航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣高效加工方法研究

《航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣高效加工方法研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣高效加工方法研究（44頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

本科畢業(yè)設(shè)計論文 摘 要 航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的核心部件，而機(jī)匣則是航空發(fā)動機(jī)上關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜、制造難度大。機(jī)匣從毛坯到成品的加工過程中，大約有70%的材料被切除，其中絕大部分是在機(jī)匣的粗加工階段完成。因此，高效粗加工是實(shí)現(xiàn)縮短機(jī)匣研制周期的關(guān)鍵。針對機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出采用插銑代替?zhèn)鹘y(tǒng)側(cè)銑進(jìn)行高效粗加工，并從機(jī)匣零件建模、機(jī)匣數(shù)控加工工藝、機(jī)匣插銑粗加工刀位生成等方面開展了研究。 本文完成的主要工作和取得的成果如下： 1） 對機(jī)匣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特征利用UG軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)匣的實(shí)體建模。 2） 研究了機(jī)匣高效粗加工工藝。針對側(cè)銑與插銑兩種加工方式，從切削厚度和刀具撓度兩方面進(jìn)行理論對比分析，并對切削力進(jìn)行仿真對比分析。結(jié)果表明，在相同切除率條件下，插銑徑向切削力僅為側(cè)銑的0.6倍，切削過程穩(wěn)定。 3） 根據(jù)機(jī)匣插銑加工工藝與機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃了其插銑刀位軌跡，并在UG環(huán)境下生成了相應(yīng)的插銑加工刀位軌跡。此外，以UG為二次開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了對插銑線的優(yōu)化，可有效防止插銑加工過切。 關(guān)鍵詞： 機(jī)匣，高效加工，插銑，刀位軌跡，UG二次開發(fā) ABSTRACT Aero-engine is the core component of the aircraft, and the casing which is a key part of the engine is difficult to manufacture because its extremely complicate structure. About 70% of the material is removed from blank to finished product, while the most material is removed in rough milling of casing. Therefore, high efficiency roughing of the casing is a key technology to realizing higher efficiency manufacturing and shorter developing cycle. Based on characteristics of casing, plunge milling was proposed to instead of traditional layered flank milling in this paper. And the part modeling, the CNC machining process modeling, the cut-location generation of the plunge milling in rough machining were studied. The main work and achievements of this thesis are as follows: 1) The casing structure is analyzed, and on this basis, the entity model of casing is established using UG. 2) The efficient rough machining of casing is studied for process planning. Between the side milling and plunge milling methods, cutting thickness and tools deflection were contrasted in theory and the cutting force were contrasted in simulation. The results show that, under the same resection rate, the radial cutting force of the plunge is only 0.6 times than the side milling, and the process is stable. 3) According to the Plunge milling process and the structure characteristics of casing, the plunge milling cutter path was planned, which is then generated in UG. Additionally, aiming at overcut in plunge milling process, the optimization of the plunge milling line has been implemented using UG secondary development. Key words: Casing, Efficient processing, Plunge milling, tool path, UG Secondary development 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)類零件粗加工技術(shù) 2 1.2.2 插銑工藝技術(shù) 3 1.3 論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排 5 第二章 機(jī)匣造型 7 2.1基于特征的建模方法 7 2.2建模平臺選擇 8 2.3機(jī)匣造型 9 2.3.1 機(jī)匣模型分析 9 2.3.2 機(jī)匣實(shí)體建模 10 第三章 機(jī)匣數(shù)控加工工藝 15 3.1工藝規(guī)程編制原則 15 3.2機(jī)匣零件的工藝特征 15 3.3機(jī)匣加工工藝階段的劃分 16 3.4機(jī)匣加工工藝路線制定 16 3.5機(jī)匣粗加工工藝方案分析 18 第四章 機(jī)匣插銑粗加工刀具軌跡 25 4.1 UG數(shù)控加工 25 4.2刀具軌跡規(guī)劃原則 25 4.3刀具軌跡生成 27 4.3.1 加工環(huán)境設(shè)定 27 4.3.2 刀具軌跡生成 27 4.3.3 程序后置處理 33 4.4基于UG的插銑線優(yōu)化 35 總 結(jié) 38 致 謝 39 參考文獻(xiàn) 40 41 第一章 緒論 1.1研究背景 航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，其內(nèi)部溫度高，轉(zhuǎn)速高，壓力大，使用壽命長，構(gòu)件的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷大，工作條件十分苛刻和復(fù)雜，其研究和發(fā)展工作的技術(shù)難度大，耗資多，周期長，是一個世界公認(rèn)的、復(fù)雜的多學(xué)科綜合性系統(tǒng)工程[1]。 