基于UG逆向工程对涡轮的计算机加工

HEATS

   为提高涡轮曲面数控加工的工件减型质量，基于UG/CAD/CAM软件集成环境，对逆向工程中重构出的涡轮曲面CAD模型进行数控加工编程的方法和原则进乎了讨论，提出对涡轮的数控编程加工方法并在粗加工与精加工中获得较高的成型质量和加工效率。

    在机械制造业中，对自由曲面的数控加工越来越多.常采用逆向工程技术，即对存在的复杂实物模型或零件进行高精度的数字化测量，对重掏出的CAD模型进行计算机辅助分析(CAE)，通过CAM系统加工出产品，再对加工出的产品进行撞验、修改和创新，若不满意则可以重新进行再设计、再加工和检验，直到满意的过程。气数控加工编程是复杂曲面数控加工中的一个重要环节，数控加工编程中切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系等方面的因素都将影响着切削加工效率、成型质量和加工粗糙度，也关系着逆向工程的整体性能文中在Cimatron软件CAD/CAM集成环境基础上，对逆向工程中重构出的复杂曲面CAD模型进行数控加工编程，通过对确定数拉加工参数原则的讨论，给出了一种加工效率高、成型质量好的数控加工方法。

    1 复杂曲面数控加工工艺分析

    1.1数控加工曲面的方法

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    随着数控机床的出现，特别是加工中心的出现，自由曲面的加工过程可通过数控编程来实现。复杂型商一般采用球头镜刀数控镜削，程序给出的加工轨迹也是刀头球心的运动轨迹间。数控机床对自由曲面的连续镜削加工，有行切法、环切法、层切法、等深法等几种加工方法闸，笔者主要采用行切法和层切法两种，行切法具有编程简单和切削效率高的优点，但由于刀具在行切平面内运动，且曲面的曲率不同和定位等原因，会导致行间的残留高度相差较大，因此常用于粗加工。层切法加工是在等高面上切除加工余量，其实质是-种二铀半的分层处理加工方法.在层切法加工过程中，走刀轨迹被限制在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空刀现象大大减少，切削效率高。因此，层切法是一种高效的植加工方法。

    1.2曲面数徨加工参数选用的原则

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    数控机床对自由曲面的镜削加工中，切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系等方面的因素都将影响着切削加工效率、成型质量和加工粗糙度。特定以下原则：

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    (1)合理选择切削用量的原则：粗加工时，-般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本3半精加工和精加工时，在保证加工质量的前握下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。用三坐标数控机床镜削曲面时，在机床和刀具允许的范围内，主轴转速尽量选寓些，以提高加工效率。

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    (2)加工步长确定的原则：加工形状复杂的曲面时采用残留刀痕高度法来确定加工步长@残留高度是指沿加工表团的法向矢量方向，两相邻切削行之间的波峰与波谷的高度差，如图1所示，以球头镜刀加工凸曲面来讨论它们之间的关系。图1中，AB=2a(刀具中心间的距离)，PE=h(残留刀痕高度)，p为曲率半径，0为曲率中心，r为刀具半径。当曲线弧CD的弧长很小时，可以把其近似认为是以P为半径的一段圆弧，因此，可得残留刀痕高度h和加工步伏的关系如式 (1)所示。

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  (1)

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图1 残留刀痕高度法控制加工步长

    这样可以通过残留刀痕高度h的值，来控制加工步长，以此来确保工件的加工精度。

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    (3)确定加工余量的基本原则：在保证复杂型面加工完整的前提下尽量减少加工余量。

    (4)走刀方式与切削方向选择原则：根据被加工零件表面的几何形状，在保证加工精度的前提下，使切削加工时间尽可能短，且在切削加工过程中，刀具受力平稳。在三维曲面区域加工的刀具运动就迹生成技术中，可采用如下三种走刀方式：往复型走刀方式、单方向走刀方式、环切走刀方式。

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    (5)进刀方式与退刀方式的选择方法：加工精度要求按高的曲面，为不在工件的进刀或退刀处留下驻刀痕迹，应选择沿曲面的切矢方向或沿圆弧方向的进刀、退刀方式。

    (6)编程零点的选择原则：应使编程零点与工件的尺寸基准重合；应使编制数控程序时的运算最为简单.避免出现尺寸链计算误差：引起的加工误差最小；编程零点应选在容易找正，在加工过程中便于测量的位置。

