度选择“恒定”，最大距离输入值1。点击切削参数，弹出“切削参数”对话框，在余量中输入值2（如图3.27所示）。点击进给率和速度，弹出“进给率和速度”对话框，主轴速度输入值1500，进给率输入1000（如图3.28所示）。参数设置完成后，点击“生成”生成的刀路如图3.29所示，可视化仿真如图3.30所示。点击“确定”刀具轨迹创建完成。第一道工序的第一步CAM加工完成。图3.26“型腔铣”对话框图3.27“切削参数”对话框图3.28“进给率和速度”对话框图3.29刀具轨迹图3.30加工仿真7、其他加工部分刀具轨迹，工序创建过程与第一道工序相似，具体加工方案如表3.1所示，生成刀具轨迹图部分如下图3.31所示。表3.1撑板UG加工方案工步内容工艺装备加工方式主轴转速切削速度r/minm/min底面型腔铣粗铣轮廓D63R8转位铣刀粗加工15001000底面平面型腔铣精铣D63R8转位铣刀半精加工15001000制定位孔基准D40R5转位铣刀精加工20001000顶面型腔铣开粗D32R8转位铣刀粗加工15001000续表3.1撑板UG加工方案工步内容工艺装备加工方式主轴转速切削速度r/minm/min钻孔D44麻花钻粗加工20080顶面深度轮廓铣D32R0.5转位铣刀精加工800600孔精加工D72麻花钻精加工10050底面曲面深度轮廓铣D63R0.8转位铣刀精加工1000600铣孔D32R8转位铣刀精加工1000500图3.31a底面平面型腔铣精铣图3.31b制定位孔基准图3.31c顶面型腔铣开粗图3.31d顶面深度轮廓铣

图3.31e孔精加工图3.31f底面曲面深度轮廓铣图3.31g铣孔8、后处理。在UGNX12.0中，在生成了包括切削刀具位置及机床控制指令的加工刀轨文件后，将这些刀轨文件转换成机床控制器能够接受的数控程序，这个处理的过程就是“后处理”。在工序导航器调整到程序顺序视图，右键父程序组点击“后处理”选项，出现后处理对话框（如图3.32所示），在可用机床中选择“MILL_3_AXIS”三轴数控铣床，单位中选择“公制/部件”，按“确定”按钮，出现如图3.33所示NC代码。代码生成后，需要对代码进行检查，查看程序开始与结束部分指令是否合适，如果不合适应该自行修改，以保证加工过程中数控程序的正确性。图3.32后处理对话框图3.33数控程序9114VERICUT虚拟数控加工4.1VERICUT软件简介VERICUT是由美国CGTech公司开发的数控加工仿真系统软件，该软件可以通过建立机床文件，添加数控程序，进行虚拟加工过程仿真，可以显示刀具加工零件的实时过程，可以通过日志文件分析加工过程中是否发生干涉现象，根据干涉情况，修改程序，夹具，装夹位置等，避免机床，夹具等发生干涉、碰撞等现象。通过自动比较功能，可以分析加工是否存在过切和残留。并提供了刀具的切削路径及实际加工优化的功能,提高了切削效率与机床资源利用率。虚拟数控加工仿真速度快,图形逼真,可以利用NC代码在不同的数控系统中进行加工仿真，并可以通过自带的分析模块得到加工结果。本论文主要用到了VERICUT系统以下模块：机床仿真模块、分析模块。4.1.1机床分析模块（1）仿真NC机床机床的数控加工仿真模块可以有效地完成整个数控过程中加工工具的三维仿真,具备了精确的检测碰撞功能。软件将实时地自动检测所有的部件,例如:回转轴之间的发生碰撞、导轨、工作台、主轴、夹具、刀具、工件等，是否发生干涉和碰撞。（2）建立NC机床可以输入STL，IGES和VERICUT的模型文件，这些模型可以在VERICUT组件树中建立，在组件树可以将各个模型连接到控制部分，设定其工作区域和范围，并设定其他机床参数，即可完成NC机床的建立。（3）多轴加工模块零件及其加工的操作变得更加复杂,增大了出现错误的可能。不得不使刀具路径精度精准进行设计和加工，使零件及机床、工人等安全出现很高风险。多轴铣削可以简化加工方案，降低刀路精度要求，这大大增加了其重要性。