數(shù)控加工技術(shù)及應(yīng)用 課件 項(xiàng)目四 零件五軸數(shù)控加工

項(xiàng)目四零件五軸數(shù)控加工任務(wù)一多面體零件的數(shù)控加工任務(wù)二葉輪的數(shù)控加工

任務(wù)一多面體零件的數(shù)控加工

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)(1)掌握五軸數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及分類等;(2)熟練掌握五軸數(shù)控機(jī)床的操作,包含程序輸入、對刀以及自動(dòng)加工等;(3)能編制數(shù)控五軸加工零件的工藝文件;(4)熟練掌握五軸定軸銑(3+2)加工零件編程方法。

技能目標(biāo)

(1)能利用制造工程師軟件編制五軸定軸銑加工零件的加工程序;

(2)能正確對刀并設(shè)置刀具參數(shù);

(3)能操作五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工;

(4)能進(jìn)行機(jī)床日常維護(hù)和保養(yǎng),并有環(huán)保意識和安全意識。

二、工作任務(wù)

(一)多面體零件的三維圖

多面體零件的三維圖如圖41所示。圖41多面體零件三維圖

(二)任務(wù)具體要求

多面體零件單件生產(chǎn),毛坯為200mm×200mm×50mm的長方體,材料為硬鋁(也可不根據(jù)圖上材料要求結(jié)合自己現(xiàn)有的材料進(jìn)行加工)。加工該零件的具體任務(wù)要求為分析零件圖,分析零件結(jié)構(gòu)工藝特征,擬定零件機(jī)械加工工藝方案,編制工藝文件,編寫數(shù)控加工中心加工程序,在五軸數(shù)控機(jī)床上完成零件加工。

三、相關(guān)知識

(一)五軸數(shù)控機(jī)床簡介

1.五軸機(jī)床的分類

五軸機(jī)床一般為在普通三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上附加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。按照旋轉(zhuǎn)軸的類型,五軸機(jī)床可以分為三類:雙轉(zhuǎn)臺五軸、雙擺頭五軸和單擺頭單轉(zhuǎn)臺五軸。旋轉(zhuǎn)軸分為兩種:使主軸方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸稱為擺頭,使裝夾工件的工作臺旋轉(zhuǎn)

的旋轉(zhuǎn)軸稱為轉(zhuǎn)臺。

按照旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)平面分類,五軸機(jī)床可分為正交五軸和非正交五軸。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)平面均為正交面(XY、YZ或XZ平面)的機(jī)床為正交五軸;兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)平面有

一個(gè)或兩個(gè)不是正交面的機(jī)床為非正交五軸。

2.五軸機(jī)床的三種典型結(jié)構(gòu)

1)雙轉(zhuǎn)臺五軸

雙轉(zhuǎn)臺五軸的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均屬轉(zhuǎn)臺類,B軸旋轉(zhuǎn)平面為YZ平平面,C軸旋轉(zhuǎn)平面為XY面。一般兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合為一個(gè)整體構(gòu)成雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)(見圖42),放置在工作臺面上。

特點(diǎn):加工過程中工作臺旋轉(zhuǎn)并擺動(dòng),可加工工件的尺寸受轉(zhuǎn)臺尺寸的限制,適合加工體積小、重量輕的工件;主軸始終為豎直方向,剛性比較好,可以進(jìn)行切削量較大的加工。

圖42雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

2)雙擺頭五軸

雙擺頭五軸的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均屬擺頭類,B軸旋轉(zhuǎn)平面為ZX平面,C軸旋轉(zhuǎn)平面為XY平面。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合為一個(gè)整體構(gòu)成雙擺頭結(jié)構(gòu)(見圖43)。

特點(diǎn):加工過程中工作臺不旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng),工件固定在工作臺上,加工過程中靜止不動(dòng)。適合加工體積大、重量重的工件;但因主軸在加工過程中擺動(dòng),所以剛性較差,加工切削量

較小。

圖43雙擺頭結(jié)構(gòu)示意圖

3)單擺頭單轉(zhuǎn)臺五軸

單擺頭單轉(zhuǎn)臺五軸的旋轉(zhuǎn)軸B為擺頭,旋轉(zhuǎn)平面為ZX平面;旋轉(zhuǎn)軸C為轉(zhuǎn)臺,旋轉(zhuǎn)平面為XY平面。單擺頭單轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)見圖44。

