曲面叶片的数控加工工艺设计及CAM编程仿真含NX三维及CAD图
曲面叶片的数控加工工艺设计及CAM编程仿真含NX三维及CAD图,曲面,叶片,数控,加工,工艺,设计,cam,编程,仿真,nx,三维,cad
典型汽车零部件的CAM编程(曲面)摘要随着现代汽车产业的不断发展,对汽车零件制造领域的要求也越来越高,特别是在复杂零件的曲面这一块,而计算机技术的飞速发展,给传统的制造业带来了巨大的变革,CAD/CAM技术是利用计算机来帮助人们完成产品的设计和制造的新技术,是在零件生产中综合应用的新飞跃。本文的主要目的就是通过使用现代主流CAD/CAM软件对典型的汽车零部件叶轮,解决曲面造型的难题和编程困难。工艺分析之后选择合适的加工方式,计算出合适的加工参数等等,最终对其编程。反复仿真对比得出最好的工艺路线之后输出NC程序,并在最后提出一些加工程序的输出时的注意事项。通过这样的方式,能使汽车水泵叶轮使用寿命更持久,相比塑料的叶轮在各方面的性能也更优越。关键词:CAD/CAM技术;数控仿真加工;曲面;汽车零部件 CAM programming for typical automotive components (surface)ABSTRACTWith the development of the modern automobile industry, the auto parts manufacturing industry are increasingly high requirements, especially in parts of the complex curved surface of this block, and the rapid development of computer technology, has brought great changes to the traditional manufacturing industry, the CAD/CAM technology is the use of new technology to the computer to help people complete the design and manufacturing the product,which is a new leap in the comprehensive application of parts in production. The main purpose of this paper is based on the typical automobile parts - impeller using modern mainstream CAD/CAM software, to solve the problem of difficult surface modeling and programming. Process analysis after selecting the suitable processing method, calculate the appropriate processing parameters and so on, ultimately its programming. After repeated simulation comparing process the best output NC program, and puts forward some processing program output matters needing attention. In this way, it can make the automobile pump impeller service life longer, compared to the performance of plastic impeller ,it is superior in all aspects.Keywords: CAD / CAM technology; CNC machining simulation; surface; Auto Parts目录一、绪论11.1曲面造型技术的发展及现状11.2曲面加工设备的发展和现状21.3 CAD/CAM技术的发展31.4课题的研究内容41.5课题研究的意义51.6国内外叶轮数控加工研究现状5二、叶轮曲面编程工艺分析72.1叶轮的主要分类72.2 叶轮的叶片分类92.3叶轮工作原理92.4零件图工艺分析102.5加工工艺分析112.6工艺卡片12三、叶轮的三维CAD构建要素确定153.1 UG软件介绍153.2叶轮实体图163.3叶轮的建模163.4小结20四、叶轮的数控加工编程及仿真验证214.1 UG的CAM模块214.2零件的材料对加工参数的确定214.3 UG/CAM加工仿真224.3.1初始化加工环境224.3.2创建程序节点224.3.3创建加工几何体244.3.4创建加工操作254.5小结33五、程序输出的要点345.1后置处理345.2各工序的加工程序355.3程序检查和添加注释信息385.4输出NC程序和工艺文件夹385.4本章小结39结论40致谢41参考文献4236一、绪论随着全球经济的发展,市场竞争日趋激烈,新的技术革命不断取得进展和突破,技术的飞跃发展己经成为推动世界经济增长的重要因素。为了保持和加强产品在市场上的竞争力,产品的开发周期、生产周期越来越短,促使工业产品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展,具有复杂曲 面的产品越来越多,广泛应用于模具、工具、能源、交通、航空航天、航海等领域。 