機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)上最關(guān)鍵、最重要的部件之一，它是支撐轉(zhuǎn)子和固定定子的重要部件。發(fā)動機(jī)的推力也是通過機(jī)匣傳到飛機(jī)上的，因此機(jī)匣是重要的承力部件，所以對機(jī)匣的強(qiáng)度要求比較高。在工作狀態(tài)下，機(jī)匣承受發(fā)動機(jī)的氣體負(fù)荷和質(zhì)量慣性力，這些負(fù)荷以軸向力、橫向力或側(cè)向力、彎矩、扭矩等形式同時作用在機(jī)匣上[2]。機(jī)匣還承受由溫度、溫差引起的熱負(fù)荷，以及熱負(fù)荷對材料強(qiáng)度帶來的變化所引起的應(yīng)力。在飛機(jī)的每次起飛降落過程中，機(jī)匣承受由發(fā)動機(jī)的啟動→工作狀態(tài)→停車和飛機(jī)機(jī)動飛行引起的循環(huán)壓力、扭轉(zhuǎn)載荷以及震動載荷。 受發(fā)動機(jī)工作循環(huán)和飛機(jī)起飛、降落的影響，機(jī)匣受到的載荷是循環(huán)變化的。作為高空環(huán)境運(yùn)行部件，就必須要滿足靜強(qiáng)度要求和疲勞強(qiáng)度要求，必須具有足夠的穩(wěn)定性；對工作在高溫下的機(jī)匣，要求其在整個壽命期內(nèi)有足夠的抗蠕變能力；在轉(zhuǎn)子葉片斷裂時，保證飛機(jī)和乘員的安全，還要求機(jī)匣具有過負(fù)荷包容能力。因此機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要滿足支撐功能外，還要求設(shè)計方案保證強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求。 整體機(jī)匣加工技術(shù)是一個系統(tǒng)工程技術(shù)，該技術(shù)涉及NC編程技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、刀具技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)等，整個機(jī)匣加工水平和效率的提高需要以上各技術(shù)應(yīng)用的綜合提高。機(jī)匣是典型的高強(qiáng)度要求薄壁件(最薄處只有幾毫米，而外徑可達(dá)一到兩米) ，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料難加工、加工余量大、易產(chǎn)生變形。作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件，機(jī)匣的制造質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的整體性能影響很大[3]。而現(xiàn)有機(jī)匣加工工藝穩(wěn)定性、成熟性和可靠性不高，生成周期長、成本高，許多應(yīng)用于制造工藝的新機(jī)理、新方法、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)尚未采用。因此，為了適應(yīng)數(shù)字化生產(chǎn)條件下的機(jī)匣加工需求，現(xiàn)有的機(jī)匣加工技術(shù)必須通過技術(shù)革新予以變革。航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣材料一般多采用鈦合金、高溫合金等耐高溫、難切削材料，從毛坯到成品的加工過程中，大約有70%的材料被切除，其中絕大部分是在粗加工階段完成。因此，機(jī)匣的高效粗加工是實(shí)現(xiàn)機(jī)匣高效加工、縮短制造周期的關(guān)鍵[4]。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)類零件粗加工技術(shù) 開式整體葉盤通道屬于特殊類曲面型腔結(jié)構(gòu)，其粗加工可采用側(cè)銑法與插銑法。 Chiou[5]提出了一種加工腔槽的五坐標(biāo)刀具軌跡生成方法——FWC方法，利用腔槽的底面、側(cè)面和頂面，通過平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作生成了光滑連續(xù)無干涉的側(cè)銑刀具軌跡，并成功應(yīng)用于葉輪通道的粗加工。Young 和Chuang[6,7]對直紋面葉輪的側(cè)銑粗加工方法進(jìn)行了研究，提出了刀軸計算方式及刀位軌跡生成方法，其刀軸計算沿用了精加工中的側(cè)銑刀軸方向。Bala[8]提出了可視錐、可達(dá)錐的概念，進(jìn)行復(fù)雜腔槽加工可見性與可達(dá)性分析，并據(jù)此生成無干涉的五坐標(biāo)粗加工軌跡。在規(guī)劃刀具軌跡時，合理選取刀具尺寸也可以有效的縮短粗加工的時間[9]。西安交通大學(xué)賴天琴等[10,11]利用圓柱棒銑刀和圓錐棒銑刀對直紋面的側(cè)銑加工進(jìn)行了研究，提出了用最小偏置角原理求取刀軸矢量的方法，使加工誤差趨于最小。西北工業(yè)大學(xué)的單晨偉等[12,13]為提高開式整體葉盤的粗加工穩(wěn)定性，在粗加工階段，提出采用將自由曲面蛻變?yōu)橹奔y面的方式簡化開式整體葉盤通道開槽加工的難度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削。提出了一種新的刀軸矢量計算方法，并基于直紋面給出了開式整體葉片通道四坐標(biāo)側(cè)銑粗加工數(shù)控編程方法，規(guī)劃出了無干涉的刀位軌跡。任軍學(xué)[14]等提出了一種開式整體葉盤通道區(qū)域五坐標(biāo)粗加工刀具軌跡規(guī)劃方法，該方法通過生成整體葉盤薄壁葉片的直紋包絡(luò)面,以確定葉盤通道粗加工區(qū)域的邊界輪廓，并基于直紋面五軸側(cè)銑加工刀具軌跡雙點(diǎn)偏置生成方式，利用投影法規(guī)劃開式整體葉盤通道區(qū)域粗銑加工的刀心點(diǎn)軌跡與刀軸矢量方向。 南京航空航天大學(xué)的胡俊志[15]提出在型腔的轉(zhuǎn)角粗加工中采用插銑方法，并根據(jù)型腔轉(zhuǎn)角面的幾何特性，提出了無干涉插銑刀軸方向的算法，結(jié)合加工刀具參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)了插銑加工區(qū)域計算。北京航空航天大學(xué)的郭連水[16]提出在渦輪葉盤數(shù)控加工粗加工階段，采用插銑方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的點(diǎn)銑加工，分層加工，減小加工變形。魏建中[17]提出將插銑應(yīng)用于飛機(jī)整體框零件拐角加工中，針對拐角插銑加工路徑規(guī)劃問題，從工程實(shí)際中提取優(yōu)化模型，采用蟻群優(yōu)化算法，對插銑路徑進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化前后的對比，驗(yàn)證了所建模型和優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。