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1、毕 业 论 文（设计） 题 目 基于PRO/E的曲面叶片设计与数控加工 指导老师 黄时炜 专业班级 数控技术121 姓 名 蔡伊能 学 号 20127080133 2015年5月26日浙江经贸职业技术学院毕业论文（设计）摘要：本文主要分析了曲面零件的加工，从普通车床的曲面零件的加工分析、数控车床的曲面零件分析及对于典型曲面零件飞机机翼的Pro/E建模制和数控仿真的运用。首先介绍了曲面零件的加工发展和加工中最常用的逆向工程的介绍。通过对普通机床的研究改造说明普通机床上的曲面加工的方法及可行性。之后介绍曲面零件在数控机床中加工，阐述数控加工的特点及数控机床的认识。最后通过Pro/E的三维建模和曲面
2、造型等方法设计飞机机翼外形，使得飞机机翼外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G代码，再经过后续处理模拟机床加工。关键词：汽轮叶片，多轴数控加工，Pro/E三维建模目 录引言11 PRO/E软件在行业应用中的概述11.1Pro/ENGINEER NC 加工操作流程21.1.1创建制造模型21.1.2设置加工操作环境21.1.3定义NC序列31.1.4生成刀具路径数据文件31.1.5刀具路径检测31.1.6后置处理31.2曲面造型方法的发展31.3机械零件加工工艺在制造生产过程中的应用42汽轮叶片曲面造型52.1汽轮叶片的概述52.2汽轮机叶片的型面5
3、3汽轮叶片加工夹具的设计造型63.1机床夹具概述63.2机床夹具的分类63.2.1通用夹具63.2.2专用夹具63.2.3可调夹具63.2.4组合夹具63.3夹具的作用74汽轮叶片的工艺过程分析74.1叶片粗加工74.2精加工85结论9参考文献10II引言目前在国内曲面零件的设计加工还是比较少的，但也是正在迅速发展的方面。本次设计选取曲面零件加工工艺的课题，借此机会会了解一些关于曲面加工的知识，同时也在这次设计中加深对Pro/E软件的三维建模模块和NC数控加工模块的掌握课题研究的内容曲面零件的加工艺设计，主要分析了曲面零件的加工，首先介绍了曲面零件的加工发展和加工中最常用逆向工程的介绍。通过对
4、普通机床的研究改造说明普通机床上的曲面加工的方法及可行性。之后介绍曲面零件在数控机床中加工阐述数控加工的特点及数控机床的认识。最后通过Pro/E的三维建模和曲面造型等方法设计飞机机翼外形，使得飞机机翼外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G代码，再经过后续处理模拟机床加工，实现在虚拟的环境中进行飞机机翼模型的设计和加工。本文对于曲面加工有了一个较为全面的总结和介绍。其中对于数控加工中的pro/e建模造型机后续处理的数控仿真技术都有了详细的介绍，对于pro/e软件初学者来说也是一个相对比较详细的教程，简单易学。 1 PRO/E软件在行业应用中的概述Pr
5、o/E（Pro/ENGINEER操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。Pro/ENGINEER软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/ENGINEER作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在我国国内产品设计领域中占据重要位置。其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程。其中还包含了大量的电缆及管道布线
6、、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空航天、汽车、机械、数控（NC）加工以及电子等诸多领域。PTC公司提出了等单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，开发出来等第三代机CAD/CAE/CAM产品Pro/ENGINEER软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有用户能够同时进行同一产品等设计制造工作，实现等并行工程。在PROEWILDFIRE 4.0中文版中集成的NC设计与制造模块，为用户进行数控加工操作提供了一个完善的设计平台，人们可以方便的在该模块中模拟各种诸如铣削、钻削、车削、线切割等数控加工工艺，从而大大的加快了设计与加工的速度、降低了生产成本并提高了产品质量。PRO/ENGI