复杂曲面的复杂性主要体现在:许多边缘学科、高科技产品领域对产品涉及的曲面造型有很高的精度要求,以达到某些数学特征的高精度为目的;现代社会中,人们在注重产品功能的同时,对产品的外观造型提出了越来越高的要求,以追求美学效果或功能要求为目的。因此,进一步提高复杂曲面的设计和加工水平成了国内外竞相研究的焦点。 近年来,随着计算机技术、自动控制技术的发展,数控技术有效地应用于曲面加工中,特别是多轴数控加工技术在复杂曲面加工中的广泛应用,复杂曲面加工技术有了突破性发展,出现了激光开槽、快速原型制造和快速工装等新加工方法。 我国在复杂曲面的加工技术方面取得了不少成果。但是,与世界先进水平相比还有较大的差距。 1.1曲面造型技术的发展及现状曲面造型技术是计算机辅助设计和计算机图形学(Computer graphics, CG)中最为活跃、同时也是最为关键的学科分支之一,它随着CAD/CAM技术的发展而不断完善,渐趋成熟。它主要研究在计算机图像系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析,肇源于飞机、船舶的外形放样工艺,由Coons、Bzier等于20世纪60年代奠定理论基础。经几十年的发展,现在它已经形成了以Bzier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示方法为主体,以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论体系。非有理与有理曲线曲面形式和非有理的B样条曲线曲面形式都被统一在NURBS形式之中。国际标准化组织于1991年颁布了关于工业产品数据交换的STEP国际标准,将NURBS方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法,从而使NURBS方法成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。我国学者在曲面造型技术方面取得了显著的成绩,如复旦大学对参数曲线分类及形状控制和多元散乱资料逼近拟合的研究,中国科技大学对Bzier曲面凸性条件和隐式曲面算法的研究,浙江大学对曲面几何连续拼接理论和曲面几何逼近方法的研究,这些学术成就已在国际计算机图形界占有重要的一席之地。 从研究领域来看,曲面造型技术已从传统的曲面表示、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。此外,随着工业生产的发展和需要,其他学科的技术方法被引进到计算机图形学中来,形成一种融合 的趋势,出现了许多新造型方法的研究:如基于物理模型优化的曲面造型方法、基于力密度方法的曲线曲面的造型方法、基于偏微分方程的曲面造型方法、小波曲线曲面的造型方法、流曲线曲面造型方法、基于移动最小二乘近似的曲面造型方法等1.2曲面加工设备的发展和现状 近年来,复杂曲面零件的加工技术由于多轴联动数控加工中心的应用得到了突破。国外多轴数控切削技术发展很快,CNC机床已经从三轴发展到十轴。日本研制的五面加工机床采用复合主轴头,可实现4个垂直平面、任意角度的倾斜面和倒锥孔的加工。德国德马吉公司生产的DMUVoution系列加工中心可由CNC系统控制、CAD/CAM直接或间接控制,在一次装夹下完成五面加工。还有一些专门为特定的复杂零件定制的专用CAD/CAM系统,如针对叶轮加工的五坐标加工系统MAX-AB(端铣加工)和MAX-5(直纹面侧铣加工),专门用于叶轮类零件侧铣加工的FLAMINGO,用于螺旋桨CAD/CAM的VX,专门用于加工模拟的VERICUT等。 此外,在多轴磨削机床中,瑞士开发了六轴控制的、砂轮可曲面法向跟踪进行磨削的高精度磨床,提高了效率,避免了接刀误差,大大提高了曲面加工的质量。德国研究开发的外圆磨床,快速点磨的同时利用与车削一样的两坐标联动实现复杂零件的表面磨削,生产效率大幅提高。另外,随着数字化光电技术的高速发展,精密多轴曲面磨床的技术性能得到改善。瑞士的罗诺曼迪克有限公司研究开发的高精度NC600Xplus六轴工具磨削中心配装了光学装夹,每个磨削砂轮的位置在机床上都可以在线测量。 近年来,我国在多轴数控机床的研制方面也取得了很大的发展。沈阳机床厂研制生产的GMB25505x龙门式五轴镗铣加工中心应用于大型叶轮等复杂曲面高速、精密加工。济南二机床集团有限公司研制生产的XKV2740型五轴联动定梁龙门(双龙门)移动数控镗铣床,可以完成对多种叶片、螺旋桨、金属模具等大型复杂曲面的精密加工。北京机电院与东方汽轮机厂联合开发了五轴联动大型叶片加工中心,可一次装夹完成60 MW汽轮机首末级叶片的加工。西北工业大学开发出与国际领先的MAX-SI软件功能相当的整体叶盘数控加工专用系统。齐齐哈尔二机床厂、清华大学和哈尔滨电机厂有限责任公司联合研制了新型龙门式五轴 联动混合机床,实现了三维立体曲面的高速切削,成功加工出三峡工程左岸水轮发电机组特大型水泵叶片。杭州机床集团有限公司研制出MKL715016/2七轴五联动数控强力成形磨床,实现了对燃气轮机叶片圆弧叶冠的凸凹圆弧面高效率、高精度、高质量的磨削加工。1.3 CAD/CAM技术的发展随着计算机技术的发展,CADCAM技术也逐渐发展起来,这项技术的虽然发展时间不长,但发展的速度很快。现在它已经成为制造业的核心技术,被认为是制造业生产力和产品竞争力的关键。CADCAM系统在发展过程中,针对不同的应用领域、技术环境和用户需求,表现出不同的构造模式和发展水平。CAD和CAM两项技术虽然一同诞生,但在很长时间里却是按照各自轨迹发展来的。 进入70年代,CAD、CAM开始走上一起发展的道路。由于CAD与CAM的数据结构不同,所以在CADCAM技术的发展初期,主要工作是数据接口的开发,沟通CAD和CAM之间的信息流。