馮明[18]提出了一種面向轉(zhuǎn)角特征的插銑刀軌生成算法，根據(jù)轉(zhuǎn)角特征類型的不同，分為Z向插銑和5軸插銑兩種加工方式，實(shí)現(xiàn)了型腔轉(zhuǎn)角殘留區(qū)域高效、無過切的加工，并基于CATIA平臺開發(fā)了面向轉(zhuǎn)角特征的插銑模塊。西北工業(yè)大學(xué)的王增強(qiáng)[19]等提出在開式整體葉盤的粗加工階段，采用插銑加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的五軸數(shù)控加工點(diǎn)和側(cè)銑，實(shí)現(xiàn)高效加工。胡創(chuàng)國[20,21]提出了一種開式整體葉盤通道的五坐標(biāo)插銑粗加工方法，利用直紋面逼近葉型曲面，進(jìn)而確定通道粗加工區(qū)域的邊界輪廓，通過連接刀心軌跡線和刀軸驅(qū)動線上的對應(yīng)點(diǎn)，規(guī)劃插銑粗加工葉盤通道時的刀具軌跡。任軍學(xué)等[22]根據(jù)開式整體葉盤通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了四坐標(biāo)插銑開槽高效低成本粗加工方法，通過葉盤葉片偏置面的直紋包絡(luò)面逼近，確定葉盤通道粗加工區(qū)域，給出了四坐標(biāo)插銑刀位軌跡生成算法。該方法有效解決了直紋面逼近的曲面邊界問題，并通過對葉片偏置面的直紋逼近從根本上避免了刀位軌跡計算時誤差的產(chǎn)生。 1.2.2 插銑工藝技術(shù) 插銑法（plunge milling）又稱為z軸銑削法，是近年來提出的一種針對較深腔槽的高效率加工方法，以實(shí)現(xiàn)對毛坯的高效粗加工。所謂插銑法就是在加工過程中刀具沿主軸方向做進(jìn)給運(yùn)動，利用底部的切削刃進(jìn)行鉆、銑組合切削，是一種能夠在Z方向上快速銑削大量金屬的加工方式，主要用于半精加工或粗加工。在重復(fù)插銑達(dá)到預(yù)定深度時，刀具不斷地縮回和復(fù)位以便于下一次插銑時可迅速地從垂疊走刀處去除大量金屬，如圖1-1所示。 圖1-1 插銑示意圖 插銑加工的加工方式比較特殊，與其他加工方式相比，它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)[23]： 1. 加工效率高，能夠快速切除大量金屬．相對于普通銑削加工而言可以節(jié)省一半以上的時間。 2. 刀具的懸伸長度比較大，特別適用于一些模具型腔的粗加工。 3. 可以對鈦合金等難加工材料進(jìn)行曲面加工或切槽加工。 4. 加工時主要的受力方向?yàn)檩S向，而徑向力較小，因此對機(jī)床的功率或主軸精度要求不高并且具有更高的加工穩(wěn)定性．可以利用老式機(jī)床或功率不足的機(jī)床獲得較高的加工效率。 5. 可以減小工件變形。 6. 可用于各種加工環(huán)境，可用于單件小批量的一次性原型零件加工。也適合大批量零件制造。 由于插銑具有效率高、能夠快速切除大量金屬的優(yōu)點(diǎn)，并且非常適合于加工難加工材料(如鈦合金)和一些復(fù)雜曲面的零件。因此在許多領(lǐng)域，尤其是在航空航天領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大應(yīng)用。目前國內(nèi)外各大高校、科研機(jī)構(gòu)以及一些公司開發(fā)部門對插銑相關(guān)技術(shù)的關(guān)注不斷加深，使得對插銑的研究不斷深入。從而對其切削機(jī)理更加了解，適用于插銑的CAD／CAM軟件和插銑專用刀具也會不斷完善和發(fā)展。 Altintas[24]等人研究了插銑加工的顫振穩(wěn)定性，介紹了插銑加工的頻域模型和顫振穩(wěn)定性的預(yù)測理論，將再生切屑厚度作為橫向、軸向和扭轉(zhuǎn)振動的函數(shù)，建立了再生切屑厚度模型，將插銑的穩(wěn)定性問題表示為一個四階特征值問題，通過特征值求解預(yù)測加工穩(wěn)定域，并通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。Hoon Ko[25]等人研究了插銑加工的時域模型，介紹了插銑加工過程中的力學(xué)和瞬態(tài)建模，結(jié)合刀具的剛性運(yùn)動和機(jī)床的振動來估算沿切削刃方向隨時間變化的瞬態(tài)切屑載荷分布，通過進(jìn)給、橫向切入、刀具幾何形狀、主軸轉(zhuǎn)速以及由振動引起的再生切屑載荷預(yù)測橫向和軸向的切削力，并對比分析仿真和實(shí)驗(yàn)所得切削力和振動數(shù)據(jù)驗(yàn)證建立的數(shù)學(xué)模型。Wakaoka[26]等人研究了陡峭壁的高速高效插銑加工，從刀具撓度方面對比采用端銑與插銑對加工表面粗糙度和精度的影響，結(jié)果表明在陡峭壁的加工中，采用高速插銑將比采用逆銑方式的側(cè)銑獲得更高的精度。Li Y[27]等介紹了一種在特定工件材料、刀具幾何參數(shù)、工件幾何參數(shù)以及其它切削條件下的多齒插銑切削力解析模型，通過建立每齒微元切削力與瞬時切屑面積的關(guān)系，對其進(jìn)行數(shù)值積分估算切削力，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。 孫建軍等[28]建立了一種基于PC104總線和LabVIEW的插銑刀具磨損在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠獲取和分析加速度傳感器的振動信號，建立插銑刀具磨損和振動關(guān)系，為插銑刀具磨損研究提供了重要依據(jù)。天津大學(xué)的齊文國[29]等人建立了基于多元線性回歸法的鋁合金插銑銑削力模型，通過對鋁合金插銑銑削力的實(shí)驗(yàn)測量，并利用統(tǒng)計分析軟件SPSS進(jìn)行回歸分析和檢驗(yàn)，對插銑過程中銑削力隨切削參數(shù)的變化而變化的規(guī)律進(jìn)行了研究。齊文國[30]還研究了插銑過程中的刀具性能，選擇四種不同廠家牌號適合用于插銑加工的刀具對鈦合金試件進(jìn)行了插銑加工試驗(yàn)，分析了鈦合金插銑過程中銑削力、切削溫度、切削振動隨切削參數(shù)的變化而變化的規(guī)律，并對銑削力建立了數(shù)學(xué)模型。通過對四種刀具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，并綜合專家意見，應(yīng)用模糊集理論中的模糊多目標(biāo)決策系統(tǒng)，得到了四種插銑刀具性能的模糊綜合評判，為插銑刀具、插銑切削用量的選擇提供了依據(jù)。秦旭達(dá)[31]等人針對鈦合金(Ti-6Al-4V)的切削特點(diǎn)，研究了具有高速、高效特點(diǎn)的Ti-6Al-4V的插銑過程，分析了切削力的特點(diǎn)，建立了鈦合金(Ti-6Al-4V)插銑銑削力模型，并對銑削力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。秦旭達(dá)[32]還通過熱電偶法對鋁合金工件插銑過程中已加工表面溫度進(jìn)行在線動態(tài)測量,并利用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,建立了已加工表面溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?得出了切削參數(shù)對切削溫度的影響規(guī)律,為優(yōu)化切削參數(shù)、研究刀片磨損機(jī)理提供了參考數(shù)據(jù)。西北工業(yè)大學(xué)的任軍學(xué)等[33]進(jìn)行了鈦合金整體結(jié)構(gòu)件高效插銑工藝實(shí)驗(yàn)研究，在同一切除率實(shí)驗(yàn)條件下,采用幾何參數(shù)完全相同的兩把整體硬質(zhì)合金刀具,分別針對插銑和側(cè)銑工藝方案的切削力、切削穩(wěn)定性以及切削溫度等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,證明了整體結(jié)構(gòu)件插銑開槽的優(yōu)越性。 