特點(diǎn):加工過程中工作臺只旋轉(zhuǎn)不擺動(dòng),主軸只在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)擺動(dòng),加工特點(diǎn)介于雙轉(zhuǎn)臺和雙擺頭之間。

圖44單擺頭單轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

(二)五軸加工的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

(1)三軸加工的缺點(diǎn):

①刀具長度過長(見圖45),刀具成本過高。

②刀具振動(dòng)引發(fā)表粗糙度問題。

③工序增加,多次裝夾。

④刀具易破損。

⑤刀具數(shù)量增加。

⑥易過切引起不合格工件。

⑦重復(fù)對刀產(chǎn)生累積公差。

圖45三軸加工刀具長度

(2)五軸加工的優(yōu)點(diǎn):

①可有效避免刀具干涉,加工一般三軸數(shù)控機(jī)床所不能加工的復(fù)雜曲面(見圖46)。

②一次裝夾完成可加工出連續(xù)、平滑的自由曲面(五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)如圖47所示)。

③五軸加工時(shí)使刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài),避免了刀具(刀尖點(diǎn))零線速度加工帶來的切削效率極低、加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化等問題。

④提高表面質(zhì)量對于直紋面零件,可采用側(cè)銑方式一刀成型。

圖46五軸加工刀具長度

圖47五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)

⑤對一般立體型面特別是較為平坦的大型表面,可用大直徑面銑刀端面貼近表面進(jìn)行加工。

⑥在某些加工場合,可采用較大尺寸的刀具避開干涉進(jìn)行加工。

⑦可使用較短的切削刀具。

⑧符合工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工的機(jī)床發(fā)展方向,并且能獲得更高的加工精度、質(zhì)量和效率。

(3)五軸加工主要應(yīng)用的領(lǐng)域:航空、造船、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)、模具。

(4)應(yīng)用五軸加工的典型零件:葉輪、渦輪、蝸桿、螺旋槳、鞋模、立體公、人體模型、汽車配件以及其他精密零件。

(三)五軸數(shù)控加工難點(diǎn)

(1)編程復(fù)雜、難度大、對使用者的CAM軟件應(yīng)用水平要求高。

(2)熟悉機(jī)床結(jié)構(gòu)及后處理,需要采用輔助的加工仿真優(yōu)化軟件。

(3)數(shù)控系統(tǒng)多采用Siemens840D和HeidenhainiTNC530等高檔數(shù)控系統(tǒng),需要全面掌握數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

(4)五軸加工和高速加工緊密結(jié)合。

①高速電主軸在模具自由曲面和復(fù)雜輪廓的加工中,常常采用2~12mm較小直徑的立銑刀,而在加工銅或石墨材料的電火花加工用的電極時(shí),要求有很高的切削速度,因此,電主軸必須具有很高的轉(zhuǎn)速。

②高速加工中心或銑床上多數(shù)還是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠來驅(qū)動(dòng)直線坐標(biāo)軸,但部分加工中心已采用直線電機(jī),這種直線驅(qū)動(dòng)免去了將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)元件,從而可顯著提高軸的動(dòng)態(tài)性能、移動(dòng)速度和加工精度。

③轉(zhuǎn)矩電機(jī)的應(yīng)用。在高速加工中心上,回轉(zhuǎn)工作臺的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng),已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī),其轉(zhuǎn)子直接固定在

所要驅(qū)動(dòng)的部件上,所以沒有機(jī)械傳動(dòng)元件,它像直線電機(jī)一樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高6倍,在擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到3g。

(四)DMU80monoBLOCK五軸鏜銑加工中心簡介

DMU80monoBLOCK五軸鏜銑加工機(jī)床如圖48所示。圖48機(jī)床外觀

1.技術(shù)參數(shù)

DMU80monoBLOCK五軸鏜銑加工中心技術(shù)參數(shù)如下:

(1)行程:X=880mm,Y=630mm,Z=630mm;

(2)電主軸,HSK63刀柄;

(3)主軸轉(zhuǎn)速20~18000r/min;

(4)主軸功率35/25kW(40%/100%),扭矩119/85N·m(40%/100%);

(5)擺動(dòng)主軸B軸,擺動(dòng)范圍-120°~+30°,擺動(dòng)速度35r/min,定位精度P=9arcs,Ps=6arcs;

(6)工作臺,回轉(zhuǎn)C軸。C軸回轉(zhuǎn)工作臺直徑700mm,360°回轉(zhuǎn)。最大承重650kg,工作臺轉(zhuǎn)速30r/min,旋轉(zhuǎn)精度P=10arcs,Ps=6arcs;

