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马达风叶五轴联动加工工艺的探讨

发布日期:2012-09-06 12:29:38 关注次数 [ 0 ] 发表评论 [ 0 ]
[导读]本文以马达风叶为研究对象,介绍了采用UGNX8五轴联动编程系统完成马达风叶的CAD建模、CAM编程并应用五轴联动数控机床进行加工方法,得出复杂产品的造型和数控加工的相关工艺结论。

程智勇

广州铁路职业技术学院,广东广州510430

关键词:马达风叶;五轴联动机床;加工工艺
中图分类号:TG506         文献标识码:B   

 
The Discussion of Motor Blades Processing of Five-axis CNC machining
CHENG Zhiyong
Guangzhou Institute of Railway Technology
Abstract: Using UGNX8 five-axis programming system to complete the CAD modeling and CAM programming of the motor blades and application of five-axis CNC machine tools is Introduced in this paper, and Obtained conclusion of the related process of modeling and CNC machining of complex products. 
Key words: Motor Blades; 5-axes NC machine; machining process

 

0.引言
       目前,五轴联动数控加工技术的应用面临着很多困难,而且五轴联动本身编程抽象、烦琐,操作也比较复杂,五轴联动加工工艺欠缺经验可循,要实现通用的多坐标编程难度较大,因此,需要专业人员进行大量实践积累加工工艺经验。本研究应用UGNX8五轴编程系统完成马达风叶的建模、多轴编程,五轴联动数控加工工艺设计、最终实现五轴联动加工,并对复杂产品的造型和数控加工工艺进行探讨。
 
1、马达风叶加工工艺分析
       船用的马达风叶(如图5 ),用三轴数控机床加工时,由于其刀具相对于工件的位姿角不能变,加工马达风叶时,就会产生干涉或欠加工,必须要多台机床、多次定位装夹才能完成其加工。这样不仅设备占地面积大,生产加工周期长,而且加工质量、精度还难以保证。而用五轴联动的数控机床加工,因刀具相对于工件的位姿角在加工过程中可随时调整,可以避免工件、刀具的干涉,并能―次装夹完成全部加工。
        采用五轴联动的数控机床加工,由于工件和刀具的位姿角随时可调,既可以避免三轴机床加工复杂曲面时球头铣刀是以点接触成形,且存在可能出现切削点落在球头刀顶上,线速度趋于零,切削效率低的情况,又可以利用刀具的最佳切削点来进行切削,甚至还可以通过进一步优化刀具和工件的位姿角来进行铣削,从而获得更高的切削速度、更长的切削线宽,从而获得更高的切削效率和更好的加工表面质量[1]。三轴联动曲面加工与五轴联动曲面加工刀具形态示意图如图1。      
a)三轴联动曲面加工      b) 五轴联动曲面加工
图1曲面加工刀具形态示意图
 
2.马达风叶的加工过程
      马达风叶的加工一般需经过粗、半精、精加工三个过程。本文利用UGNX8的软件,通过对风叶结构的分析制定出加工工步。
2.1 马达风叶的UGNX8建模
       1、通过单击“曲线”工具条的“样条曲线”按钮或菜单“插入”~“曲线”~“样条曲线”,单击“通过点”~“通过点生成样条”~“点构造器”按钮,在绘图区内选择根据给定的数据截面线上的点,单击“确定”按钮,接受默认设置,得到曲线A和曲线B(见图2)两条自由曲线,构建截面线。
  图2 曲线A和B          图3  曲面                       
 
      2、将上述两曲线 “通过曲线网格”命令构建得到风叶曲面,根据图纸给定的尺寸,用“缝合”命令构建成风叶(见图3);单击“曲线”工具条的“圆弧或圆”命令,得出流道截面线,通过拉伸生成流道面(见图4)用倒圆角命令最后在风叶曲面和流道曲面倒圆角R2;用“变换”~“绕点旋转”~“复制”命令得到另外两片马达风叶,构建曲面。(见图5)
 
   图4  流道          图5 整体马达风叶
 
2.2 马达风叶的多轴编程
    为了提高马达风叶的加工效率和质量,在整体马达风叶进行五轴高速铣削加工编程中,要解决好其粗精加工铣削方式和刀具轨迹策略、粗精加工工序余量、切削工艺参数加工步距、加工深度、主轴转速、机床进给速率的选择等问题。[2]
 
2.2.1马达风叶数控加工整体工艺流程规划
根据马达风叶的几何结构特征和使用要求,加工工艺流程定为:粗加工铣削流道;半精加工流道;风叶精加工;.精加工流道;清根加工。
 
2.2.2马达风叶加工工艺流程
         1、风叶流道粗加工(见图6) 在UGNX8的“创建操作”加工界面中,选择 “mill-contour”加工类型,再选择 “CAVITY-MILL” 子类型型腔铣削加工。这是粗加工三轴联动的模式,选用直径为16mm的平底刀加工,采用“轮廓切削”切削方式,步距为1.5mm的背吃刀量;选用刀具步距为刀具直径的65%,底面与部件侧面留余量0.3mm。
 
图6  粗加工
   图7  流道半精加工
 
      2、风叶流道曲面半精加工(见图7) 在“创建操作”加工界面中,选择 “mill-multi-zxis” axe多轴铣削加工操作类型,选择变轴铣削子类型“VARIABLE-CONTOUR”, 这是五轴联动的加工操作。选择单个流道曲面的几何体,驱动方式为“曲面区域”,选择“垂直与驱动”刀轴,选用R3mm半径的球刀加工,采用多重深度切削,选择增量式步进方式,增量值为0.2mm,部件留余量为0.1mm。其余两个流道曲面用刀路变换命令加工。
 