機(jī)匣屬于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，內(nèi)、外形具有復(fù)雜的曲面形狀。其主體周向分布著柱狀凸臺、腔槽等特征，制造難度大。傳統(tǒng)的腔槽結(jié)構(gòu)加工方法一般采用在四、五坐標(biāo)加工中心上采用細(xì)長刀具分層側(cè)銑的加工方法。側(cè)銑加工時，刀具主要受徑向力作用，在徑向力的作用下刀具變形，刀具將產(chǎn)生變形、顫振，刀具磨損加劇，刀具折斷等現(xiàn)象，使得加工效率顯著下降，嚴(yán)重影響機(jī)匣的加工和質(zhì)量穩(wěn)定性。根據(jù)以上機(jī)匣的加工特征，對比插銑與側(cè)銑的加工優(yōu)勢，選擇更為高效的插銑方法，完成機(jī)匣高效粗加工。 1.3 論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排 本文以燃燒室機(jī)匣為研究對象，采用UG實(shí)現(xiàn)機(jī)匣建模，深入分析其加工特征。通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)對比側(cè)銑與插銑的切削力、切削厚度得出插銑在粗加工中具有高效、低顫振的優(yōu)點(diǎn)。采用插銑加工以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的側(cè)銑分層加工，以UG為平臺生成機(jī)匣的插銑加工程序和刀具軌跡，從而實(shí)現(xiàn)燃燒室機(jī)匣的高效粗加工。 論文全文共分為四章，各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章 緒論 介紹本文的研究背景和意義以及粗加工工藝技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并給出本文的主要內(nèi)容及各章節(jié)安排。 第二章 機(jī)匣造型 對機(jī)匣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特征，采用基于特征的建模方法，以UGNX4.0為建模平臺，通過繪制草圖、拉伸輪廓等操作實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的實(shí)體建模。 第三章 機(jī)匣數(shù)控加工工藝 分析機(jī)匣零件的工藝特征，并制定工藝路線和工藝階段的劃分，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)對比來說明插銑在機(jī)匣的粗加工中具有高效和徑向切削力小的優(yōu)點(diǎn)，確定插銑為本文機(jī)匣的粗加工方式。 第四章 機(jī)匣插銑粗加工刀具軌跡規(guī)劃 提出了刀具軌跡規(guī)劃的原則，在UG的加工環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)匣插銑粗加工刀具軌跡的生成，并通過以UG為平臺的二次開發(fā)解決了插銑中刀具過切的問題。 第二章 機(jī)匣造型 對機(jī)匣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特征，采用基于特征的建模方法，以UGNX4.0為建模平臺，通過繪制草圖、拉伸輪廓等操作實(shí)現(xiàn)機(jī)匣的實(shí)體建模。 2.1基于特征的建模方法 1．特征模型信息描述 特征是指描述產(chǎn)品信息的集合，也是設(shè)計或制造零部件的基本幾何體。它是以結(jié)構(gòu)的實(shí)體幾何（CSG：Constructive Solid Geometry）和邊界表示（B-Rep：Boundary Representation）為基礎(chǔ)的，源于產(chǎn)品的模塊化設(shè)計思想。特征是參數(shù)化的幾何體，通過改變特征的尺寸，可以用有限的特征構(gòu)造出無限的零、部件模型，具有一定的工程意義。從產(chǎn)品建模和工藝信息數(shù)字化的角度考慮，特征分類如圖2-1所示。 圖2-1 特征分類 零件模型的生成不是依賴于體素拼合，而是突出了各種面的作用，如基準(zhǔn)面、工作面和連接面等，需要處理和記錄不同特征間的繼承、鄰接、從屬和引用聯(lián)系。根據(jù)特征間的聯(lián)系，將特征類的實(shí)例定義為對象，可以得到圖2-2所示的特征聯(lián)系圖。 圖2-2 特征聯(lián)系 特征包括三方面的屬性： 參數(shù)屬性，描述特征形狀構(gòu)成及其它非幾何信息的定義屬性； 約束屬性，描述特征成員本身的約束及特征成員之間的約束關(guān)系屬性； 關(guān)聯(lián)屬性，描述本特征與其它特征之間、形狀特征與低層幾何元素或其它非幾何信息描述之間的相互約束或相互引用關(guān)系的屬性。 根據(jù)特征和特征聯(lián)系的定義，建立基于特征零件信息模型的分層結(jié)構(gòu)，分為零件層、特征層和幾何層三層。將零件的幾何信息按層次展開，以便于根據(jù)不同的需要提取信息。零件層主要反映零件總體信息，主要包括零件子模型的索引指針或地址；特征層包含特征各子模型的組合及其各個模型間的相互關(guān)系，并形成特征圖或樹結(jié)構(gòu)，特征層是零件信息模型的核心，各特征子模型間的聯(lián)系反映出特征間的語義關(guān)系，使特征成為構(gòu)造零件的基本單元，具有高層次工程含義。B-Rep結(jié)構(gòu)表達(dá)的幾何/拓?fù)湫畔⑹钦麄€模型的基礎(chǔ)，也是零件圖繪制、有限元分析、工藝信息的數(shù)字化表達(dá)、裝配分析等應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)注的對象。 2.2建模平臺選擇 本文選擇UGNX4.0中文版作為幾何造型、工程分析、數(shù)控編程平臺。選擇UG作為建模平臺，基于以下原因： Unigraphics（簡稱UG）是美國EDS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一體的具有強(qiáng)大的設(shè)計和加工功能的高端CAD/CAM軟件系統(tǒng)。UG實(shí)體建模將基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模方法融為一體，形成無縫銜接的“復(fù)合式建模工具”，用戶可以在基于特征的環(huán)境下發(fā)揮傳統(tǒng)的實(shí)體、曲面和線框造型功能的長處。UG的CAM模塊具有強(qiáng)大的加工功能，可以生成用于五軸加工的數(shù)控程序，滿足各種復(fù)雜曲面的加工要求，其生成數(shù)控加工代碼的能力更強(qiáng)，可以方便的生成鉆削、3軸/多軸銑、線切割、車削等數(shù)控代碼。另外，UG提供的二次開發(fā)語言O(shè)pen GRIP、Open API、Open++等功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)，且支持C++和Java語言的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法。這一切使得UG在工業(yè)界成為一套無可匹敵的高級CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，也成為此次論文研究幾何平臺的選擇對象。 2.3機(jī)匣造型 圖2-3 機(jī)匣整體造型 圖2-4 機(jī)匣主視圖 圖2-5 機(jī)匣俯視圖 圖2-6 機(jī)匣周向凸臺 2.3.1 機(jī)匣模型分析 如圖2-3、圖2-4、圖2-5所示為一個燃燒室機(jī)匣。