(7)最大刀具長度315mm,最大刀具直徑130mm,最大刀具重量8kg;

(8)最大可加工的工件尺寸:直徑=950mm,高度=780mm;

(9)直線軸(X、Y、Z)快移速度:30m/min;

(10)直線軸(X、Y、Z)最大進(jìn)給速度:30000mm/min;

(11)定位精度:Pmax=0.006mm,重復(fù)定位精度:Psmax=0.004mm;

(12)三維海德漢iTNC530控制系統(tǒng),19″TFT彩色顯示器,帶SmartKey智能鑰匙,處理器PentiumIII或兼容,800MHz/512Kbyte,硬盤80G,具有電子手輪;

(13)具有紅外測頭,具有3D快速調(diào)整包以便快速恢復(fù)精度設(shè)置;

(14)具有ATC功能,即加工任務(wù)快速編程參數(shù)選擇,可根據(jù)實(shí)際加工階段需要在精度、表面質(zhì)量和加工速度之間快速切換;

(15)32刀位刀庫;

(16)具有冷卻噴槍;

(17)具有電壓安全包;

(18)4色信號燈。

2.操作臺

顯示器及操作面板如圖49所示。

圖49顯示器及操作面板

3.顯示屏

顯示屏如圖410所示。圖410顯示屏

4.數(shù)控系統(tǒng)操作區(qū)

(1)數(shù)字鍵區(qū)。

(2)程序/文件管理,TNC功能。

(3)軌跡運(yùn)動(dòng)的編程。

(4)smarT.NC的導(dǎo)航鍵。

(5)刀具的說明。

(6)循環(huán)、子程序和程序段。

(7)特殊功能。

觸摸板如圖411所示。

圖411觸摸板

5.機(jī)床功能操作區(qū)

(1)機(jī)床運(yùn)行方式。

(2)編輯員運(yùn)行方式。

(3)軸運(yùn)動(dòng)鍵。

(4)功能鍵。

(5)主軸鍵。

6.確認(rèn)鍵

確認(rèn)鍵及SmartKey如圖412所示。圖412確認(rèn)鍵及SmartKey

7.顯示屏上部

顯示器側(cè)邊欄如圖413所示。圖413顯示器側(cè)邊欄

(1)顯示窗口。通過ErgoLine機(jī)床控制面板左上方的三個(gè)鍵可以在兩個(gè)顯示窗口之間切換,并可以在窗口中選擇不同的顯示畫面。

(2)顯示畫面的類型。

①SmartKey

狀態(tài),如圖414所示。

圖414SmartKey狀態(tài)

②主軸信息,如圖415所示。圖415主軸信息

③問候畫面,如圖416所示。圖416問候畫面

8.運(yùn)行方式選擇開關(guān)SmartKe

9.紅外線探頭

紅外線探頭如圖417所示。圖417紅外線探頭

(四)DMU80monoBLOCK五軸鏜銑加工中心操作

1.開機(jī)

2.關(guān)機(jī)

3.建立工件坐標(biāo)系(即對刀)

1)創(chuàng)建刀具

將標(biāo)準(zhǔn)刀信息輸入到刀具表相關(guān)位置,創(chuàng)建該刀具,并將標(biāo)準(zhǔn)刀裝入刀庫。

利用相同的方式創(chuàng)建探頭,并裝入刀庫。需要注意的是探頭長度和直徑先設(shè)定為零,將刀具參數(shù)中對應(yīng)的PLC參數(shù)設(shè)置為“00010100”。

2)探頭長度及半徑校正

(1)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)刀,設(shè)定工件坐標(biāo)系C為0,利用標(biāo)準(zhǔn)刀及標(biāo)準(zhǔn)量塊標(biāo)定工作臺上表面坐標(biāo)為0。

(2)調(diào)出探頭,并在MDI方式下執(zhí)行M27指令。

(3)用千分表測探頭調(diào)動(dòng),如跳動(dòng)超多5μm,則需要調(diào)整探頭,如未超過5μm,說明探頭可用。

(4)取下千分表,將探頭移動(dòng)到距離工作臺上表面(注意探頭正對工作臺的地方應(yīng)為平面)20~50mm處。依次點(diǎn)擊

即可測出探頭長度,將測出的探頭長度設(shè)定到刀具表中探頭對應(yīng)的刀長位置處。將工作臺下降至安全高度。

(5)將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)放到工作臺上表面,并將探頭移動(dòng)至環(huán)規(guī)中央,探頭高度低于環(huán)規(guī)上表面即可。依次點(diǎn)擊