不同的系统都有自己的数据格式,都要开发相应的接口,不利于CADCAM系统向集成化的方向发展。在这种背景下,GE公司和美国波音公司于1980年制定了数据交换规范IGES(1nitial Graphics Exchange Specifications)。后来这一规范被认可为美国ANSI标准。IGES规定了统一的中性文件格式,不同的CAD、CAM系统数据交换可通过此中性文件进行,从而形成一个完整的CADCAM系统。通过适当的媒介将不同的系统集成到一起,这就给CADCAM集成化提供了一种很好的想法,在这种思想指导下许多商品化CADCAM或CADCAMCAE系统从而被开发的。从本质上讲,这是系统的一种集成,即将不同的系统集成到一起。 随着对CADCAM研究的深入,实际生产对CADCAM要求的不断提升,人们又提出用统一的产品数据模型,能够同时支持CAD和CAM的信息表达,在设计系统之初,就将CADCAM视为一个整体,真正意义上实现集成化CADCAM,使CADCAM进入了一个崭新的时代。产品模型统一的建立,一方面为实现系统的高度集成提供了有效的手段,另一方面,也为CADCAM系统中实现并行设计提供了可能。目前,各大商品化软件纷纷向此方向靠拢。例如SDRC公司的I-DEAS Master serial版,在Master Model的统一支持下,实现了集成化CADCAM,并在此基础上实现并行工程。 80年代,一大批工程化的CADCAM商品化软件系统出现了,其中较著名的有CATIA,CADAM, I-DEAS,UG-,ACIS,ProENGINEER等,并应用到机械、汽车、造船、航空航天等领域。 进入90年代后,CADCAM系统的集成度不断提高,特征造型技术的成熟应用,为从根本上解决由CAD到CAM的数据流无缝传递奠定了基础,让 CADCAM达到了真正意义上的集成,从而发挥出最高的效益。1.4课题的研究内容1. 学习数控加工技术,了解数控加工的技术特点,分析典型汽车零件的特点 2. 学习UG或Mastercam软件,掌握计算机编程技巧 3. 依据典型汽车零件的技术要求及加工要求制定加工方案(重点在自动加工参数、刀路路线选择等方面); 4.实现UG或Mastercam环境下的建立典型零件的三维建模和数控加工动作的运动仿真。 5.编写加工程序,对比加工参数设定重要性及选择性,并对加工效果及加工方案进行分析及评价 1.5课题研究的意义对制造业来说,CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期,降低产品开发成本的强有力手段,已成为企业赢得市场的制胜法宝。因此,研究我国机械行业CAD/CAM技术,对加快我国机械行业CAD/CAM技术推广应用步伐,提高我国机械制造业的国际竞争力具有深远的意义。 1.6国内外叶轮数控加工研究现状在七十年代初,我国的几家大型企业就开始着手将数控机床用于叶轮的加工上。目前,我国已有许许多多的厂家开始采用锻造毛坯后,用多坐标NC加工成型的方法加工叶轮,在国防工业中尤为突出,如火箭发动机的转子、风扇,飞机发动机的涡轮等。现在都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床很多都是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。 由于叶轮的曲面形状的多样性,加工叶轮常使用两种方法。第一类就是点铣法,即用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀,逐渐加工出所需要的叶片曲面。在自由曲面型叶片上普遍采用这种方法,在小部分直母线型的叶片上也采用。我国航天用的风扇、转子都采用这种方法。 当然很多工厂没有采用通用软件,只对某一叶轮编制了专用程序,缺点就是使用面窄,使用性能也相对较差。 国际上大部分工厂与我国的情况类似,也使用通用软件来编制叶轮数控加工程序。但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)都推出了数控加工软件包专用于叶轮,不采用通用的CAD/CAM软件,这是因为这些软件的生产厂商在叶轮加工和数控编程方面都有多年的的经验,软件中针对不同的叶轮设计了不同的刀具路径模板。对于叶轮在加工中的干涉问题上,也有了充分的考虑。而通用软件是不具备这些解决问题的能力的。另外,这些软件的集成性非常好,可以和工艺设计和设计结果直接相连。作为专用的软件,界面简洁、重点突出,有利于设计人员掌握。尽管这些程序编程性能非常优良,但所包含的工艺信息很少。一般只能提供刀具的尺寸表、进给率表、转速表等,而缺乏推荐的切削刀具和切削量,没有指南如何减少加工变形。我国在叶轮的数控加工的编程软件的技术还很落后,国内少数工厂已经认识到专用软件的优越性,想要引进。但由于国外索价昂贵只能望尘莫及,所以开发中国产权的叶轮数控加工软件已迫在眉睫。二、叶轮曲面编程工艺分析叶轮是离心泵的主要部件,用铸铁制成。叶轮上的叶片又起主要作用,叶轮的形状和尺寸与水泵性能有密切关系。叶轮一般可分为单吸式和双吸式两种,单吸式叶轮为单边吸水,小流量水泵叶轮多为此种型式。双吸式叶轮为两边吸水,大流量水泵叶轮均采用双吸式叶轮。2.1叶轮的主要分类离心泵叶轮主要有以下4种形式:1.闭式由叶片与前、后盖板组成。闭式叶轮的效率较高,制造难度较大,在离心泵中应用最多。适于输送清水,溶液等黏度较小的不含颗粒的清洁液体。如图2-1。 图2-1 闭式叶轮 图2-2半开式叶轮2.前半开式由后盖板与叶片组成,此结构叶轮效率较低,为提高效率需配用可调间隙的密封环,如图2-2。3.后半开式由前盖板与叶片组成,由于可应用与闭式叶轮相同的密封环,效率与闭式叶轮基本相同,且叶片除输送液体外,还具有(背叶片或副叶轮的)密封作用。