      3、风叶曲面精加工(见图8) 在“创建操作”加工界面中,选择多轴铣削加工操作类型为“mill-multi-zxis”,选择子类型为“VARIABLE-CONTOUR”变轴铣加工操作,驱动方法选择“曲面驱动”,选择风叶作为驱动曲面。打开切削参数中“Milti-Depth Cut”、刀轴为“相对于驱动体”。五轴联动精加工,选用半径为R3mm的球刀加工,工件不留余量。进给速度为1000mm/min;余下两个叶片用刀路变换命令加工。
 
   
 
        4、风叶流道精加工(见图9)采用子类型VARIABLE-CONTOUR加工,选择单个流道曲面为几何体,“曲面区域”为驱动方式,刀轴选择“插补”形式,选用半径为R3mm的球刀加工。采用“残余波峰高度”的步进方式,切削步长为刀具直径的70%,残余高度为0.005mm。其余两个流道曲面用刀路变换命令加工。
5、风叶根部倒圆角清根加工(见图10) 采用子类型VC-SURF-REG-ZZ-LEAD-LAG加工,选择单个倒角为几何体,“曲面区域”为驱动方式,刀轴采用“4轴相对驱动体形式”;检查时发现“过切”,选择“警告”模式;采用数字控制模式为步进方式,步数为20,刀具选用半径为R2mm球刀。余下风叶底部圆角用刀路变换命令加工。
    
    图10 风叶根部倒圆角清根
   
               图11 加工仿真
        6、加工仿真  为了检验工件程序刀路轨迹的正确性,防止加工中出现过切和干涉现象,UGNX8提供了强大校验仿真功能。先设置毛坯尺寸,仿真切削过程使用“可视化刀具轨迹”功能(见图11)。
 
 
          图12  DMG50五轴加工
 
      2.3马达风叶的五轴加工
      2.3.1准备工作
      加工前的准备工作包括几个方面:机床设备、刀具工具、工件毛坯和夹具工装的准备工作。
首先是准备机床设备并检查机床设备,保证设备正常运转。根据五轴机床几种常见结构及各自的加工特点,作者选用双转台的DMG50五轴联动加工机床。选定机床之后,检查机床设备各项功能是否正常工作,包括检查主轴、主轴冷却系统、气压、油压以及机床润滑系统、切削液等是否正常。
其次是准备刀具和工具。选用直径为16mm的平底刀粗加工;在精加工时,R3mm球头刀的刀具加工;再用R2mm球刀风叶根部倒圆角。然后,将加工过程中需要使用的所有工具都准备好,包括百分表、磁力表座、对刀器、各种尺寸的扳手等。
最后是根据毛坯的形状和尺寸,确定装夹工件的方法后,依次准备工装夹具。此例中毛坯为圆柱体,装夹方法用专用夹具夹紧。
2.3.2对刀过程
       装夹好工件后,进行对刀。按照双转台机床对刀方法来操作,对刀时使用对刀器,对好各个轴向的加工原点后,把要加工的三把刀具分别装在主轴上,校正每把刀的刀长,并输入刀长补正值[3]
2.3.3加工步骤
     将粗加工使用的刀具安装在主轴上,调用程序进行粗加工;粗加工完成后,调用程序进行半精加工;完成后,装上精加工使用的刀具,调用程序进行精加工。在加工过程中,程序设定好的主轴转速和进给速度是编程时估计较为理想的速度,但在实际加工时不一定最适合,因此要根据实际加工效果来修正速度[4]
 3.结束语
五轴联动数控加工工艺是当今制造业中的较先进技术之一,可以说,每个环节所涉及到的技术都是新技术问题。从加工后的风叶测量数据分析,加工精度已达到较高水平,从加工过程来看,加工效率已接近国际先进水平。
 
参考文献:
[1]陆启建,褚辉生。高速切削与五轴联动加工技术 [M]。北京:机械工业出版社,2011
[2]周济,周艳红。数控加工技术[M]。北京:国防工业出版社,2002
[3]冯坤,GMB20m5x五轴加工中心加工及装配方案研究[D] 。吉林大学,2011年
[4][美]Unigraphicssolutions,多轴铣制造过程培训教程[M]。北京:清华大学出版社,2002
[5]王隆太,先进制造技术[M]。北京:机械工业出版社,2003
[6]唐清春,何俊,赖玉活,五轴联动加工中工装及旋转误差补偿方法的研究[J]。组合机床与自动化加工技术, 2011, 07, 57-59
[7]李铭, 关于五轴联动加工中心后置处理程序的开发[J]。 模具技术,2011. 4, 56-59
[8]吴海兵,陈小岗,许兆美,摆头转台加工中心五轴联动加工的后置处理与仿真验证[J]。机械设计与制造, 2011.11, 135-137
[9]胡俊平,李志伟,水泵转子体风叶的三维造型和五轴联动加工[J]。 装备制造技术,2010.1,132-134
[10]王晓源,丁伟, 贾颜斌,进口大型五轴联动加工中心严重故障分析[J]。 金属加工(冷加工), 2010.11,59-61
[11]窦湘屏,袁光明,刘磊,五轴联动加工中心加工弧面凸轮[J]。机械制造与自动化,2010. 6, 45-49

 

作者简介:程智勇(1963—),男,大学本科,工程师,广州铁路职业技术学院,主要研究方向为数控技术。                  
E-mail: zhiyong602@163.com


责任编辑:省模协信息中心
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