即可測出探頭直徑,將探頭的半徑設(shè)定到刀具表中探頭對應(yīng)的刀具半徑位置處。將工作臺下降至安全高度,并取下環(huán)規(guī)。

(6)在MDI方式下再次調(diào)用探頭。

3)Z軸及回轉(zhuǎn)中心校正

(1)熱機(jī)30min以上,X、Y、Z、B、C軸都要移動(dòng),主軸旋轉(zhuǎn)速度可控制在500r/min以下。

(2)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)刀,設(shè)定工件坐標(biāo)系C為0,利用標(biāo)準(zhǔn)刀及標(biāo)準(zhǔn)量塊(也可用Z軸設(shè)定器等)標(biāo)定工作臺上表面Z坐標(biāo)為0。當(dāng)工作臺上表面已經(jīng)標(biāo)定Z0時(shí),可不需進(jìn)行此步。

(3)將標(biāo)定好的探頭移動(dòng)至工作臺上表面30~50mm處,關(guān)上加工間門。

(4)進(jìn)入MDI界面,點(diǎn)擊并點(diǎn)擊擴(kuò)展鍵依次點(diǎn)擊系統(tǒng)彈出“389”循環(huán)。

(5)Z軸校正。

(6)C軸回轉(zhuǎn)中心校正。將測量鋼球裝入45°斜孔中,底座放置在工作臺行程范圍內(nèi),球的朝向?yàn)閄軸負(fù)向,將探頭移動(dòng)至鋼球正上方20~50mm處,如圖418所示。圖4183Dquickset

(7)B軸回轉(zhuǎn)中心校正。

4)對刀

四、任務(wù)實(shí)施

(一)多面體零件數(shù)控加工工藝文件編制

1.編制工序卡

編制多面體零件機(jī)械加工工藝過程卡,如表41所示。

2.編制數(shù)控刀具調(diào)整卡

編制多面體零件數(shù)控加工刀具調(diào)整卡,如表42所示。

3.編制數(shù)控銑削加工工序卡

編制多面體零件數(shù)控銑削加工工序卡,如表43所示。

(二)利用制造工程師2013構(gòu)建多面體零件的3D模型

多面體線框的繪制步驟如下:

(1)單擊曲線工具中的“矩形”按鈕,在界面左側(cè)的立即菜單中選擇“中心_長_寬”方式,輸入長度為200,寬度為200,光標(biāo)分別拾取坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)為(0,0,-100)的點(diǎn),繪制兩個(gè)200×200的矩形,如圖419所示。

圖419繪制矩形

(2)單擊曲線工具欄中的“等距線”按鈕,在立即菜單中輸入距離為50,拾取上面矩形最左邊的一條邊,選擇X正方向箭頭為等距方向,生成距離為50的等距線,如圖420所示。圖420繪制等距線

(3)單擊曲線工具欄中的“直線”按鈕,選擇“兩點(diǎn)線”?“單個(gè)”?“非正交”,按圖421所示進(jìn)行連接,其中A、B、C三點(diǎn)為直線的中點(diǎn)。圖421連線

(4)單擊曲線工具欄中的刪除按鈕,刪除沒用的線。剩余曲線如圖422所示。圖422刪除多余線段

(5)利用兩相交直線L1和L2、L3和L4分別創(chuàng)建坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2,如圖423所示。圖423創(chuàng)建坐標(biāo)系

(6)單擊曲線工具欄中的刪除按鈕,刪除沒用的線。剩余曲線如圖424所示。圖424刪除多余曲線

(7)單擊曲面生成工具欄中的直紋面按鈕,按照圖425所示生成三個(gè)直紋面。圖425生成直紋面

(8)激活系統(tǒng)坐標(biāo)系,以XY平面為草繪平面,繪制一個(gè)200mm×200mm的矩形,沿Z的負(fù)方向拉伸130mm后形成一個(gè)立方體,然后利用“曲面裁剪除料”的方式去除多余實(shí)體,最后刪除三個(gè)直紋面,結(jié)果如圖426所示。