软件可以准确地实现对数控刀具的加工路径进行验证，在多轴模块加工过程中,可模拟并验证4轴及5轴的加工。4.1.2分析模块分析模块可以通过比较测定加工零件与设计零件之间的差别，通过自动比较、比较测定器等多种方法对加工零件进行分析，得出加工过程是否存在过切，残留等情况，保证加工精度，确保实际加工的正确。4.2VERICUT仿真文件建立4.2.1VERICUT仿真流程1、建立虚拟数控机床模型该软件为用户提供了一个控制文件库，包含了从2到5轴各种数控机床和加工中心，以及FANUC，西门子等各种数控系统，基本已经能够完全满足实际的应用需求。用户还可以调用或修改机床文件，来实现所需的加工要求，软件还提供了机床的自定义模型建立，通过软件自带建模或导入其他CAD软件建立的几何模型来建立机床及其组件的实体模型，然后设定机床相关参数行程极限、碰撞检测等完成机床文件的建立。2、建立毛坯和夹具模型与机床模型建立方法一致，可以通过软件自带建模或导入其他CAD软件建立的几何模型来完成毛坯和夹具的建模。3、建立刀具模型刀具模型由夹持装置和刀具两部分组成，该软件刀具库包含铣刀、钻刀、车刀等各种刀具，可以进行参数化添加刀具。4、设置系统参数数控加工仿真中，还需要在软件中设置一些参数，如工件坐标系的原点以及机床坐标系等。5、加工仿真在项目树中调入通过CAM软件生成的数控加工代码或者手工编写的数控加工程序，在VERICUT系统中进行加工仿真，可以观察零件加工的完整过程。6、仿真结果分析零件加工仿真过程中出现的错误，会放到日志文件中。可以通过日志文件分析加工过程中是否发生干涉现象，根据干涉情况，修改程序，夹具，装夹位置等，避免机床，夹具等发生干涉、碰撞等现象。通过自动比较功能，可以分析加工是否存在过切和残留。（工作流程如图4.1所示）。图4.1VERICUT数控仿真加工基本过程4.2.2机床文件的组建打开VERICUT，在软件中点击“新项目”，工作目录如下图4.2所示。双击“机床”系统弹出“打开机床”对话框，如下图4.3所示，选择“3_axis_tool_chain”机床。双击“控制”系统弹出“打开控制系统”对话框，如下图4.4所示，选择“fan10m”控制系统。图4.2工作目录图4.3机床的选择图4.4机床控制系统的选择4.2.3夹具体、零件和毛坯的组建1、在UG中绘制夹具以及毛坯，并在夹具底面建立“WCS”坐标系，如图4.5所示。并将毛坯、夹具和零件各自保存为“STL”文件。图4.5毛坯、夹具、工作坐标系建立2、在VERICUT工作目录中，右键“Fixture”选择“添加模型”→“模型文件”如图4.6所示，选择在UG中导出的夹具模型文件。添加完成的夹具模型如图4.7所示。图4.6夹具添加过程图4.7夹具模型添加3、与插入夹具同理，分别右键“Stock”和“Design”分别选择UG中导出的毛坯和零件模型文件。添加完成的夹具模型如图4.8和4.9所示。图4.8毛坯模型添加图4.9零件模型添加4.2.4刀具的组建本论文组建的刀具库共包含6把典型刀具，包括球头铣刀，圆鼻铣刀和孔加工刀具。VERICUT中各刀具刀长、刀刃长和刀具夹持长度等信息可以任意修改和编辑。但是切削部分和刀号需要和UG中所定义的刀具一致。在VERICUT界面下点击“项目”→“刀具”，系统弹出刀具管理对话框，点击添加铣刀，选择刀具类型，并输入参数，如下图4.10所示。刀具添加完成后还需要定义对刀点和装夹点如图4.11所示。图4.10刀具参数设置图4.11刀具对刀点和装夹点设置4.3VERICUT虚拟加工4.3.1偏置坐标系建立点击“坐标系系统”中的“Program_Zero”得到如图4.12所示对话框，点击“位置”选项，按照UG加工模块中机床坐标系的位置在对应的位置建立偏置坐标系。得到结果如下图4.13所示。图4.12坐标系位置设置图4.13底面偏置坐标系建立4.3.2数控程序的添加右键“数控程序”→“添加数控程序文件”，弹出“数控程序”对话框，选择通过UG后处理的数控文件，完成数控程序的插入。