半开式叶轮适于输送含有固体颗粒、纤维等悬浮物的液体。半开式叶轮制造难度较小,成本较低,且适应性强,在炼油化工用离心泵中应用逐渐增多,并用于输送清水和近似清水的液体。4.开式只有叶片及叶片加强筋,无前后盖板的叶轮(开式叶轮叶片数较少2-5 片 )。叶轮效率低,应用较少,主要用于输送黏度较高的液体,以及浆状液体。 图2-3开式叶轮 图2-4 双吸叶轮5.双吸叶轮具有扬程高、流量大等特点,由两个背靠背的叶轮组合而成,从叶轮流出的水流汇入一个蜗壳中,它相当于两个相同直径的单吸叶轮同时工作,在同样的叶轮外径下流量可增大一倍;叶轮结构对称,没有轴向力,运行较平稳。图为叶轮的区分图2-5叶轮的分类图2.2 叶轮的叶片分类叶轮的叶片有两种形状:1、单曲率叶片,也称圆柱形叶片,这种叶片的表面是单向弯曲的,因圆柱表面是单向弯曲的面,所以称为圆柱形叶片。如图2-6。 图2-6 单曲率叶片 图2-7双曲率叶片 2、双曲率叶片,叶片表面是双向弯曲的面,即空间曲面,又称扭曲叶片。如图2-7。2.3叶轮工作原理1.叶轮被泵轴带动旋转,对位于叶片间的流体做功,流体受离心力的作用,由叶轮中心被抛向外围;2.泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体,这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动,使流体的部分动能转化为压强能,以减小输送过程中的能量损失;3.叶轮高速旋转,迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开,从而在叶轮中心形成低压,低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。 图2-8叶轮工作原理图2.4零件图工艺分析叶轮零件图如图2-9所示,模型三维图如图4.1.2所示。该叶轮的毛坯是个铝制圆柱,尺寸为282mm50mm,其底面已经加工好了,可以作为本次加工的安装面,其中需要加工的型面包括:底盘面、叶片侧面、圆角、中间的孔。图2-9 叶轮二维图图2-10 叶轮三维图2.5加工工艺分析加工工艺分析包括工艺路线的制定、加工方法的选择和加工顺序的安排、(结合UGCAM功能)加工模板的选用和相应加工操作中切削工艺参数的选用。根据先粗后精、先面后孔等工艺划分原则,确定好工件的装夹方式后,针对加工型面的特点来选用合理的加工模板操作。具体分析如下1)从毛坯到成品,显然加工余量很大,结合UGCAM功能,可以采用型腔铣来去除大部分余量,本零件为HT250,结合机床的刚性情况,合理选用好开粗刀具和切削用量(每次切深量)。一般情况下,采用平底立铣刀开粗后,再选用带有圆角的铣刀来进行二次开粗,来保证后面余量均匀。2)由于20mm圆角是曲面,一般选用小直径的球头刀具来精加工,主轴转速必须高,刀具进给速度必须大,否则对加工效率有很大影响。为了提高曲面加工质量,除了设置较小的步距宽度或者较小的波峰高度值进行控制外,还必须保证精加工之前加工余量的均匀性。3)鉴于叶片面是直壁面,可以采用等高轮廓铣进行精加工来保证表面质量。4)底面可以选用平面铣中的精铣底面操作类型,以保证最终表面粗糙度。5)细节特征,比如叶片底面倒角这种加工余量小的加工,可以单独安排一刀切下,来提高效率。还有一些细节特征,比如直闭面的倒圆角,已经在等高轮廓铣中顺带加工好了,不必单独设置工序操作来加工,若效果不好,则再加一道曲面清根操作。6)选用切削用量时,除了参考上面的加工类型、加工要求以外,还要考虑所用设备的刚性和用刀具自身的切削性能。7)加工方法的选用问题,主要根据待加工工件的材料来确定,本零件默认UGCAM中的加工方法设置,即粗加工余量为1mm、精加工为0.25mm。2.6工艺卡片切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在CAM软件中与切削相关的参数主要有主轴转速、进给速率、刀具切入时的进给速率、步距宽度和切削深度等。(1)主轴转速-主轴转速一般根据切削速度来进行计算, 其计算公式为:n=1000 V *d,式中d为刀具直径(mm),V为切削速度(mmin)。切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关,当工件材料、刀具材料和结构确定后,切削速度就成为影响刀具耐用度的最主要因素,过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。精加工时,应尽量避免中途换刀,以得到较高的加工质量,因此应结合刀具耐用度认真选择切削速度。(2)进给速度Vf-进给速度指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移,单位mm/mim。它与铣刀的转速n、铣刀齿数Z及每齿进给量fz(单位mm/z)有关。进给速度的计算公式为:Vf=fz*Z*n每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高,每齿进给量越小;硬质合金铣刀比同类高速钢铣刀每齿进给量要高;当加工精度和表面粗糙度要求较高时,应选择较低的进给量;刀具切入进给速度应小于正常切削进给速度。根据表2.6.1和表2.6.2计算出所需的主轴转速和进给速度表2-1硬质合金切削粗加工表2-2 各种常用工件材料的吸血速度推荐范围表2-3工艺卡片工序号工序内容刀具刀具规格mm主轴转速/(r/min)进给速度/(mm/min)1粗铣底面,高度达到50mm立铣刀D1618007502一次开粗立铣刀D1618007503二次开粗立铣刀D8R223007504精铣20mm圆角球头立铣刀D260003005精铣底板面立铣刀D4R250003506精铣叶片侧面立铣刀D4R250003507钻孔钻头306001508去毛刺三、叶轮的三维CAD构建要素确定在此次的建模过程中,我将使用UG这款软件。