圖426生成多面體

(9)選擇坐標(biāo)系1的XY平面作為草繪平面,繪制一個(gè)50mm×50mm的矩形,并倒角,倒角半徑為15(倒角后要在倒角圓弧中點(diǎn)處進(jìn)行打斷處理),定位位置在坐標(biāo)系1中的坐標(biāo)值為(0,45,0),結(jié)果如圖427所示。

圖427放樣體底面草圖

(10)用坐標(biāo)系1的XY平面作為基準(zhǔn),沿坐標(biāo)系1的Z軸方向做一個(gè)距離為30的基準(zhǔn)面。以該基準(zhǔn)面為草繪平面繪制一個(gè)?30的圓,圓心位置在坐標(biāo)系1中的坐標(biāo)值為(0,45,30)(注意:圓要進(jìn)行打斷處理),結(jié)果如圖428所示。圖428放樣體頂面草圖

(11)單擊放樣增料按鈕,依次選擇圓形和四邊形兩個(gè)草圖,生成放樣體后在放樣體和斜面之間進(jìn)行R4倒角處理,結(jié)果如圖429所示。圖429生成放樣體

(12)以坐標(biāo)系2的XY平面作為草繪平面,繪制一個(gè)半徑為30的半圓,半圓的定位位置在坐標(biāo)系2的坐標(biāo)值為(0,45,0)。利用旋轉(zhuǎn)除料的方式得出半圓形凹槽,如圖430所示。圖430生成半圓槽

(13)可自己定義在斜面上刻字的內(nèi)容和位置,如圖431所示。圖431文字生成

(三)編寫多面體零件的加工程序

定軸銑的零件在編程過程中如果存在輔助坐標(biāo)系,就可以采用三軸的策略進(jìn)行加工,所以采用三軸加工策略的某些過程就可以省略。

毛坯設(shè)定為200mm×200mm×130mm的長方體。

1.含放樣體斜面加工

激活坐標(biāo)系1。采用等高線粗加工、平面精加工和等高精加工可以實(shí)現(xiàn)含放樣體斜面的加工,邊界選擇三角形斜面的三個(gè)邊,如圖432~圖435所示。

圖432等高線粗加工

圖433平面精加工

圖434等高精加工

圖435實(shí)體仿真

2.含圓槽斜面及圓槽加工

隱藏含放樣體斜面加工中得到的走刀路線,并激活坐標(biāo)系2。采用等高線粗加工、平面精加工和等高精加工可以實(shí)現(xiàn)含圓槽斜面及圓槽的加工,邊界選擇三角形斜面的三個(gè)邊,

如圖436~圖439所示。

圖436等高線粗加工

圖437平面精加工

圖438等高線精加工

圖439實(shí)體仿真

3.帶字斜面加工及刻字

在帶字斜面上創(chuàng)建坐標(biāo)系3。采用等高線粗加工和平面精加工完成斜面加工,采用多軸加工中的“單線體刻字”完成刻字加工,如圖440~圖443所示。

圖440等高線粗加工

圖441平面精加工

圖442單線體刻字

圖443實(shí)體仿真

4.后置處理生成加工程序

根據(jù)自己需要選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)生成加工程序。需要注意的是,一定要設(shè)置五軸定向銑選項(xiàng),如圖444所示。生成的加工程序如圖445所示。

圖444定向銑選項(xiàng)

圖445加工程序

(四)程序傳輸

五、知識拓展

(一)DMU80五軸鏜銑加工中心凸臺類零件程序編制及模擬加工

凸臺類零件圖如圖446所示。

圖446凸臺類零件圖

1.程序編制

2.模擬加工

模擬加工結(jié)果如圖447所示。

圖447模擬加工

(二)DMU80五軸鏜銑加工中心凹槽類零件程序編制及模擬加工

凹槽類零件圖如圖448所示。

圖448凹槽類零件圖

1.程序編制

2.模擬加工

模擬加工結(jié)果如圖449所示。

圖449模擬加工

能力測試

完成如圖450所示零件的實(shí)體造型、自動(dòng)編程及數(shù)控加工。

圖450零件圖

任務(wù)小結(jié)

本項(xiàng)目主要介紹了多面體零件加工所要做的工作和需要學(xué)習(xí)的知識。重點(diǎn)內(nèi)容為五軸數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、分類、操作(對刀是重點(diǎn))以及五軸加工零件的工藝編制及編程。遇