機(jī)匣高度214mm,大端外徑Φ752mm，內(nèi)徑Φ600mm，小端外徑Φ683.7mm，內(nèi)徑Φ628mm。機(jī)匣主體是一個回轉(zhuǎn)體，在周向不同高度、不同角度上分布四種類型的大小凸臺共15個，另外有兩條完整的肋，總體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征，可以分為以下幾步來進(jìn)行機(jī)匣建模： 1、 通過旋轉(zhuǎn)截面線的方法得到機(jī)匣主體的模型； 2、 利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等通過曲線在機(jī)匣周向上旋轉(zhuǎn)、拉伸出凸臺，并與機(jī)匣主體進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟紶栠\(yùn)算； 3、 對機(jī)匣零件相應(yīng)邊進(jìn)行倒角和倒圓。 2.3.2 機(jī)匣實(shí)體建模 機(jī)匣主體 機(jī)匣的主體是一個回轉(zhuǎn)體，因此可以通過旋轉(zhuǎn)截面線的方法得到其模型。這里有兩種做圖的方法： 1、 在modeling模式下直接進(jìn)行繪圖； 2、 在sketch模式下進(jìn)行繪圖； 以上兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)零件的圖形繪制。在實(shí)際使用中可以體會到：modeling模式直觀方便，可以較快地完成較為簡單的圖形繪制；而草圖模式，由于具有良好的繪圖界面和模塊，可以使用約束對圖形進(jìn)行快速修改，在繪圖（特別是一些較為復(fù)雜的圖形）時，則顯得更為實(shí)用。因此，在模型建立中的繪圖，都采用了草圖繪制。 首先，確定建模基準(zhǔn)。選取機(jī)匣軸向由大端指向小端的方向?yàn)閅軸正方向，徑向方向分別為X軸和Z軸。確定第一層為當(dāng)前工作層。在草圖模式下，可以通過工具欄中【直線】、【圓弧】、【圓】等來繪制基本線條；通過【派生直線】、【偏置曲線】來進(jìn)行線條的偏置；通過【快速修剪】、【快速延伸】、【圓角】來進(jìn)行線條的修剪、延伸和倒圓角；通過【鏡像】來進(jìn)行對象的對稱復(fù)制；通過【工具條：捕捉點(diǎn)】來進(jìn)行點(diǎn)的自動獲取和捕捉。 在繪圖中可以使用 菜單欄【編輯】中的【變換】來對圖素進(jìn)行多種方式的移動和復(fù)制。在草圖繪制中大量使用約束來方便快捷地進(jìn)行自動捕捉、曲線定位和圖素大小更改,具體繪圖方法這里不做介紹。 最后，按照圖紙要求繪制出機(jī)匣主體截面線如圖2-7： 圖2-7 機(jī)匣主體截面線 接下來就可以通過【回轉(zhuǎn)】旋轉(zhuǎn)來得到機(jī)匣的主體。這里需要注意兩個問題： 1、 機(jī)匣的截面線一定要正確。截面線不能為非封閉曲線，這樣旋轉(zhuǎn)出來的實(shí)體其實(shí)是片體，無法和后續(xù)的凸臺進(jìn)行布爾運(yùn)算；截面線不允許在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生自相交曲線，否則截面線無法旋轉(zhuǎn)得到實(shí)體。 2、 在UGNX4.0中，回轉(zhuǎn)截面時需要選擇一點(diǎn)以定位旋轉(zhuǎn)矢量，可以事先做一條從原點(diǎn)出發(fā)且平行于Y軸的線段，取點(diǎn)時捕捉該線段上任意一點(diǎn)即可。 最后得到機(jī)匣主體如圖2-8所示。 圖2-8 機(jī)匣主體 方形凸臺 在機(jī)匣的周向輪廓上分布有2個方形凸臺，凸臺間相隔90度，它們的特征相同，Y軸坐標(biāo)也相同，因此建立好一個后可利用變換繞Y軸旋轉(zhuǎn)90度得到另一凸臺。 為了顯示清楚和建模方便，可以將其他圖層或者當(dāng)前圖層視圖中暫時不相關(guān)的對象隱藏起來。 首先，建立凸臺相應(yīng)的坐標(biāo)系?？梢詥螕簟緞討B(tài)WCS】將動態(tài)坐標(biāo)顯示出來，再將坐標(biāo)移動和旋轉(zhuǎn)的數(shù)值輸入（如將坐標(biāo)系沿Z向移動165mm，繞Z向旋轉(zhuǎn)30），完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。 然后在新的坐標(biāo)系中繪制凸臺的草圖，如圖2-9中所示的藍(lán)線部分即為方形凸臺的草圖。 圖2-9 凸臺草圖 點(diǎn)擊【拉伸】將草圖曲線沿新坐標(biāo)的Z向正向拉伸即可生成凸臺實(shí)體。這里可以采用兩種方法： 1. 將凸臺沿機(jī)匣徑向向內(nèi)拉伸通過機(jī)匣主體部分，如圖2-10所示，再用【修剪體】將多余部分裁掉； 2. 以機(jī)匣外表面作為拉伸的終止面，直接拉伸到外表面。 圖2-10 拉伸輪廓 做出凸臺實(shí)體后，可通過“變換”中的“繞直線旋轉(zhuǎn)”旋轉(zhuǎn)復(fù)制90度完成另一個方形凸臺（應(yīng)在與進(jìn)行布爾運(yùn)算之前）。 盾形凸臺 在機(jī)匣的周向360度均勻分布了10個相同的盾形凸臺，做法與方形凸臺做法類似，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，按照圖紙規(guī)定的位置要求，在草圖上繪制出需要拉伸的輪廓，并拉伸到機(jī)匣殼體外表面上以完成盾形凸臺，如圖2-11所示。最后繞Y軸旋轉(zhuǎn)36度依次復(fù)制得到其余10個凸臺。 圖2-11 盾形凸臺 圓柱凸臺 在機(jī)匣的周向分布了三個圓柱凸臺，一個大凸臺，兩個小凸臺，小圓柱凸臺大小一樣。 做法與方形凸臺做法類似，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，按照圖紙規(guī)定的位置要求，在草圖上繪制出需要拉伸的圓，并拉伸到機(jī)匣殼體外表面上以完成圓柱凸臺，如圖2-12所示。小凸臺通過繞直線旋轉(zhuǎn)做出另外一個。 圖2-12 圓柱凸臺 梅花凸臺 在機(jī)匣的周向分布了兩個大小不等但相似的梅花形凸臺。 做法與方形凸臺做法類似，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，按照圖紙規(guī)定的位置要求，在草圖上繪制出需要拉伸的外形，并拉伸到機(jī)匣殼體外表面上以形成凸臺，如圖2-13所示。 圖2-13 梅花形凸臺 倒圓、倒角 在將所有對象運(yùn)用【求和】合并成一個整體后，可以利用【邊倒圓】、【面倒圓】等指令做出倒圓面完成最后的模型，如圖2-14所示。 (a) 方形凸臺圓角 (b)盾形凸臺圓角 (c)梅花形凸臺圓角 圖2-14 凸臺圓角 至此，燃燒室機(jī)匣的建模過程完成，接下來將進(jìn)行工藝分析和加工編程的工作。 第三章 機(jī)匣數(shù)控加工工藝 本章分析了機(jī)匣零件的工藝特征，并根據(jù)工藝規(guī)程編制原理制定了工藝路線和工藝階段的劃分，通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)對比來說明插銑在機(jī)匣的粗加工中具有高效和徑向切削力小的優(yōu)點(diǎn)，確定插銑為本文機(jī)匣的高效粗加工方式。 3.1工藝規(guī)程編制原則 在生產(chǎn)過程中，把工藝過程按一定的格式用文件的形式固定下來，便稱為工藝規(guī)程編制。工藝規(guī)程的編制應(yīng)依據(jù)零件圖和有關(guān)說明，毛坯圖和型材規(guī)格資料，生產(chǎn)條件和生產(chǎn)綱領(lǐng)進(jìn)行。 在進(jìn)行零件圖分析和工藝規(guī)程編制時應(yīng)按以下原則進(jìn)行： 1. 