因为UG相比其他软件,在复杂的零件的建模过程中,相对来说比较容易,特别是在曲面建模方面,其曲面构造工具比较丰富。在CAM方面的功能也非常强大,它能自动进行数控编程,但是数控编程之前的加工工艺的分析和规划必须由用户自行完成。 3.1 UG软件介绍CAD模块 1实体建模 实体建模是集成了基于约束的显性几何建模和特征建模两种方法,提供符合建模的方式,让用户能够方容易地建立二维和三维线框模型、实体扫描和旋转、布尔运算及其表达式。实体建模是自由形状建模和特征建模的必要基础。 2特征建模 UG的特征建模模块,提供了对编辑和建立标准设计特征的支持,常用的特征建模方法包括圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征,特征可以相对于任何其他特征或对象定位,也可以被引用复制,以建立特征的相关集。 3自由形状建模 UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。它是实体建模和曲面建模技术功能的合并,包括沿曲线的扫描,用一般二次曲线创建二次曲面体,在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面。还可以采用逆向工程,通过曲线/点网格定义曲面,通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数,或通过引入数学方程控制、编辑模型。 4工程制图 UG工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图,也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时,工程图将被自动更新。制图模块提供自动的视图布局(包括基本视图、剖视图、向视图和细节视图等),可以自动、手动尺寸标注,自动绘制剖面线、形位公差和表面粗糙度标注等。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图,包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等5装配建模 UG装配建模只是用于产品的模拟装配,支持“由顶向下”和“由底向上”的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑,组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位,改进了性能和减少存储的需求。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享,使产品开发并行工作。3.2叶轮实体图图3-1为某汽车叶轮实体图图3-1 叶轮3.3叶轮的建模因为汽车水泵的叶轮是单曲率半开式叶轮,所以建模的过程也相对比较容易。1. 选择XY作为草图面,为下面的CAM编程提供方便。画圆并标注直径282mm,点击,选择圆,然后拉伸高20mm的底板 图3-2 底板尺寸 图3-3底板拉伸长度2.在刚拉伸的底板上建立草图,画50mm直径的圆并拉伸20mm图3-4圆柱拉伸320mm的边倒圆(在边倒圆之前先求和)图3-5 求和 图3-6倒圆角4. 画长49.8mm,宽11mm的长方形,拉伸8mm,然后在工具栏选择 插入关联复制实例特征圆形阵列选择刚拉伸的长方体数字里填6,角度填60(注:数字和角度相乘为360)。 图3-7底板建立草图 图3-8矩形拉伸 图3-9 阵列参数设置 图3-10 阵列图5.在底板上建立草图,然后选择插入曲线艺术样条拟合叶轮的曲线,然后选择偏置曲线,点击刚拟合的曲线。(这样的好处是不用重新拟合,也提供了方便)距离为11mm,点击约束,使其和长方体的边相切,然后拉伸30mm,并进行圆形阵列(阵列方式如上)图3-11艺术样条参数设置 图3-12 区域拉伸 图3-13叶片阵列6.求和并进行边倒圆 图3-14叶片上边倒圆 图3-15叶片侧壁边倒圆7.在中间的圆柱顶面上绘制草图,画30mm的圆,并拉伸求差 图3-16孔的尺寸图 图3-17孔的拉伸8.最后建立毛坯,拉伸50mm的圆柱。建立毛坯是为了CAM编程时提供方便,因为CAM编程时提供的毛坯假如用自动块的话,会产生一个把零件包络起来的长方体,所以为了方便在原来基础上建立一个较原来零件稍大一点的毛坯。图3-18 毛坯图3.4小结至此叶轮的建模就完成了,相对于双曲率叶片的叶轮建模简单了许多,不过叶轮的曲线是由曲线公式决定的,而曲线公式又相对复杂。因为不是本设计的研究重点,所以在曲线那块的建模只是测绘后大概拟合了一下,最后成型。最后的毛坯是在CAM编程的时候要用到。通过对叶轮的建模,可以让我更好地了解叶轮,对下面的CAM编程也有一定的帮助。四、叶轮的数控加工编程及仿真验证4.1 UG的CAM模块UG/CAM模块就是UG NX的计算机辅助制造模块,该模块提供了对NC加工的CLSFS建立与编辑,提供了包括铣、车、多轴铣、钣金、线切割等加工方法的交互操作,还具有机床数据文件生成器和图形后置处理的支持。同时又提供了制造资源管理系统、图形刀轨编辑器、切削仿真、机床仿真等加工或辅助加工。4.2零件的材料对加工参数的确定表4-1 叶轮常用材料由表可以看出,对于汽车的水泵的叶轮,其扬程较小,所以我选择的材料为HT250,其强度、耐磨性、耐热性均较好,减振性良好。4.3 UG/CAM加工仿真4.3.1初始化加工环境1)选择“开始”“加工”命令,进入UGCAM环境。