到零件首先應(yīng)做好工藝,根據(jù)要求判斷哪部分適合五軸機(jī)床加工,哪部分不需要五軸機(jī)床加工,以免造成零件成本的提高。其次在用CAXA制造工程師做五軸定軸銑加工的過程中,輔助坐標(biāo)系可以極大地降低編程的難度。輔助坐標(biāo)系只是起到一個(gè)輔助的作用(主要考慮的是Z軸的方向,輔助坐標(biāo)系對于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置、X軸和Y軸的方向沒有影響)。

任務(wù)二葉輪的數(shù)控加工

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)(1)掌握高速切削的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等;(2)掌握高速加工編程與普通加工編程的區(qū)別;(3)熟練掌握葉輪的編程方法;(4)掌握葉輪零件編程參數(shù)的設(shè)置。

技能目標(biāo)

(1)能編制葉輪加工工藝文件并用CAXA制造工程師編制葉輪加工程序;

(2)能正確對刀并設(shè)置刀具參數(shù);

(3)能操作五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工。

二、工作任務(wù)

葉輪既指裝有動(dòng)葉的輪盤(沖動(dòng)式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的組成部分),又指輪盤與安裝其上的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的總稱。整體葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大,它的加工成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是由于整體葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其數(shù)控加工技術(shù)一直是制造行業(yè)的難點(diǎn)。

(一)葉輪的三維圖

葉輪的三維圖如圖451所示。圖451葉輪三維圖

注:①毛坯為?60×62.5,為了方便加工,已在車床上加工出如圖452所示的形狀。

②材料為硬鋁。圖452加工中心已加工出的毛坯形狀

(二)任務(wù)具體要求

葉輪為單件生產(chǎn),毛坯已提前加工好,材料為2A12硬鋁(也可不根據(jù)圖上材料要求結(jié)合自己現(xiàn)有的材料進(jìn)行加工)。加工該零件的具體任務(wù)要求為分析零件圖和零件結(jié)構(gòu)工藝特征,擬定零件機(jī)械加工工藝方案,編制工藝文件,編寫數(shù)控加工中心加工程序,在五軸數(shù)控機(jī)床上完成零件加工。

三、相關(guān)知識

(一)高速加工技術(shù)簡介

1.高速切削技術(shù)簡介

高速切削理論是1931年4月德國物理學(xué)家Carl.J.Salomon提出的。他指出,在常規(guī)切削速度范圍內(nèi),切削溫度隨著切削速度的提高而升高,但切削速度提高到一定值后,切削溫度不但不再升高反會(huì)降低(見圖453),且該切削速度值與工件材料的種類有關(guān)(見圖4

54)。

圖453切削速度和切削溫度的變化關(guān)系

圖454Salomon切削溫度與切削速度曲線

自20世紀(jì)后期以來,關(guān)于界定高速切削,國際上有以下幾種說法:

(1)1978年,國際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)切削委員會(huì)提出當(dāng)切削線速度達(dá)到500~7000m/min的加工為高速切削。

(2)對銑削加工而言,主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到8000r/min以上為高速切削加工。

(3)德國達(dá)姆施達(dá)特(Darmstadt)工業(yè)大學(xué)以速度高于5~10倍普通切削速度的切削加工為高速切削。

(4)依照主軸設(shè)計(jì)的觀點(diǎn),以沿用多年的DN值(主軸軸承孔直徑D與主軸最大轉(zhuǎn)速N的乘積)來定義高速切削加工。當(dāng)DN值達(dá)到(5~2000)×105mm·r/min時(shí)為高速切削加工。

高速切削技術(shù)是在機(jī)床結(jié)構(gòu)及材料、機(jī)床設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、高速主軸系統(tǒng)、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC系統(tǒng)、高性能刀夾系統(tǒng)、高性能刀具材料及刀具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高效高精度測量測試技術(shù)、高速切削機(jī)理、高速切削工藝等諸多相關(guān)硬件和軟件技術(shù)均得到充分發(fā)展的基礎(chǔ)上綜合而成的。因此,高速切削技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

2.高速與超高速切削的特點(diǎn)

高速與超高速切削的特點(diǎn)可歸納如下:

(1)隨著切削速度的提高,單位時(shí)間內(nèi)材料切除率增加,切削加工時(shí)間減少,切削效率提高3~5倍。加工成本可降低20%~40%。

(2)在高速切削速度范圍,隨著切削速度的進(jìn)步,切削力隨之減小,根據(jù)切削速度進(jìn)步的幅度,切削力可減少30%以上,有利于對剛性較差和薄壁零件的加工。切削力的來源及分解如圖455所示。