7、NEER采用技术指标化设计、基于特征等来实现模型化系统，工程设计人员采用具有智能特征等基于特征等功能区生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，工程设计人员可以随意勾画草图，轻易改变模型。PRO/ENGINEER系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员等设计思想与习惯，整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。由于具有强大而完美的功能，PRO/ENGINEER几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。它在国外大学院校里已经成为学习工程类专业必修的课程，也成为工程技术人员必备的技术。随着我国加入WTO，一场新的工业设计领域的技术革命业已兴起，作为提高生产率和竞争力的有效手段，PRO/ENG
8、INEER也正在国内形成一个广泛应用的热潮。1.1Pro/ENGINEER NC 加工操作流程利用Pro/NC加工模块来实现产品数控加工的基本过程与实际加工过程基本上相似。首先，利用计算机辅助设计将零件的几何图形绘制到计算机中形成零件的图形文件，然后调用Pro/NC加工模块进行刀具路径处理，由计算机自动对零件加工轨迹进行计算和数学处理，从而生成刀位数据文件，然后经过相应的后置处理自动生成数控加工代码，并在计算机上动态模拟刀具的加工轨迹。1.1.1创建制造模型在进行Pro/NC加工时，必须先设定制造模型，然后在此基础上设定加工参数，并生成正确的刀具路径。一个完整的制造模型一般包含参照模型和工件模
9、型两部分。其中参照模型是必须的，但工件模型是可选的。1.1.2设置加工操作环境Pro/NC加工模块可以对实际的加工操作环境进行模拟。在模拟之前，必须先设置相应的参数，如工艺操作名称、加工机床、刀具、夹具、加工坐标系、加工安全退刀曲面等，这些参数称之为加工环境参数。1.1.3定义NC序列Pro/NC加工模块提供了十多种加工方法，为相应这些不同的加工方法，在Pro/NC加工模块中可通过NC序列对刀具路径进行设置。加工过程中的主要参数都是在NC序列中进行设置的。1.1.4生成刀具路径数据文件刀具路径也称刀具轨迹，由多个刀位点连接组成。当加工操作环境、NC序列设置完成后，接下来的操作就是利用这些设置产
10、生刀位数据文件。系统产生的刀位数据文件经过后置处理后，会成为能驱动数控机床运动的数控程序。1.1.5刀具路径检测对产生的刀具路径，可通过“屏幕显示”功能，对刀具路径进行播放，或通过“过切检测”功能，对刀具路径进行检测，如果检测有误，可对加工操作环境、NC序列进行编辑修改，直到刀具路径完全合理。1.1.6后置处理在建立起加工模型并设置好各项加工参数后，系统先生成的是刀位（CL）数据文件。这是一种ASCII格式的数据文件，但这种文件不能直接驱动数控机床进行加工。所以要对数据文件进行后置处理，将其转化成指定数控机床能够执行的数控程序。1.2曲面造型方法的发展在复杂零件中，自由型曲线曲面因不能由画法几
11、何与机械制图方法清楚表达，成为工程师们首先要解决的问题。如何表达自由型曲线曲面，人们进行了不断的研究。曲线。曲面的表示经历了Ferguson(Hermit)双三次曲面片，Coons双三次曲面片，Bezier方法，B样条方法，发展到目前广泛流行的NURBS方法。1963年，美国波音(Boeing)飞机公司的弗格森(Ferguson)提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双三次曲面片，也称作Hermit双三次曲面片。Hermit曲面片构造曲面模型时，所形成的曲表面经过所有的型值点。该曲面片更适合构造那些外形完全是
12、曲面结构的模型，而对于那些同时含有平面和曲面结构的几何模型，该方法具有自身不可克服的局限性，对于既含直线又含曲线结构的自由曲线，直线段与曲线段交接处容易出现多余拐点，以致影响曲线的平滑程度。1964，美国麻省理工学院的孔斯 (Coons)发表了一个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可以定义一块曲面片。并于1967年进一步推广了他的这一思想，形成了Coons曲面。Coons曲面过全部的控制点。目前在CAGD实践中广泛应用的只是它的特殊形式孔斯双三次曲面片。它与弗格森双三次曲面片都存在着形状控制与连接问题，区别是孔斯双三次曲面片将角点扭矢由零矢量改取为非零矢量。舍恩(Schoe