由于该工件主模型是第一次进入加工环境,系统将打开“加工环境”对话框。2)在“加工环境”对话框中,在“CAM会话配置”列表框中选择通用加工配制文件(cam_general),在“CAM设置”列表框中再选择“mill_contour(固定轴轮廓铣)”,单击“初始化”,即可完成初始化工作。4.3.2创建程序节点 创建程序节点的步骤如下: 1)在工具条快捷图标中,单击“创建程序”图标。 2)在该“创建程序”对话框中,默认“父本组”的下拉列表框的“NC_PROGRAM”,默认程序名称为“PROGRAM_1”,单击“确定”按钮,即完成本工件加工程序节点的创建。如图4-1图4-1创建刀具节点创建刀具节点的步骤如下:1)在工具条快捷图标中,单击“创建刀具”图标。2)打开“创建刀具”对话框中,在“子类型”区域中选择“mill_contour”图标,在“位置下在位置下拉列表框中默认选择“GENERIC_MACHINE”,在“名称”文本框中输入创建的第一把刀具命名为“D16”,单击“应用”按钮。在出现的对话框内,输入直径为16mm平底立铣刀的相关尺寸参数、刀具补偿号、刀具号等,单击“确定”退出,创建了第一把刀具。 图4-2创建刀具对话框3) 按照同样的方法,对照工艺卡片创建其他立铣刀或者球头铣刀。4)在“创建刀具”对话框中,把“类型”切换到“drill”图标,在其“子类型”区域中选择“SPOTDRILL_TOOL”图标,在“位置”下拉列表中默认选择“GENERIC_MACHINE”,在“名称”文本框中输入创建第一把中心钻名称,命名为“SPOTDRILLING”,单击“应用”按钮。在出现的“钻刀”对话框内,输入直径为30mm和其他相关尺寸参数、刀具补偿号、刀具号等,单击“确定”退出,创建了第一把钻头。创建好刀具后,可以切换到视图窗口,在“机床(刀具)视图”选项下,观察和检查创建好的各把刀具。图4-3机床(刀具)视图选项卡还可以在“创建刀具”对话框中,单击“RetrieveTool”图标,在出现的“库类选择”对话框中,依次从现有的刀具库中选择符合加工要求的刀具。如果在刀具库中选择不到相应的刀具规格,可以在刀具库中添加。4.3.3创建加工几何体创建加工几何体的操作有两种途径,一是从单击工具条快捷图标“创建几何体”进入相应的操作;二是从导航器窗口进入,一般后一种的操作相对方便。1.建立加工坐标系在操作导航器窗口中,单击“几何视图”,在下面窗口找到“MCS_MILL”图标并双击,在出现的“MILL_ORINET”对话框下,单击“MCS”选项下的“原点”图标,进入“点构造器”对话框,由于工作坐标系在工件底部中间位置,所以在ZC的坐标值填为50即可,单击“确定”,返回到“MILL_ORINET”对话框,再次单击“确定”,保证加工坐标系原点在工件顶部的中间位置上,和工件安装在工作台上的对刀点一致。2.分别指定工件几何体和毛坯几何体1)单击“MCS_MILL”节点前的加号,展开“MCS_MILL”节点的子项,选择节点“WORKPIECE”,双击“WORKPIECE”图标,出现“MILL_GEOM”对话框。2)在对话框的“几何体”选项中单击“部件”几何图标,然后单击“确定”按钮,打开“工件几何体”对话框,在视图窗口中选中工件主模型,然后单击“确定”按钮,即可完成工件几何体的指定。点击“显示”进行检查。3)再次在“MCS_MILL”对话框,在“部件”选项中单击几何图标然后单击“选择按钮”,打开“毛坯几何体”对话框。4)在视图窗口中,选择毛坯实模型,然后单击“确定”按钮,即可完成毛坯几何体的指定,点击“显示”进行毛坯检查,单击“确定”按钮,即完成了叶轮模型加工的几何体 图4-4指定工件几何体和毛坯体 图4-5创建加工几何体5)让工件主模型正常显示在实体窗口中,而把毛坯模型隐藏掉。4.3.4创建加工操作1.创建一个型腔铣操作(一次开粗)由于工件加工余量大,型面复杂,第一步是选用一种型腔加工类型,创建操作步骤如下:点击工具条快捷图标“创建操作”,出现“创建操作”对话框,类型选择“mill_contour”,在“子类型”中选择“cavity mill”图标,各个选项的设置如下:1) 几何体。选择前面创建好的几何体节点,即“WORKPIECE”。2)刀具。选择前面创建的粗加工立铣刀,即“D16”。3)方法。选择本次加工为粗加工方法,即“MILL_ROUGH”。4)名称。选用系统自动创建的操作名称,即“cavity mill”。图4-6所示为创建操作的选项全部设置完毕,单击“应用”,即可进入操作图4-6创建型腔铣操作由于几何体选项全部创建好了,其他操作参数设置的步骤如下:1)“切削模式”选用“跟随部件”,即系统默认方式。2)“步进”设置为刀具直径的50%。3)“每一刀的全局深度”输入为2。这样切削效率可以高一些。4)单击“切削层”图标,进入“切削层对话框”发现系统判断从顶层测量,切削范围深度为10mm,而切削深度为30mm,用旁边的刻度调到30mm确定后回到如图4-7所示的对话框 图4-7切削层对话框设置5)在“进给和速度”选项中依次设置好主轴转速和进给率,然后点击,算出所需的数据。图4-8进给和速度对话框单击“mill_contour”操作对话框下面的“生成刀轨”按钮,会出现“显示参数”对话框,利用该对话框,可以观察一层一层的刀轨的生成过程,还可以去掉该对话框中3个选项前面的勾,让全部加工的刀轨全部生成,由于不同颜色的线条代表不同运动形式的刀具运动,这样可以判断各个运动情况,当然线条比较多,可以通过局部刀轨放大等显示方式来观察。如图4-9所示的型腔加工生成的刀轨,检查无误后,单击“mill_contour”操作对话框下面的“刀轨确认”按钮,进入“可视化刀轨轨迹”对话框,选择“2D动态”仿真对话框。 图4-9 刀具轨迹图 图4-10 2D仿真 2.