圖455切削力的來源及分解

(3)從動(dòng)力學(xué)的角度分析,高速切削加工過程中,隨切削速度的進(jìn)步使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床低階固有頻率,從而可減輕或消除振動(dòng)。故高速切削加工可降低已加工表面粗糙度,提高加工質(zhì)量。切削速度與表面粗糙度的關(guān)系如圖456所示。

圖456切削速度與表面粗糙度的關(guān)系

(4)高速切削加工可加工硬度HRC45~65的淬硬鋼,實(shí)現(xiàn)以切代磨。

(5)高速切削加工時(shí),切屑以很高的速度排出,切削熱大部分被切屑帶走,切削速度提高愈大,帶走的熱量愈多,傳給工件的熱量大幅度減少,工件整體溫升較低,工件的熱變形相對較小。因此,有利于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形,提高加工精度,適合于熱敏感材料的加工。

(二)高速加工編程對CAM編程軟件的功能要求

高速銑削加工對數(shù)控編程系統(tǒng)的要求越來越高,價(jià)格昂貴的高速加工設(shè)備對軟件提出了更高的安全性和有效性要求。高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求,除了要有高速切削機(jī)床和高速切削刀具外,具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。

下面以三點(diǎn)為例作簡單介紹。

1)較高的計(jì)算編程速度

2)全程自動(dòng)防過切處理能力及自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查能力

3)豐富的高速切削刀具軌跡編輯優(yōu)化功能

CAM軟件在生成刀具軌跡方面應(yīng)具備以下功能:

(1)應(yīng)避免刀具軌跡中走刀方向的突然變化,以免因局部過切而造成刀具或設(shè)備的損壞。

(2)應(yīng)保持刀具軌跡的平穩(wěn),避免突然加速或減速。

(3)下刀或行間過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀,避免垂直下刀直接接近工件材料。

(4)殘余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段,一般應(yīng)采用多次加工或采用系列刀具從大到小分次加工,避免用小刀一次加工完成,還應(yīng)避免全切削刀切削。

(5)刀具軌跡編輯優(yōu)化功能非常重要,為避免多余空刀,可通過對刀具軌跡的鏡像、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等操作,避免重復(fù)計(jì)算。

(6)刀具軌跡裁剪修復(fù)功能也很重要,可通過精確裁剪減少空刀,提高效率,也可用零件局部變化時(shí)的編程,此時(shí)只需修改變化的部分,無須對整個(gè)模型重編。

(7)可提供優(yōu)秀的可視化仿真加工模擬與過切檢查,如Vericut軟件就能很好地檢測干涉。

高速切削編程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次,要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn),這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;最后,要盡量使刀具載荷均勻,這會(huì)直接影響刀具的壽命。

(三)RTCP和RPCP簡介

RTCP(RotaryToolControlPoint)是五軸機(jī)床按照刀具旋轉(zhuǎn)中心編程的簡稱。在非RTCP模式下編程,要求機(jī)床的轉(zhuǎn)軸中心長度正好等于書寫程序時(shí)所考慮的數(shù)值,任何修改都要求重新書寫程序。如果啟用RTCP功能后,控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并保持刀具中心始終在編程的XYZ位置上,轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)都會(huì)被XYZ坐標(biāo)的一個(gè)直線位置所補(bǔ)償。相對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)而言,一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起刀具中心的位移,而對帶有RTCP功能的數(shù)控系統(tǒng)而言,可以對刀具中心的軌跡直接編程,而不用考慮樞軸的中心距。這個(gè)樞軸中心距是獨(dú)立于編程的,是在執(zhí)行程序前由顯示終端輸入的,與程序無關(guān),如圖457所示。非RTCP和RTCP樞軸及刀心軌跡對比如圖458所示。

圖457樞軸中心及刀具長度

圖458非RTCP和RTCP樞軸及刀心軌跡對比

RPCP(RotaryPartControlPoint)是五軸機(jī)床按照工件旋轉(zhuǎn)中心編程的簡稱。不同的是該功能是補(bǔ)償工件旋轉(zhuǎn)所造成的平動(dòng)坐標(biāo)的變化。非RPCP和RPCP樞軸及刀心軌跡對比如圖459所示。