區(qū)分零件的主次表面，首先保證其主要表面，初步確定應(yīng)采取的加工方法和加工步驟； 2. 注意零件各表面以及各表面間的相互位置，并根據(jù)設(shè)計尺寸的標(biāo)注方式，確定各表面的加工方法、順序及定位基準(zhǔn)； 3. 重點(diǎn)分析技術(shù)條件，根據(jù)技術(shù)條件要求的內(nèi)容確定加工方法。 這里需要注意以下幾點(diǎn)： 1. 為了滿足高效益、高精度、高表面質(zhì)量要求，結(jié)合特種加工技術(shù)，采取合理的加工方法是很重要的。在選擇加工方法時，首先要確定主要表面的最后加工方法，再確定為加工主要表面做準(zhǔn)備的其他工序的加工方法。 2. 零件粗加工切除的余量大，切削熱、切削力以及內(nèi)應(yīng)力重新分布等因素引起工件的變形較大。 3. 選擇基準(zhǔn)時，可按基準(zhǔn)重合、基準(zhǔn)統(tǒng)一、互為基準(zhǔn)等原則進(jìn)行，在具體加工中應(yīng)保證加工精度，盡量保證裝夾方便，避免定基誤差。 3.2機(jī)匣零件的工藝特征 1. 壁薄、復(fù)雜的機(jī)匣主體周向分布著多形狀特征島嶼、凸臺等特征，制造難度大 此機(jī)匣是一個燃燒室機(jī)匣。機(jī)匣高度214mm,大端外徑Φ752mm，內(nèi)徑Φ600mm，小端外徑Φ683.7mm，內(nèi)徑Φ628mm。機(jī)匣主體是一個回轉(zhuǎn)體，在周向不同高度、不同角度上分布四種類型的大小凸臺共25個，另外有兩條完整的肋，總體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。具有復(fù)雜特征多、空間關(guān)系復(fù)雜、加工要求高，特別是位置精度要求極高等特點(diǎn)，機(jī)匣的這種復(fù)雜多特征結(jié)構(gòu)是由機(jī)匣在航空發(fā)動機(jī)中位置作用所決定的。 2. 材料去除率高 機(jī)匣毛坯為粗車毛坯，毛坯總高216mm,大端外徑Φ756mm，內(nèi)徑Φ598mm，小端外徑Φ696mm，內(nèi)徑Φ626mm而最終的零件總高214mm, 大端外徑Φ752mm，內(nèi)徑Φ600mm，小端外徑Φ683.7mm，內(nèi)徑Φ628mm，機(jī)匣外壁最薄的地方只有2.5mm，材料去除率很大。特別是在徑向的大去除率，使得機(jī)匣的加工變得十分困難。 3. 零件易變形 機(jī)匣屬于薄壁件，加工余量很大，在加工過程中容易變形，而且由于加工過后不能進(jìn)行熱處理消除殘余應(yīng)力，所以更容易發(fā)生扭曲變形，因而其加工工藝過程要求更嚴(yán)格。 3.3機(jī)匣加工工藝階段的劃分 環(huán)形機(jī)匣殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、容易產(chǎn)生加工變形等特點(diǎn)對制造精度的影響特別大，因此加工時應(yīng)劃分階段進(jìn)行。通常劃分成粗加工階段、半精加工階段和精加工階段。 粗加工階段：主要是去除各表面的大部分余量，對尺寸精度和表面精度要求不高。 半精加工階段：去除熱處理產(chǎn)生的變形，完成各次要表面的最后加工，并為精工打下良好基礎(chǔ)。 精加工階段：完成全部表面的最終加工，并保證機(jī)匣的全部技術(shù)要求，特別是對主要表面的要求。這一階段的加工余量比較小。 環(huán)形機(jī)匣上的主要安裝定位表面，一般都需要在組合件中進(jìn)行加工。這些表面在機(jī)匣殼體精加工時不能加工到最終尺寸，應(yīng)留有一定的余量，加工精度應(yīng)與組合加工精度相同或略低，但是要給組合加工提供一個良好的定位基準(zhǔn)。 3.4機(jī)匣加工工藝路線制定 如上所述加工分為三個階段，粗加工、半精加工和精加工。 此機(jī)匣零件毛坯為自由鍛件，首先進(jìn)行的是粗加工，初始毛坯與零件最終尺寸相差較大，利用車削加工具有比銑削加工更好的經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，在保證后序加工尺寸的前提條件下，再車削加工中去除較多的余量。 粗銑外型主要是在給精加工留夠余量的前提下，將機(jī)匣外型上除了凸臺之外的殼體余量去除，這里可以采用盤銑刀、成形刀等進(jìn)行加工。 粗加工要切削大量材料，加工余量很大，切削力也很大，在工件上會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。因此，在粗加工之后、半精加工之前要進(jìn)行熱處理來去除粗加工中的殘余應(yīng)力。 半精加工時，對加工精度要求比粗加工高，所以使用大端面和小端面互為基準(zhǔn)的方法來保證所需的加工精度。 機(jī)匣接下來可以進(jìn)行精銑外型了。精銑外型時以大端面做軸向基準(zhǔn)，大端外圓所確定的中心線做徑向基準(zhǔn)，鍵槽位置做角向基準(zhǔn)。利用平底刀，球頭刀，盤銑刀等不同刀具對機(jī)匣外形進(jìn)行精加工。 精銑外型后，對機(jī)匣車內(nèi)型，作為下一車間內(nèi)型加工的毛坯。這里之所以將車內(nèi)型面放在精銑外壁之后，主要是為了使精銑外壁時機(jī)匣零件的整體厚度較大，以保證精銑外壁時的變形較小。 之后的工序?yàn)椋捍蚰ァ⑶逑?、檢驗(yàn)、分解、磁力控傷、清洗、檢驗(yàn)、組立、入庫。 由此確定的機(jī)匣加工工藝如圖3-1。 精銑外壁 毛坯鍛件 精銑凸臺外形及端面 線切割試塊 車基準(zhǔn) 粗 車 精車小端 粗銑外壁 精車大端內(nèi)型 熱處理 打磨、清洗、檢驗(yàn)等 半精車大小端及內(nèi)型面 入 庫 精車小端及內(nèi)型 圖3-1 機(jī)匣加工工藝 3.5機(jī)匣粗加工工藝方案分析 燃燒室機(jī)匣的加工屬于半回轉(zhuǎn)體的外表面加工與回轉(zhuǎn)體的內(nèi)表面加工，本文主要探究機(jī)匣外表面的粗加工。由于有各式凸臺，外表面加工只能通過銑削完成，通常采用的有側(cè)銑和插銑兩種方式。 為比較插銑、側(cè)銑兩種加工方式在機(jī)匣粗加工中的優(yōu)劣，本小節(jié)從理論上分析對比插銑和側(cè)銑兩種加工方式的切屑厚度和刀具撓度，通過仿真實(shí)驗(yàn)對比插銑和側(cè)銑兩種加工方式的刀具徑向力。 1. 切屑厚度對比分析 圖3-2為側(cè)銑加工切屑厚度示意圖，可以看出，在一個周期切削過程中，側(cè)銑的切屑厚度h動態(tài)變化，由到零，其平均切削厚度計算公式為： 圖3-2 側(cè)銑切屑厚度 其中，為每齒進(jìn)給量，為徑向切深，為側(cè)銑切屑厚度，D為刀具直徑，為嚙合角，κ為刀具主偏角。 其中嚙合角的計算公式為： 圖3-3為插銑加工切屑厚度示意圖，可以看出，在一個周期切削過程中，插銑切削厚度h保持穩(wěn)定，其平均切削厚度計算公式為： 圖3-3 插銑切屑厚度 因此，在相同的每齒進(jìn)給下，側(cè)銑加工與插銑加工的切屑厚度之比為： 一般而言/D≤30%，當(dāng)取/D=25%，則/=0.48，則在相同的每齒進(jìn)給下，側(cè)銑加工的切屑厚度約為插銑加工的一半。 由側(cè)銑的切削厚度動態(tài)變化而插銑的切削厚度保持穩(wěn)定可知，相對于側(cè)銑加工，插銑切削過程穩(wěn)定，不易產(chǎn)生顫振，且切削效率高。 2. 刀具撓度對比分析 圖3-4為側(cè)銑加工時刀具撓度模型，圖中把刀具理解為懸臂梁結(jié)構(gòu)，認(rèn)為側(cè)銑刀具軸向切深段受均布載荷q的作用。 圖3-4 側(cè)銑加工刀具撓度分析圖 在圖3-4的側(cè)銑加工刀具撓度模型中，側(cè)銑加工的軸向切深為： 均布載荷q為： 其中為側(cè)銑加工徑向切削力。 該模型的轉(zhuǎn)角曲線方程為： 其中，E為楊氏模量，I為慣性動量。 該模型的撓度曲線方程為： 當(dāng)x=l時即在刀尖處取得模型的最大轉(zhuǎn)角，最大轉(zhuǎn)角為： 當(dāng)x=l時即在刀尖處取得模型的最大撓度，最大撓度為： 圖3-5為插銑加工時刀具撓度模型，同樣圖中把刀具理解為懸臂梁結(jié)構(gòu)。 