再创建一个型腔铣(二次开粗)操作步骤如上,把刀具换成“D8R2”具体参数如下 图4-11刀轨参数设置检查无误后,单击“mill_contour”操作对话框下面的“刀轨确认”按钮,进入“可视化刀轨轨迹”对话框,选择“2D动态”仿真对话框。 图4-12刀具轨迹 图4-13 2D仿真3.创建一个曲面轮廓铣本次曲面轮廓铣作为精加工,具体步骤如下:点击工具条快捷图标“创建操作”,出现“创建操作”对话框,类型选择“mill_contour”,在“子类型”中选择“CONTOUR_AREA”图标,各个选项按下面设置:1)几何体。选择前面创建好的几何体节点,即“WORKPIECE”。2) 刀具。选择前面创建的球头立铣刀,即“D4”。3) 方法。选择本次加工为半精加工方法,即“MILL _FINISH”。4) 名称。选用系统自动创建的操作名称,即“CONTOUR_AREA”。图4-6所示为创建半精加工操作的选项全部设置完毕,单击“应用”,即可进入“CONTOUR_AREA”操作对话框。区域驱动方式通常作为优先使用的驱动方法来创建刀位轨迹,操作方便,刀轨生成可靠。所以在半精加工、精加工曲面都常采用这种驱动方式。在“CONTOUR_AREA”操作对话框中,在“驱动方式”选项的下拉列表中选择“区域铣削”,进入“区域铣削驱动方式”对话框,主要参数如图4.3.12所示,设置如下: 图4-14刀具参数设置1)“陡峭空间范围”选用“无”。2)“切削类型”选用“往复”方式,目的是保证加工效率。以上注意参数设置后,确认后返回到“CONTOUR_AREA”操作对话框,最后对所有设置的参数进行检查,确认无误后即可进入刀轨生成。 图4-15刀具轨迹图 图4-16刀具过切从图中可以看出零件有过切的地方,说明所选的刀过大,这时我选择了一把D2的球头刀,其他参数不变,效果如图:图4-17 2D仿真图4.创建一个面铣削点击工具条快捷图标“创建操作”,出现“创建操作”对话框,类型选择“mill_plannar”,在“子类型”中选择“FACE_MILLING_AREA”图标,其选项的设置如下:1)几何体。选择前面创建好的几何体节点,即“WORKPIECE”。2) 刀具。选择前面创建的立铣刀,即“D4R2”。3) 方法。选择本次加工为精加工方法,即“MILL_FINISH”。4) 名称。选用系统自动创建的操作名称,即“FACE_MILLING_AREA”。设置完毕后单击“应用”,即可进入“FACE_MILLING_AREA”操作对话框。首先单击几何体选项中的“切削区域”图标,在实体窗口中选择叶轮底盘的上表面区域,确认即可。其他的主要切削参数设置如下:1.“刀具平直”改为30%。为的是能有一个光滑的表面2.“进给和速度”设置按照表2-1所示的数控编程工序卡。其他设置均按照默认值,并作检查。最后生成刀轨图4-18刀轨参数设置 图4-19 2D仿真 图4-20刀具轨迹5.创建等高轮廓铣点击工具条快捷图标“创建操作”,出现“创建操作”对话框,类型选择“mill_contour”,在“子类型”中选择“ZLEVEL_PROFILE”图标,其选项的设置如下:1)几何体。选择前面创建好的几何体节点,即“WORKPIECE”。2) 刀具。选择前面创建的立铣刀,即“D4R2”。3) 方法。选择本次加工为精加工方法,即“MILL_FINISH”。4) 名称。选用系统自动创建的操作名称,即“ZLEVEL_PROFILE”。设置完毕后单击“应用”,即可进入“ZLEVEL_PROFILE”操作对话框。(2)设置陡峭区域等高轮廓铣的操作参数首先单击几何体选项中的“切削区域”图标,在实体窗口中选择轴承座模型四周轮廓区域,确认即可。其他的主要切削参数设置如下:1.“每一刀的全局深度”改为1mm。这样表面的粗糙度会好一点2.切削层的范围以顶层开始,指定顶盖面,由系统自动判断即可。3.在“非切削运动”对话框的“进刀”选项中,设置进刀类型为“螺旋线”。4“进给和速度”设置按数控编程工序卡。其他设置均按照默认值,并作检查,最后单击“刀轨生成”按钮,稍微等待全部刀轨的产生。 图4-21刀具轨迹 图4-21 2D仿真6.钻孔点击工具条快捷图标“创建操作”,出现“创建操作”对话框,类型选择“drill”加工模板,在“子类型”中选择“DRILLING(钻)”图标,刀具选择完成后点击“应用”,即可进入“DRILLING”操作对话框。进入之后,指定孔选择中间的圆,部件表面选圆所在面,底面就是底板的底面,接着进给和速度按照工艺卡片来输入,最后仿真。 图4-22参数设置 图4-23 2D仿真 至此加工已基本完成。仿真动画请看附件。4.5小结本章主要通过创建各个粗、精加工操作,根据工件的加工要求和几何特点选用合适的加工类型,通过仿真的验证,基本上达到了预期的目标,但是在刀具的选择问题上存在一点问题,4mm的刀具产生了过切,而2mm的刀没有这问题,经过我的测量其实4mm的刀可以不过切的,估计在我的设置里还存在些问题。还有叶片底部的圆角,一开始想最后再来一刀,但是最后的效果很差,因为叶片是直壁的,刀具很容易碰擦到侧壁,导致叶片的粗糙度等等一系列参数的变化,所以在之前的开粗时就对圆角切了一刀,能达到预期的要求。五、程序输出的要点5.1后置处理利用后置处理功能,根据加工的实际需要,既可以对整个加工过程中某个操作的刀轨转化成NC程序,也可以对所有操作的刀轨转化成NC程序。本工件后置处理操作是用制作好的后置处理文件来转化刀轨为数控NC程序。1)在操作导航器窗口,选择前面成功生成刀轨的所有操作,在工具条中单击“后处理”图标,出现“后处理”对话框,如图所示,在“可用机床”的列表中选择前面制作好的后处理文件“MILL_3_AXIS”(代表3轴的机床)。图5-1刀具视图2)输出文件名可以允许默认的路径名,也可以通过“浏览”设定NC程序安放路径。