圖459非RPCP和RPCP樞軸及刀心軌跡對比

四、任務(wù)實(shí)施

(一)葉輪數(shù)控加工工藝文件編制

1.編制機(jī)械加工工藝過程卡

編制葉輪機(jī)械加工工藝過程卡,如表44所示。

2.編制數(shù)控刀具調(diào)整卡

編制葉輪零件數(shù)控加工刀具調(diào)整卡,如表45所示。

3.編制數(shù)控銑削加工工序卡

編制平面零件數(shù)控銑削加工工序卡,如表46所示。

(二)利用制造工程師2013構(gòu)建葉輪的3D模型

1.半橢圓的線架構(gòu)成

首先在桌面上新建一個(gè)記事本文件,按照如圖460所示的內(nèi)容輸入空間點(diǎn)坐標(biāo)。保存后,將其后綴名改為“.dat”的格式。單擊主菜單中的“打開”菜單,選擇dat數(shù)據(jù)文件,如圖461所示。

圖460葉片邊界點(diǎn)坐標(biāo)

圖461選擇葉片邊界點(diǎn)坐標(biāo)文件

打開文件后就能看到四條空間曲線,如圖462所示。圖462葉片邊界曲線

單擊曲線工具欄中的“直線”按鈕,選擇“正交”中的“長度方式”,長度設(shè)置為“50”,如圖463所示。點(diǎn)擊坐標(biāo)原點(diǎn),得到如圖464所示的圖形。

圖463兩點(diǎn)線設(shè)置

圖464中心線

單擊曲線工具欄中的“直線”按鈕,選擇“非正交”,連接點(diǎn)AE與BF,如圖465所示。圖465直線連接

2.葉輪曲面造型生成

單擊曲面工具欄中的“直紋面”按鈕,選擇“曲線+曲線”的方式,如圖466所示。按照軟件提示拾取曲線,生成直紋面,如圖467所示。圖466直紋面生成方式

圖467生成直紋面

單擊曲面工具欄中的“旋轉(zhuǎn)面”按鈕,選擇起始角為“0”,終止角為“360”,如圖468所示。按照軟件提示拾取旋轉(zhuǎn)軸直線和母線,生成旋轉(zhuǎn)面,如圖469所示。圖468旋轉(zhuǎn)面角度設(shè)置

圖469生成旋轉(zhuǎn)面

按F9鍵切換到xoy平面,點(diǎn)擊幾何變換欄中的“陣列”按鈕,選擇“圓形”?“均布”,份數(shù)為“8”,如圖470所示。按照軟件提示拾取葉片上的全部曲面后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,輸入的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),完成后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵即可,結(jié)果如圖471所示。

圖470圓形陣列設(shè)置

圖471葉片陣列

單擊曲線工具欄中的“相關(guān)線”按鈕,選擇“曲面邊界線”中的“全部”,如圖472所示。按軟件提示選擇藍(lán)色曲面得到頂端和底端圓形曲線。圖472相關(guān)線設(shè)置

單擊曲線工具欄中的“整圓”按鈕,選擇“圓心_半徑”,如圖473所示。按軟件提示,以頂端圓形曲線的圓心為圓心,繪制半徑為“8”的圓,如圖474所示。圖473圓生成方式

圖474生成圓

單擊曲面工具欄中的“直紋面”按鈕,選擇“曲線+曲線”的方式,按照軟件提示拾取曲線,生成直紋面,如圖475所示。圖475生成直紋面

單擊曲面工具欄中的“掃描面”按鈕,起始距離為“0”,掃描距離為“30”,掃描角度為“0”,掃描精度為“0.01”,如圖476所示。按軟件提示操作,按空格鍵選擇掃描方向?yàn)椤癦軸負(fù)方向”,拾取要掃描的曲線,完成掃描面,如圖477所示。

圖476掃描面參數(shù)設(shè)置

圖477掃描面

單擊曲線工具欄中的“整圓”按鈕,選擇“圓心_半徑”,按軟件提示,以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心,繪制半徑為“8”的圓,如圖4

78所示。圖478繪制圓

單擊曲面工具欄中的“直紋面”按鈕,選擇“曲線+曲線”的方式,按照軟件提示拾取曲線,生成直紋面,如圖479所示。圖479生成直紋面

單擊曲面工具欄中的“直紋面”按鈕,選擇“點(diǎn)+曲線”的方式,按照軟件提示拾取中心點(diǎn)與外輪廓線后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,生成頂面,如圖480所示。

圖480生成頂面

(三)編寫葉輪的加工程序

1.葉輪粗加工