13、nberg)提出的样条函数解决了连接问题，但是不存在局部形状调整的自由度，样条曲线和曲面的形状仍然是难以预测的。曲线的起点和终点与控制多边形的起点和终点重合，且多边形的第一条边和最后一条边表示了曲线在起点和终点处的切矢量方向。曲线的形状趋于特征多边形的形状。可以通过控制多边形的控制点来更改曲面的形状，可用型值点来确定曲线的形状。根据各个型值点的位置就可预测曲线的大致形状。但是贝塞尔方法仍然存在连接问题及局部修改问题。特征多边形顶点个数决定该曲线的阶次，并且当n较大时，特征多边形对曲线的控制将会减弱；该曲线不能做局部修改，即改变某一个控制点的位置对整条曲线都有影响。此法被美国通用汽车公司的戈登和
14、里森费尔德(Riesenfeld)所利用，并于两年后将B样条理论应用于形状描述，提出了B样条曲线曲面。B样条曲线曲面几乎继承了贝塞尔方法的一切优点，克服了其在的缺点。较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题。结合了Coons曲面和Bezier曲面的重要特性，但该曲线并不通过型值点，曲线只是在形状上逼近由型值点依序连接成的控制多边形。通过改变型值点可以调整曲线的形状。对于k次B样条曲线在修改时只被相邻的k+1个顶点所控制，而与其他顶点无关。当移动一个顶点时，只对其中一段曲线有影响，并不对整条曲线产生影响。可以用B样条线构造直线段、尖点、切线等特殊情况。缺点是圆柱、
15、球体、圆锥等基本曲面不能确的表现来，仅能近似表现。1.3机械零件加工工艺在制造生产过程中的应用由于零件的要求和生产条件等不同，其制造工艺方案也不相同。相同的零件采用不同的工艺方案生产时，其生产效率、经济效益也是不相同的。在确保零件质量的前提下，拟定具有良好的综合技术经济效益、合理可行的工艺方案的过程称为零件的工艺过程设计。由设计图纸变为产品，要经过一系列的制造过程。通常将原材料或半成品转变成为产品所经过的全部过程称作生产过程。生产过程通常包括： (1)技术准备过程包括产品投产前的市场调查、预测、新产品鉴定、工艺设计、标准化审查等。(2) 或工艺过程指直接改变原材料半成品的尺寸、形状、表面的相互
16、位置、表面粗糙度或性能，使之成为成品的过程。例如液态成形、塑变成形、焊接、粉末成形、切削加工、热处理、表面处理、装配等，都属于工艺过程。将合理的工艺过程编写成用以指导生产的技术文件，这份技术文件称作工艺规程。(3)辅助生产过程指为了保证基本生产过程的正常进行所必须的辅助生产活动。工艺过程的组成零件的切削加工工艺过程由许多工序组合而成，每个工序又由工位、工步、走刀和安装组成。2汽轮叶片曲面造型2.1汽轮叶片的概述汽轮机叶片是一种典型的具有复杂曲面的零件，它作为汽轮机的“心脏”部分，直接将蒸汽的热能转化为转子机械能。叶片一般都处在高温、高压、高转速和腐蚀介质下工作，不仅需要有较高的强度，而且要具有
17、较高的抗腐蚀、抗疲劳、抗冲击的能力。随着材料科学、设计技术、加工设备的变化和进步，其型面形状日趋复杂，其加工工艺也不断地发生变化并日臻完善，加工要求严格，加工工作量很大。2.2汽轮机叶片的型面汽轮机叶片的型面已经从等截面直叶片向变截面扭叶片发展，加工工艺也随之变得愈加复杂，片型面的造型及加工直接影响到汽轮机的工作性能。目前，轮机叶片一般均采用五坐标联动数控机床来加工完成。因此，加工之前的数控编程是保证叶片加工精度和表面质量的关键。有的研究一般都是基于CAD叶片进行造型，或者只对叶片的造型和加工进行了综述，没有具体地把造型设计和数控编程很好地结合起来。本文针对汽轮机叶片型面的复杂性，利用样条曲线
18、对其进行了精确的三维造型，并制定了完善的加工方案；对其进行刀具轨迹仿真，生成了NC代码。3汽轮叶片加工夹具的设计造型3.1机床夹具概述机床夹具是机床上装夹工件和引导刀具的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧机床夹具被广泛应用于机械制造业中。大量专用机床夹具的采用为大批大量生产提供了必要的条件。机床夹具是组成工艺系统的一个环节，是影响加工质量的重要因素。一般情况下，使用机床夹具能稳定地保证产品质量，而不必过高的要求工人的技术等级。3.2机床夹具的分类3.2.1通用夹具通用夹具是指结构、尺寸已标准化，且具有一定通用性的夹具。如三爪自动定心卡盘、四