3)在单位中选择“公制/部件”选项,“列出输出”不必激活。4)单击“应用”,稍等,即出现如图5-2所示的带“.ptp”后缀名的NC程序。图5-2程序输出5.2各工序的加工程序 图5-3一次开粗N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T00 M06N0040 G0 G90 X-5.0718 Y-2.9194 S0 M03N0050 G43 Z2.3622 H00N0060 Z1.9685N0070 G1 Z1.8504 F9.8 M08N0080 X-4.8299 Y-2.7478N0090 G2 X-4.7372 Y-2.6892 I.6046 J-.8525N0100 G3 X-4.3279 Y-2.414 I-1.3722 J2.4832N0110 X-4.266 Y-2.3597 I-.7906 J.9636N0120 G2 X-4.6146 Y-2.4273 I-.888 J3.6423N0130 X-4.9789 Y-2.4679 I-.7596 J5.1703N0140 G1 X-5.2951 Y-2.4919N0150 Z1.9685N0160 G0 Z2.3622N0170 X-4.9785 Y-3.0768N0180 Z1.9685N0190 G1 Z1.8504N0200 X-4.7395 Y-2.9011N0210 G2 X-4.6509 Y-2.8439 I.5142 J-.6992N0220 G3 X-4.2161 Y-2.5514 I-1.4585 J2.6379N0230 X-3.8183 Y-2.03 I-.9024 J1.101N0240 G2 X-4.6402 Y-2.252 I-1.3357 J3.3126 图5-4二次开粗N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T00 M06N0040 G0 G90 X.3607 Y.8365 S1200 M03N0050 G43 Z2.3622 H00N0060 Z2.0157N0070 G1 Z1.8976 F9.8 M08N0080 X.3995 Y.9264N0090 X.2699 Y1.0746N0100 G2 X.1255 Y1.2952 I.7155 J.6259N0110 X.0941 Y1.2779 I-.3572 J.6121N0120 X-.0054 Y1.1832 I-.7009 J.6371N0130 X-.0075 Y1.1086 I-.5902 J-.0213N0140 G1 X-.0253 Y.9115N0150 Z2.0157N0160 G0 Z2.3622N0170 X.4277 Y.8043N0180 Z2.0157N0190 G1 Z1.8976N0200 X.4847 Y.9961N0210 X.4943 Y1.0282N0220 G2 X.1812 Y1.485 I.4911 J.6723N0230 X.021 Y1.3735 I-.4129 J.4223N0240 X-.0059 Y1.3438 I-.6278 J.5415N0250 G1 Y1.3295N0260 X-.0115 Y1.3288N0270 X-.0207 Y1.3286N0280 G2 X-.1292 Y1.2373 I-.5861 J.5864N0290 X-.1262 Y1.1087 I-.4664 J-.0753N0300 G1 X-.1275 Y1.1017N0310 X-.1647 Y.8975N0320 Z2.0157图5-5铣削圆角N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T00 M06N0040 G0 G90 X-1.3759 Y1.2507 S3000 M03N0050 G43 Z2.3622 H00N0060 Z2.N0070 G1 Z1.1506 F5.9 M08N0080 X-1.3746 Y1.2517 Z1.1353N0090 X-1.369 Y1.2563 Z1.1218N0100 X-1.3597 Y1.2639 Z1.1121N0110 X-1.3483 Y1.2732 Z1.1078N0120 X-1.3433 Y1.2773 Z1.1072N0130 X-1.3403 Y1.2798 Z1.1065N0140 X-1.3357 Y1.2835 Z1.1048N0150 X-1.3311 Y1.2873 Z1.1024N0160 X-1.322 Y1.2948N0170 X-1.3113 Y1.3035N0180 X-1.2968 Y1.2951N0190 X-1.312 Y1.2826N0200 X-1.3303 Y1.2676 Z1.1041N0210 X-1.3486 Y1.2527 Z1.1053N0220 X-1.3669 Y1.2377 Z1.1073N0230 X-1.3707 Y1.2346 Z1.1078N0240 X-1.3929 Y1.196N0250 X-1.3752 Y1.2106 Z1.1057N0260 X-1.3569 Y1.2255 Z1.1044N0270 X-1.339 Y1.2402 Z1.1032N0280 X-1.3614 Y1.2015N0290 X-1.3652 Y1.1984 Z1.1034图5-6铣削底面N0010 G40 G17 G90 G70N0020 G91 G28 Z0.0N0030 T00 M06N0040 G0 G90 X-4.86 Y2.9
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