圖3-5 插銑加工刀具撓度分析圖 在圖3-5的插銑加工刀具撓度模型中，該模型的轉(zhuǎn)角曲線方程為： 其中，為插銑加工的徑向切削力。 該模型的撓度曲線方程為： 當(dāng)x=l時即在刀尖處取得模型的最大轉(zhuǎn)角，最大轉(zhuǎn)角為： 當(dāng)x=l時即在刀尖處取得模型的最大撓度，最大撓度為： 當(dāng)取側(cè)銑軸向切深為時，此時側(cè)銑撓度模型的最大轉(zhuǎn)角與插銑撓度模型的最大轉(zhuǎn)角之比為： 因?yàn)閭?cè)銑加工的徑向切削力遠(yuǎn)大于插銑加工的徑向切削力，即，則插銑撓度模型的最大轉(zhuǎn)角要小于側(cè)銑撓度模型的最大轉(zhuǎn)角，即。 側(cè)銑撓度模型的最大撓度與插銑撓度模型的最大撓度之比為： 由于，則插銑撓度模型的最大撓度要小于側(cè)銑撓度模型的最大撓度，即。 由、可知，相對于側(cè)銑加工，插銑加工刀具振動較小。 3. 插銑與側(cè)銑銑削徑向力對比仿真實(shí)驗(yàn) 圖3-6 實(shí)驗(yàn)試樣示意圖 1) 實(shí)驗(yàn)方案： 在切削加工的過程中，刀具所受徑向力越大，越容易發(fā)生顫振，嚴(yán)重影響加工精度和刀具壽命，因此本實(shí)驗(yàn)主要仿真對比插銑和側(cè)銑刀具所受的徑向力大小。為提高兩種加工方式的可比性，用兩把參數(shù)完全相同的整體硬質(zhì)合金立銑刀分別進(jìn)行側(cè)銑（順銑）和插銑，刀具直徑20mm，齒數(shù)2，加工材料為TC4(Ti-6Al-4V), 屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能，比強(qiáng)度大。側(cè)銑與插銑對比實(shí)驗(yàn)的具體切削參數(shù)見表3.1，其中為切削速度，為插銑側(cè)向步距或側(cè)銑側(cè)吃刀量，為插銑側(cè)吃刀量或側(cè)銑背吃刀量。該方案可保證兩種加工方式具有相同的材料切除率。銑削方式如圖3-7。 表3.1 側(cè)銑與插銑對比實(shí)驗(yàn)切削參數(shù) 銑削方式 (m/min) (mm) (mm) 插銑 0.12 12 5 側(cè)銑 0.12 5 12 (a)插銑示意圖 (b)側(cè)銑示意圖 圖3-7 銑削方式示意圖 本實(shí)驗(yàn)采用先進(jìn)金屬切削工藝分析軟件(Advant Edge Production Module)作為仿真工具。Advant Edge Production Module是一款CAE軟件，該軟件是由Third Wave Systems公司開發(fā)，主要用于優(yōu)化金屬切削工藝。這款分析軟件適用于提高零件質(zhì)量，增加材料去除率，延長刀具壽命等等。利用Advant Edge Production Module可以減少試切次數(shù)，通過方案比較獲得優(yōu)化的切削參數(shù)及刀具選擇。該軟件還具有豐富的后處理功能，用曲線、云圖及動畫顯示仿真結(jié)果，可以得到切削力、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變率及加工功率等結(jié)果。 Advant Edge Production Module可以分析的工藝：車削、銑削(含插銑)、鉆孔、攻絲、鏜孔、環(huán)槽、鋸削、拉削;進(jìn)給在10納米以上1微米以下的微切削目前只支持2D車削仿真。 實(shí)驗(yàn)過程中，在仿真軟件里創(chuàng)建相應(yīng)的刀具、加工毛坯，將在相同切削參數(shù)下得到的側(cè)銑和插銑加工程序?qū)胲浖?jīng)過分析后得到插銑與側(cè)銑的切削徑向力結(jié)果如下所示。 2) 仿真結(jié)果與分析 圖3-8 插銑徑向力（X和Y向合力） 圖3-9 側(cè)銑徑向力（X和Y向合力） 由以上兩圖可得，在同種切削參數(shù)下，插銑維持在585N，側(cè)銑維持在945N，側(cè)銑和插銑相比，XY方向合力較大，約為插銑的1.6倍。作用力增大會增加刀具和機(jī)床主軸的徑向力作用，引起刀具和機(jī)床的振動，加劇機(jī)床主軸系統(tǒng)和刀具的磨損。由于插銑作用力遠(yuǎn)小于側(cè)銑作用力，所以插銑可應(yīng)用于切深大、刀具直徑相對較小（長徑比大、直徑大的刀具使用受限）情況下難加工材料的大余量粗加工。 由以上工藝方案的分析，本文中機(jī)匣采用高效而低顫振的插銑進(jìn)行粗加工。 第四章 機(jī)匣插銑粗加工刀具軌跡 本章根據(jù)UG數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃的原則，在UG的加工環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)匣插銑粗加工刀具軌跡的生成，并通過以UG為平臺的二次開發(fā)解決了插銑中刀具過切的問題。 4.1 UG數(shù)控加工 UG CAM是UG中計算機(jī)輔助制造模塊，可實(shí)現(xiàn)對極其復(fù)雜零件和特別零件的加工，而且是一個易于使用的編程工具，可以為數(shù)控銑、數(shù)控車、數(shù)控電火花線切割機(jī)編程。在UG加工應(yīng)用中，系統(tǒng)提供了多種加工類型用于各種復(fù)雜零件的粗精加工，用戶可根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。在加工類型中包含了多種加工模板，應(yīng)用各加工模板可快速建立加工操作。例如，用刀具模板可快速建立或引用各種類型的切削刀具；用加工方法模板，可根據(jù)粗精加工要求，設(shè)置進(jìn)給量、加工誤差和加工余量等參數(shù)，創(chuàng)建多種加工方法；用操作模板可快速建立加工操作，生成刀具路徑。 在交互操作過程中，用戶可在圖形方式下交互編輯刀具路徑，觀察刀具的運(yùn)動過程，生成刀具位置源文件。同時，應(yīng)用其可視化功能，可在屏幕上顯示刀具軌跡，模擬刀具真實(shí)切削過程，并通過過切檢查和殘留材料檢查，檢測相關(guān)參數(shù)設(shè)置的正確性。 4.2刀具軌跡規(guī)劃原則 刀具軌跡規(guī)劃是根據(jù)零件的幾何模型、所用的加工刀具、刀具走刀方式以及加工余量等工藝參數(shù)進(jìn)行刀位計算并生成加工運(yùn)動軌跡。刀具軌跡的生成能力直接影響數(shù)控編程系統(tǒng)的功能和所生成的加工程序質(zhì)量。下面介紹幾個與刀具軌跡規(guī)劃相關(guān)的幾個基本概念： 1. 刀觸點(diǎn)：指刀具在加工過程中與零件表面的切觸點(diǎn)。 2. 刀觸點(diǎn)軌跡：指刀具在加工過程中由刀觸點(diǎn)構(gòu)成的曲線。 3. 刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)：指準(zhǔn)確確定刀具在加工過程中每一位置所需的數(shù)據(jù)。一般來說，刀具的位置有刀位中心點(diǎn)坐標(biāo)和刀軸方向確定。刀具中心點(diǎn)可根據(jù)計算模型的需要選取刀尖點(diǎn)或刀心點(diǎn)。 4. 刀具軌跡：指刀具在加工過程中由刀位點(diǎn)構(gòu)成的軌跡。刀具軌跡一般是由刀觸點(diǎn)軌跡通過刀具偏置計算得到。 5. 刀軸矢量：指用于控制數(shù)控加工過程中的刀具姿態(tài)矢量，其方向是刀端指向刀柄的。數(shù)控加工根據(jù)刀軸矢量在加工過程中是否發(fā)生改變分為固定軸加工和可變軸加工。 對于難加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具懸伸長度較大的加工，插銑加工是快速去除材料的一種最有效的加工方式，可以大大提高切削效率。