叶轮的数控加工

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1、摘要此设计为叶轮的制造工艺与加工程序设计，直接的目的是介绍说明叶轮制造的 细节，运用UG解决制造业界中对叶轮加工程序编制的难题，同时介绍叶轮制造的思 路方法。间接的目的是使数控加工更为人所知，并让更多人了解数控加工的优点， 加工的范围。关键词：加工；UG；工艺；叶轮ABSTRACTThis design for the manufacturing process of the impeller design and processing procedures, the immediate purpose is to introduce the details of the impeller m

2、anufacturing, the use of UG solve the problem in the manufacturing industry in the preparation of impeller machining program. At the same time introduced the idea of impeller manufacturing method. Indirect purpose is to make the CNC machining better known, and let more people know the advantages of

3、CNC machining, processing range.Keywords： machining；UG；processes；impeller第 1 章 绪论1.1课题的选择整体式叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空等领域，其加工技 术一直是制造业中的一个重要课题。从整体式叶轮的几何结构和工艺过程可以看 出：加工整体式叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻的叶片之间空间较 小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉加工轨迹比较困难。因此在加工叶 轮的过程中不仅要保证叶片表面的加工轨迹能够满足几何准确性的要求，而且由于 叶片的厚度有所限制，所以还要在实际加工中注意轨迹规划以保持加

4、工的质量。随 着航空航天技术的发展，为了满足发动机高速、高推重的要求，在新型中小发动机 的设计中大量采用整体结构叶轮。选择数控加工仿真技术，适合加工种类多、需求 少、难加工的整体叶轮，减少整体叶轮加工的成本1。1.2 加工方法的选择数控机床与通用机床的区别在于数控机床是采用数控装置或电子计算机，全部 或部分地取代一般通用机床在加工零件时对机床的各种动作，如启动、加工顺序、 改变切削用量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等人工控制。通常，数 控机床加工零件所需的全部机械动作和控制功能都是预先按规定的字符或文字代码 的形式编制成加工程序，然后再用穿孔机或键盘等把程序上的信息以数字代码的形 式

5、记载在控制介质上，通过控制介质将数字信息送入数控装置或计算机，数控装置 或计算机对输入信息进行运算和处理，发出各种指令去控制机床的伺服系统或其他 执行元件的各种动作，从而使数控机床自动加工出所需要的零件。数控机床与其他自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装 夹工件和更换刀具外，只需更换相应的控制介质，而不需对机床作任何调整，就可 自动加工出新的工件。由此可见，数控机床与其他机床相比，在进行小批量、复杂零件生产时，具有 极其显著的优越性数控机床与普通机床的比较分析2，如表 1-1。表 1-1 数控机床与其他机床特性对比衡量指标通用机床专用机床（自动、仿形）数控机床劳动强度高较低低

6、工时多较多少生产周期长较长短加工精度低较咼高整体叶轮的加工一直是机械加工中长期困扰工程技术人员的难题。为了加工出 合格的叶轮，人们想出了很多的办法。由最初的铸造成型后修光，到后来的石蜡精 密铸造，还有电火花加工等方法。其中，也有的厂家利用三坐标仿形铣。但是这些 方法不是加工效率低下，就是精度或产品机械性能不佳，一直到数控加工技术应用 到叶轮的加工中，这些问题才得到了根本的解决3。叶轮加工的复杂性主要在于其叶片是复杂的曲面造型。而且能否精确地加工出 形状复杂的叶轮已成为衡量数控机床性能的一项重要标准。曲面根据形成原理可以 分为直纹曲面和非直纹曲面。直纹面又可分为可展直纹面和非可展直纹面，对于可

7、展直纹面，完全可以使用非数控机床进行加工。而对于非可展直纹面和自由曲面（非 直纹曲面）叶片的整体叶轮来说，则必须用四轴以上联动的数控机床才能准确地将其 加工出来4。由于数控机床具有四轴联动或五轴联动的功能，则利用它进行叶轮加工时，既 可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具 的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。早在七十年代初我 国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来 越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工 业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。目

8、前都 已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的 四、五轴联动数控机床5。1.3 数控加工的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。三坐标联动铳床是指X、 Y、Z三个方向联动，因此可以加工出

9、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，再加上铳刀或工件绕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6。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

10、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。整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。叶片曲面为光 顺性、连续性要求较高的自由曲面，其截面线是复杂的自由曲线，因此叶片实体造 型难度较大。目前，一般先创建截面线，再采用通过引截面线的方法进行叶片的曲 面造型。轮毂的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过旋转命令对截面 线串旋转，再创建轮毂回转体。可见，整体叶轮造型的关键是叶