19、爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。特点是适应范围大，已成为机床附件。但生产率较低，适用单件小批量生产中。 3.2.2专用夹具专用夹具是指针对某一工件某一工序的加工要求专门设计和制造的夹具。其特点是针对性极强，没有通用性。常用于批量较大的生产中，可获得较高的生产率和加工精度。但设计制造周期长。专用夹具的特点有：工件在夹具中定位迅速；工件通过预先在机床上调整好位置的夹具，相对机床占有正确位置，工件通过对刀、导引装置，相对刀具占有正确位置；对加工成批工件效率尤为显著。3.2.3可调夹具可调夹具是指针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。对不同类型和尺寸的工件，只
20、需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件即可使用。3.2.4组合夹具组合夹具是指一种模块化的专用夹具。标准的模块元件有较高的精度和耐磨性，可组装成各种夹具；夹具用完毕后可进行拆卸，留待组装新的夹具。用在单件，中、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具。组合夹具也已商品化。3.3夹具的作用(1)保证加工精度，降低人工等级零件的加工精度，包括尺寸精度，几何形状精度和表面相互位置精度三种。实用夹具的最大功用，是保证零件上加工表面的位置精度。(2)提高劳动生产率和降低加工成本。使用夹具后，免除了每件都要找正、对刀等时间，加速工件的装卸，从而大大减少了有关工件安装的辅助时间。特别对那些机动
21、时间较短而辅助时间长的中小件加工意义更大。此外，用夹具安装还容易实现多件加工、多工位加工、可进一步缩短辅助时间，提高劳动生产率。(3)扩大机床工艺范围利用机床夹具，能扩大机床的加工范围。4汽轮叶片的工艺过程分析经研究确定工艺过程如下：来料； 铣削基准平面； 铣削基准侧平面； 铣削另一侧面及修第一侧面；铣削另一平面及修第一平面； 铣削两端面； 背弧处汽道侧倒角； 铣削顶针孔； 粗精铣削汽道型线及冠部型线； 抛光汽道型线及修冠部型线； 线切割冠部两端；钳工锉削； 磁粉探伤； 清洁、包装、入库。4.1叶片粗加工小带冠导叶片粗加工主要用到 PRO/E 的体积块铣削方式，该加工方式对毛坯造型要求比较高，
22、根据经验将工艺中所标注毛坯尺寸再放大 2MM，以免在加工时刀具从毛坯上下刀，造成刀具和机床的损伤粗加工时给精加工留 0.51MM 加工余量。加工仿真结果如图4.1所示。 图4.1叶片粗加工仿真图4.2精加工小带冠导叶片精加工主要有 3个部位： (1) 汽道型线精加工主要采用 POR/E四轴曲面铣削方式加工汽道型线时，工艺要求波峰和波谷值不大于 0.03MM，根据实际将刀具跨度设定为23MM 即达到工艺要求； (3) 冠部精加工采用 PRO/E 四轴曲面铣削方式，冠部不需抛光或局部抛光，故精加工冠型线时将刀具跨度值设定为 0.51MM 即达到工艺要求； (4) 根部精加工是小带冠导叶片制造过程中
23、的难点，根部加工质量的好坏直接关系到装配状态的优劣，为防止装配时出现小冠沉入围带或冒出围带的情况，在工艺装备设计和选用时应综合考虑，进行程序设计时，应考虑根部和汽道型线相连接面是圆柱面，冠部和汽道型线结合面是圆面，圆柱和圆锥面都比较小。四轴立式加工中心，理论上不能进行铣削加工，但在PRO/E刀具范围选项中，将该选项选上后，软件会自动计算刀具轨迹，可以把圆柱面和圆锥面铣削出来，且误差可控制在 0.2MM 范围内在后续的抛光工序中作细微修整即可达到非常好的工艺效果。在精加工后的仿真结果如图4.2所示。 图4.2叶片精加工仿真结果图5结论(1) 对多坐标数控加工叶片特点进行分析，结合四坐标数控机床得
24、到叶片走刀轨迹和加工效果图。(2) 粗加工时，通过对切削模型分析，得到叶片粗加工走刀轨迹，以减少刀具变形导致的叶片的过切，从而达到优化刀具切削状态及加工状况的目的。(3) 精加工时，在分析结构的基础上，得到了叶片汽道型线、冠部和根部刀具切削运动轨迹和编程加工所需的切削参数。参考文献 1彭芳瑜，邹孝明，丁继东等面向特征的整体叶轮五轴数控加工J中国制造业自动化，2007，23(1)：51-532陈宏钩实用机械加工工艺手册M北京：科学出版社，2005：27-293周凡贞，周岳琨，化广宇汽轮机调节级喷嘴叶栅的试验研究J汽轮机技术，2010，13(1)：151-1534刘战强，黄传真，郭培全先进切削加工技术及应用M北京：机械工业出版社，2014：27-295李志梅铣削加工中心对刀方式分析及案例探讨J沙洲职业工学院学报，2012，3(2)：41-43第10页