    2 基于UG的涡流曲面数控加工

    曲面的数控加工是逆向工程的重要步骤之一，只有通过编程加工出按"点云"数据重掬的自由曲面，逆向工程才在实际价值。下面研究涡轮阎丽的数控加工方法。

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    2.1定义加工坐标系

    为了使编程人员系统而又方便地管理产品的整个数控加工过程，在编程前首先需定义一个加工坐标系。在逆向工程中加工某一复杂曲面时，由于幽面的具体尺寸无法得到，因此建议采用系统自动生成的新坐标系，并把编程零点设在此加工坐标系的原点。

    2.2建立刀具资料库和选择加工类别

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    建立刀具资料库是根据本单位数控机床刀具库的刀具以及加工曲面所要选用的刀具种类，建立一个刀具库，把刀具的有关参数，如切削刃长度、切削角以及刀杆长度输入刀具库中。文中加工用的φ8mm球镜刀。由于UG软件能够进行二至五铀的镜削加工、数控车和线切割等数控加工的编程，所以编程前要选择加工类别，这里在粗加工中选择三轴的镜削加工，在精细工中选择五袖的镜削加工以提高效率。

    2.3编程毛坯的建立

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    实际加工毛坯的尺寸是依据编程毛坯的大小来确定的。要编程加工出涡轮外表幽面，必须先建立涡轮的编程毛坯。由于是空间阳面.不仅其麦丽尺寸难以确定，而且在加工坐标系中的位置也不好确定，所以需要解决确定所需编程毛坯的大小及其所在的位置。为此，先按曲面大小，用软件建立编程毛坯的方法自动建立一个加工出曲面所需的最小加工毛坯，查看其尺寸及在加工坐标系中的位置，然后建立编程毛坯。建立的编程毛坯如图2所示。

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图2 涡轮毛胚图

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    2.4粗加工编程

    数控加工分为粗加工和精加工。在加工复杂曲面时，约70%的余量在粗加工时切除.因而大量的加工工时被消耗于粗细工过程。为此要选用一种合理的、高效的租加工方法进行编程加工。由于涡轮的外表面的麦丽幽率半径某些地方比较小，而且幽率变化也大，为了能够用一把刀加工出其表面且满足精度要求，球锐刀直径选择小些，其值为8；进刀和退刀方式也选用切矢方向切人和离开，以利于提高表面的加工质量；切削用量为：主轴转速是4000r/min，每层加工步长为 lmm，层内加工步长也是1mm，粗加工的余量是1.6mm，表面粗糙度是0.05mm。图3为涡轮模拟租加工后的效果图。

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图3 涡轮外褒面的粗加工模拟圈

    2.5精加工编程

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    数控精加工必须满足图纸要求的精度，所以精加工编程的原则是在保证加工精度的前提下尽可能提高加工效率。而编程时的加工方法选择和加工参数的设定则应根据所加工曲面的具体几何拓扑关系来确定。

    涡轮的外表面比较复杂，有凹有凸，表面曲率大小不一。从租加工模拟图看，层间加工步长是lmm，层内行切削的步长也是lmm时，加工效果不是很好。所以为了提高加工精度，主刀方式由往复式改为单向走刀式，虽然加工时间妖一些，但加工精度较高，这符合精加工编程精度优先的原则。切削参数为：主轴转速 5000r/min，刀具直径为φ6mm、进退刀方式和粗加工样，表面粗糙度0.01mm，行切削的行间加工步长则根据前述的残留刀痕高度法来确定。将各相关参数选定，加工步长设定为0.01mm。图4是按上述方式和参数进行编程的涡轮的外表面精加工模拟图，可见用残留刀痕高度法来控制加工步候，可以获得较高的表面加工质量。

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图4 涡轮外表面的精加工模拟图

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    2.6数控加工辐序的后处理

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    要使编制的程序在数控机床上实现.还得把在UG里编制好的的刀具轨迹文件转换为数控机床能够识别的NC代码文件。通过UG/CAM的加工管理环境把对应的涡轮的外表面的刀具轨迹文件，经后处理求解器转换为NC代码文件。在数控机床工作台上完成工件毛坯的安装、词试后，将生成的NC代码文件通过讨算机输人到数控机床控制系统，就能在工件毛坯上上复制出通过逆向工程反求出的涡轮的外表面的复杂型面。

    3 结论

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    在几何模型自由曲面的逆向工程中.需要对零件复杂曲面进行数控加工编程，是逆向工程的重要环节之一，只有选择舍理的加工方法、切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式等工艺参数才可以以较高的切削加工效率，好的成型质量和最佳的加工粗糙度的曲面。根据所加工曲面的具体几何拓扑关系，在UG的 CAD/CAM集成环境下，选择合适的刀具加工路径的规划进行租、精加工，这是一种既可提高加工效率，又可获得较好的表面加工质量的途径。

【MechNet】