11、片实体的造型。叶 片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复 杂7。1.4计算机辅助加工的过程正确的加工程序不仅应保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时应能使数控 机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床能安全、可靠、高效地工 作。数控加工程序的编制过程是一个比较复杂的工艺决策过程。一般来说，数控编 程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控程 序及程序检验，典型的数控编程过程如图所示。辅助数控加工流程7,如图 1-2。整个处理过程是在数控系统程序（又称系统软件或编译程序）的控制下进行的。数控系统程序包括前置处理程序和后置处理

12、程序两大模块。每个模块又由多个 子模块及子处理程序组成。计算机有了这套处理程序，才能识别、转换和处理全过 程，它是系统的核心部分。编程人员首先将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形 式输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息进行翻译，形成机内零件 拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀分配、工艺参数选择等）与刀具 运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每次走刀运动的坐标数据和工 艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；然后按照 NC 代码规范和指定 数控机床驱动控制系统的要求，将主信息处理后得到的刀位文件转换为 NC 代码，这 一过程称之为后置处

13、理。经过后置处理便能输出适应某一具体数控机床要求的零件 数控加工程序（即 NC 加工程序），该加工程序可以通过控制介质（如磁带、磁盘 等）或通讯接口送入机床的控制系统8。第 2 章 整体叶轮的三维实体造型2.1 造型方法的概述2.1.1 一般的造型方法曲面造型有三种应用类型：一是原创产品设计，由草图建立曲面模型；二是根 据二维图纸进行曲面造型，即所谓图纸造型；三是逆向工程，即点测绘造型。此次 介绍第二种类型的一般实现步骤。图纸造型过程可分为两个阶段9。第一阶段是造型分析，确定正确的造型思路和方法。包括：（1）在正确识图的基础上将产品分解成单个曲面或面组。（2）确定每个曲面的类型和生成方法，如直

14、纹面、拔模面或扫略面等；（3）确定各曲面之间的联接关系（如倒角、裁剪等）和联接次序。 第二阶段是造型的实现，包括：（1）根据图纸在 CAD/CAM 软件中画出必要的二维视图轮廓线，并将各视图变换 到空间的实际位置.（2）针对各曲面的类型，利用各视图中的轮廓线完成各曲面的造型；（3）根据曲面之间的联接关系完成倒角、裁剪等工作；（4）完成产品中结构部分（实体）的造型。显然，第一阶段是整个造型工作的核心，它决定了第二个阶段的操作方法。可 以说，在 CAD/CAM 软件上画第一条线之前，已经在其头脑中完成了整个产品的造 型，做到“胸有成竹 ”。第二阶段的工作只不过是第一阶段工 作的在某一类 CAD/C

15、AM 软件上的反映而已。在一般情况下，曲面造型只要遵守以上步骤，再结合 一些具体的实现技术和方法，不需要特别的技巧即可解决大多数产品的造型问题。 2.1.2 叶轮的造型方法整体叶轮的实体造型主要包括创建叶片实体和轮毂实体两部分。叶片曲面为光 顺性、连续性要求较高的自由曲面，其截面线是复杂的自由曲线，因此叶片实体造 型难度较大。目前，一般先创建截面线，再采用通过引截面线的方法进行叶片的曲 面造型。轮毂的创建较为简单，在草图方式下创建截面线串，通过拉伸命令对截面 线串拉伸，创建轮毂。也可用回转命令对轮毂进行建模。可见，整体叶轮造型的关键是叶片实体的造型。叶片的实体造型是整体叶轮造型工作的关键部分，其设计要求较高，曲面特征也较复杂。2.2轮毂的创建轮毂的创建较为简单，有两种方式可以选择，一种是直接进行三维建模，另一种是先创建草图再进行拉伸。此次采用第二种方法，在草图方式下先创建截面线串，再利用拉伸命令对截面线串旋转，创建轮毂回转体10如图2-1、2-2。图2-2轮毂2.3叶片的创建做出叶片草图曲线，并生成单个叶片，如图2-3、2-4。图2-3叶片平面投影图2-4叶片实体通过变换命令，生成其他叶片，如图2-5、2-6。图2-5旋转叶片图2-6旋转叶片俯视图24叶轮的生成将叶片与轮毂通过求和命令连接在一起12,如图2-7、2-8。图2-7叶轮实体图2-8叶轮实体俯视图制作