但是刀軸較難控制，所以插銑加工很難應(yīng)用到自由曲面的發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工中。并且在數(shù)控加工中由于切削速度和進(jìn)給速度往往都比較快，發(fā)生碰撞造成的損害比在普通切削中要嚴(yán)重的多，插銑刀如何在多坐標(biāo)數(shù)控加工編程中生成無碰撞的刀軸方向和優(yōu)化的刀位軌跡是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。 此外，在機(jī)匣的數(shù)控加工中，由于機(jī)匣要求的加工精度很高，而且在加工過程中，工件容易變形，所以對于數(shù)控機(jī)床、夾具、刀具和刀柄的要求很高。同時也要求改進(jìn)刀具路徑，因?yàn)槿绻窂讲缓侠?，在切削過程中就會引起切削負(fù)荷的突變，從而給零件、機(jī)床和刀具帶來沖擊，破壞加工質(zhì)量、損傷刀具。因此，必須研究適合數(shù)控加工的路徑，將切削過程中切削負(fù)荷的突變降至最低。在具體做刀具軌跡規(guī)劃時，刀具路徑的選擇按以下基本原則進(jìn)行： 1. 開槽插銑加工方法類似于側(cè)銑加工，但二者的進(jìn)刀方式不同。開槽插銑加工是沿著刀軸方向進(jìn)刀，而側(cè)銑加工是垂直于刀軸方向沿著零件表面的切線方向進(jìn)刀，并且插銑單次進(jìn)刀與退刀為同一直線刀軌。 2. 在加工機(jī)匣時，由于機(jī)匣為回轉(zhuǎn)體，為避免刀具在走刀過程中與主體輪轂碰撞，應(yīng)設(shè)立一安全平面，每一段刀具軌跡進(jìn)刀起點(diǎn)和退刀終點(diǎn)必須在安全平面上。如圖4-1所示。 圖4-1 刀具安全平面 4.3刀具軌跡生成 4.3.1 加工環(huán)境設(shè)定 在第一次進(jìn)入UG CAM加工模塊時需要設(shè)定具體工件的加工環(huán)境（以后則不需要）。在此機(jī)匣的加工中，設(shè)定加工環(huán)境為“cam-general” 中的“mill-multi-axis”多軸銑加工。 加工前先確定加工坐標(biāo)系，本文加工中設(shè)定加工坐標(biāo)系與機(jī)匣建模時的工件坐標(biāo)系相重合。 在加工模塊中，主要使用【創(chuàng)建程序】、【創(chuàng)建刀具】、【創(chuàng)建幾何體】、【創(chuàng)建方法】、【創(chuàng)建操作】創(chuàng)建程序節(jié)點(diǎn)組、創(chuàng)建刀具節(jié)點(diǎn)組、創(chuàng)建加工幾何節(jié)點(diǎn)組、創(chuàng)建加工方法節(jié)點(diǎn)組、創(chuàng)建操作等模塊來完成具體零件的加工。 在刀具創(chuàng)建中，可以根據(jù)需要創(chuàng)建5參數(shù)銑刀、7參數(shù)銑刀、10參數(shù)銑刀, 在此機(jī)匣加工中根據(jù)加工工藝要求創(chuàng)建一把直徑12整體硬質(zhì)合金立銑刀，命名為“FR6”。 加工中，創(chuàng)建加工坐標(biāo)系MCS：以零件軸線機(jī)匣大端指向小端的方向?yàn)閅軸正向，以小端上表面為XOZ平面，以原點(diǎn)指向定位孔的方向?yàn)閄軸正向。 4.3.2 刀具軌跡生成 由于插銑時刀具的進(jìn)退刀路徑比較特殊，目前還無法使用UG直接生成，只能結(jié)合UG的加工和建模模塊手工制作出插銑刀軌的實(shí)際曲線，然后根據(jù)這些插銑線編制插銑加工程序。 在插銑線排布過程中，插銑線垂直于機(jī)匣輪轂面，長短由兩條邊界曲線控制。本文規(guī)定沿機(jī)匣軸向的插銑線為列，沿機(jī)匣周向的插銑線為行。行與行的距離控制在3mm左右，列與列的距離控制在6-8個毫米。由于機(jī)匣零件輪轂面為回轉(zhuǎn)體，凸臺沿軸向分布，在加工過程中通常沿機(jī)匣周向劃分若干加工通道，任意兩個插銑線排布相同加工通道的加工程序可循環(huán)使用。插銑的進(jìn)給速度為45mm/min，加工余量為0.7mm,由于刀具的磨損原因，每個程序段的插銑線數(shù)最佳不超過80條。 為便于區(qū)分，將機(jī)匣上的插銑刀具軌跡分為兩部分，一部分為機(jī)匣輪轂的刀具軌跡，一部分為凸臺輪廓的刀具軌跡。 機(jī)匣輪轂刀具軌跡生成： 首先在機(jī)匣輪轂邊做一條平行于機(jī)匣軸向的直線作為接下來創(chuàng)建操作中的驅(qū)動曲線，并保證該直線沿機(jī)匣軸線在機(jī)匣上的投影不會與任一凸臺干涉。在加工環(huán)境中創(chuàng)建兩個操作，采用“VARIABLE-CONTOUR”可變軸曲面輪廓銑加工，驅(qū)動方法選用曲線/點(diǎn)驅(qū)動，刀軸方向選取垂直于工件。分別以機(jī)匣和機(jī)匣毛坯的表面為幾何體，驅(qū)動曲線為剛剛建立的直線，在切削選項(xiàng)中輸入0.7mm的部件余量，選擇“僅線性的”運(yùn)動輸出。生成以上兩個操作得到兩條普通銑削的刀位軌跡。將這兩條刀軌中的刀位點(diǎn)導(dǎo)出，編輯成UG能識別的dat文件，在【樣條】中導(dǎo)入這些刀位點(diǎn)生成兩條一階曲線，從而將兩條刀位軌跡實(shí)體化，如圖4-2。這兩條樣條曲線就是上文提到的插銑線邊界曲線。 圖4-2 刀軌樣條 然后在靠近機(jī)匣的刀軌上每3mm取一個點(diǎn)，每個點(diǎn)處做垂直于機(jī)匣輪轂面的直線，每條直線用三維曲線修剪指令【修剪曲線】截取于兩條刀軌之間，如圖4-3。此處修剪曲線注意應(yīng)采用“最短的3D距離”，因?yàn)楸恍藜糁本€可能與另一刀軌并不相交。選擇非關(guān)聯(lián)輸出，輸出直線替換輸入直線，如圖4-4。 圖4-3 截取曲線 圖4-4 截取曲線設(shè)置 以上得到的兩條刀軌之間的直線段便可作為整個機(jī)匣輪轂面上的插銑線。 為方便加工，將機(jī)匣輪轂面從小端到大端分為四個區(qū)域，方形凸臺所在環(huán)面為第一加工區(qū)域，盾形凸臺所在環(huán)面為第二加工區(qū)域，肋作為第三加工個區(qū)域，梅花凸臺和圓柱凸臺所在環(huán)面為第四加工區(qū)域。然后針對各個區(qū)域，具體規(guī)劃各自的刀位刀軌。 1、第一加工區(qū)域 為了避免加工時刀具與凸臺、凸臺倒圓面發(fā)生干涉，將方形凸臺輪廓線往外偏置9mm，拉伸成片體。選取那些在第一加工區(qū)域上的插銑線，繞機(jī)匣軸線旋轉(zhuǎn)到上一步拉伸成的片體附近，如圖4-5。根據(jù)一次插銑最佳不超過80刀，以圓心角4.5度為一個加工通道將第一加工區(qū)域劃分為80個加工通道。以之前旋轉(zhuǎn)到片體附近的刀軌所在通道為第一加工通道，在第一加工通道中排布三列插銑線，列與列間圓心角1.5度，此處還應(yīng)注意每列刀軌間應(yīng)該加上一條過渡用刀軌，以免刀具切削過載，如圖4-6。編制插銑加工程序時，首先根據(jù)插銑刀的走刀順序?qū)⒌谝患庸ねǖ赖牟邈娋€依次選定，將這些插銑線的信息保存為文本，利用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的一款軟件提取出這些插銑線的坐標(biāo)并編成插銑程序，此程序經(jīng)過后置處理后即可在普通機(jī)床上使用。UG中生成的插銑刀位軌跡如圖4-7。 圖4-5 安全片體 圖4-6 插銑線排布 圖4-7 刀位軌跡 除了與凸臺干涉的加工通道，第一加工區(qū)域的其余加工通道均可循環(huán)使用第一加工通道的刀具軌跡。發(fā)生干涉的通道為兩個方形凸臺所在處（兩凸臺處的刀軌布置一樣，可循環(huán)使用），需要單獨(dú)布置插銑線，插銑線間距與第一通道相同。 2、第二加工區(qū)域 與第一加工區(qū)域刀具線排布方法類似，先將凸臺輪廓偏置9mm生成一個安全片體，再旋轉(zhuǎn)第二加工區(qū)域上的插銑線至安全片體附近，以合理的間隔布置好插銑