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这篇不知道合你不 雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术 摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。 关键词：数控编程 引言 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我 国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。 " 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、 大， 可编写一个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。 !"# 叶片加工工艺规划 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各 处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工，出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况 反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工 要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能 的提高加工效率。 !"$叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀 位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无 碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的 刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是 由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加工效率、 表面质量和切削工 艺性能来看，选择 沿叶片造型的参数 线作为铣削加工的 方向分多次粗铣和 一次精铣，然后划 分加工区域，定义 与机床有关的参数， 根据以上所选叶片 的加工部位、装夹 图, 混流式叶片的刀轨生成 定位方式、机床、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面 分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图, 所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑， 并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和 编辑刀轨。 !"#叶片五轴联动数控加工仿真 数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径 与材料切除过程来检验并优化加工程序。在计算机上 仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀 具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或 试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周 期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工 过程的安全。加工零件的"!代码在投入实际的加工之 前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑 曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五 轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进行工艺系 统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺 寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维!,-软件建 立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换 成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软 件中新建用户文件，设置所用!"!系统，并建立机床运 动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确 定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到 加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削 过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就 可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀 杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具 间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了 试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率， 缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率。如 在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会 效益。叶片的切削仿真如图.所示，叶片的机床加工仿 真如图/所示。 图. 混流式叶片的切削仿真图/ 混流式叶片的机床加工仿真 !"$叶片刀位轨迹的后置处理 后置处理是数控编程的一个重要内容，它将我们前 面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理 最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首 先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床 配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码 的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根 据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将 我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的 "!代码。 % 结束语 复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域 知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介 绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程 实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五 轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后 续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴 联动数控加工的编程工具用于实际生产中。

一、 设计课题分析 1. 产品功能分析 织机导板是横机中重要的零部件，在横机中起到走针线路的作用。 2．零件的加工面 零件的加工面有：外圆、2*￠8孔、内外轮廓、键槽 3．零件分析 确定加工表面的可加工方案：该零件下方属于回转类零件，其外圆的加工具有一定的局限性，特别适合以车削加工来完成，其他的方法有精车、磨削、或以车代磨等等，这主要以零件外形及加工要求来决定以何种方法来完成加工，前提是在保证质量的同时，以最快的效率，最低的成本来完成工件的加工。对于一些孔的加工无法以车磨加工，可以以另外的加工方法来完成，例如，钻削，铣削，铰削等等。一般以孔轴线的位置来确定，与外圆轴线重合的，可在铣床上加工。加工特殊表面，主要是零件的内外轮廓加工，主要以铣削完成，也可以用加工中心完成，其余适情况所定采用车、铣、磨等加工。 零件结构工艺性：零件形状小，加工困难，其加工工艺不能一味的以普通的加工来确定工艺。由于该零件的轮廓下表面存在带槽的台阶圆柱，不易进行一次性加工，所以先加工轮廓下表面（两个圆柱）再对上表面轮廓进行铣削。（零件技术要求分析：1.零件精度要求：从零件图纸上看，工件的尺寸要求并不大，表面粗糙度也不高，但工件使用有一定的要求，故在加工时应相应提高一点。φ的圆与走针表面有垂直度要求，而且在该表面上钻两个φ8的通孔，在加工时有一点困难。2.零件的热处理要求：加工完毕后进行真空淬火处理其硬度为HRC62-64，还需要振动研磨，可以看出对零件的工作环境要求较高，工件要求强度好）。 4．从生产条件分析看，生产设备、生产批量等。该零件加工工艺采用普通车床和数控铣床或加工中心及工序分散形式的生产方式进行。在本次毕业设计要求我们以我院现有的数控机床为可选择的加工设备，按大批量生产方式。生产纲领为：400个/批，生产周期为两周（包括热处理）。数控加工与普通加工相比具有的优点是：工序高度集中，可减少很多复杂的工装夹具，可减少工件的装夹次数，提高劳动生产率，降低工件在装夹中的累积误差。 5．设计任务分析 第一周：针对课题，收集资料，了解织机导板零件功能及工作场合，熟悉产品图纸及相关技术要求并完成开题报告； 第二周：进行织机导板零件数控加工工艺设计，并填写数控工艺卡片； 第三周：编制织机导板零件数控加工程序； 第四周：用仿真软件调试数控加工程序，并学习CAPP相关知识； 第五周：编制导板类零件计算机辅助工艺设计（CAPP）构架； 第六周：设计织机导板零件数控加工夹具，绘制并完成夹具装配图； 第七周：绘制夹具零件图，整理设计说明书； 第八周：毕业设计答辩。 二．工艺规程设计说明 1.制订工艺规程的步骤： （1）熟悉和分析制订工艺规程的主要依据，进行零件的结构工艺性分析，确定零件制造的关键技术问题。 （2）确定毛坯，包括选择毛坯类型及其制造方法，绘制，毛坯图。计算总余量、毛坯尺寸和材料利用率等。 （3）拟订工艺路线。 （4）确定各工序的加工余量，计算工序尺寸及其公差，绘制工序图。 （5）选择切削用量和计算时间的定额。 （6）确定各主要工序的技术要求及检验方法。 （7）进行技术经济分析，选择最佳方案。 （8）编制工艺文件 1．毛坯的确定和材料分析 由图纸尺寸可定为毛坯尺寸为外圆直径为110mm，长度为65mm。材料主要为Cr12MOV，由于该零件用于切削加工，故应选用结构钢来用作该零件材料的选择范围。材料的选择主要考虑以下几个方面：硬度HRC38；零件属于机加工。 （1）硬度HRC38：硬度要求靠热处理来保证，具体安排在工艺的哪个位置，应该在工艺加以说明，原则是既要切削性能好，又要工艺合理，且要工艺成本降倒最低。 （2）硬度要求主要根据热处理来保证。 （3）该零件材料：属于难加工材料。 （4）切削能力要好：切削性能的好坏是零件加工中非常重要的，关系到切削用量的选择，热处理的选择。对零件最后的质量有着至关重要的作用。 综合以上说法，零件的材料，直接决定工件的热处理成本，而且工件的机械性能也跟热处理用直接的关系， 硬度，强度塑性，韧性，都是决定工件获得良好的切削加工性能因素，最好选择易加工材料如45钢等。但由于该零件的特殊原因，可能导致其热处理后性能会有弹性变形的存在。因此在切削加工之前就有良好切削能力，而不是在预先热处理之后切削性能，可以减少零件加工完毕后产生较大的变形。 本文来自: 免费毕业设计资料网( ) 详细出处参考： 希望采纳

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