范文一：复杂曲面的数控加工技术探讨

复杂曲面的数控加工技术探讨

摘要 :复杂曲面的数控加工技术是我国一直需要进行充分利用的重要部分, 其对实现曲面加工,解决复杂零件问题以及促进高速数控加工的完善具有的作 用。 本文分析复杂曲面的数控加工技术存在的问题, 并且找出针对性的经济方法, 同时了解复杂曲面的数控加工技术的发展趋势, 可以有效提高复杂曲面数控加工 技术的实用性,这可以为人们探究复杂曲面的数控加工技术提供有效的借鉴。

关键词 :复杂曲面;数控加工;数控编程;高速切削

我国的复杂曲面的数控加工技术出现的时间较晚, 但是在应用于复杂曲面进 行切削的时候, 加工速度快、 操作效率高以及切削质量好等特点。 随着复杂曲面 的数控加工技术的发展,我国在进行复杂曲面加工方面取得较大的突破。

1复杂曲面的数控加工技术分析

依据目前的技术, 足以完成三坐标加工, 其具有较高的工作效率。 但是由于 进行曲面加工需要严格控制刀具的路径和数据的选择, 因此进行探究的曲面加工 的时候, 需要着重分析这两方面, 同时在进行三轴加工的时候, 需要对加工的特 点和刀具的使用方法进行注意 [1]。

1.1复杂曲面的数控加工的几何模型

1.1.1曲面造型技术

由于曲面造型技术的作用在于解决多边形的复杂零件进行切割的问题以及 决定在切割的过程中所运用的工具。 现在应对曲线曲面以已经具有完善的解决方 法,可以有效提高进行曲面加工的效率。

1.2刀具的使用方法

1.2.1具体参数的选择方法

由于数控加工的效果与刀具的选择和数值的择取具有密切的关系, 尤其是在 刀具的使用速度、切削的方法、走刀的效果等方面。为了使这些因素更加完善, 需要对刀具的切削的速度、受力情况以及机床的运行情况进行注意。

1.2.2数控加工刀具轨迹生成方法

(1)平面及轮廓加工

在日常工作进行加工凹槽的方法有环切法与行切法。 在一般情况下, 环切法 的所需要建立的路线要比行切法要短。 而且因为在应用行切法的时候, 刀具所要

范文二：复杂曲面的数控加工工艺

1 复杂曲面的数控加工工艺

摘 要

回转体零件是一种典型轴类零件，其加工工艺规程和程序编制具有典型性。该轴类零件复杂曲面的结构清晰，零件多为配合件。在加工过程中，采用CAD/CAM设计的加工路线，保证工件的定位基准统一、定位准确。为了消除切削力、夹紧力、切削热和因粗加工所造成的内应力对加工精度的影响，整个工艺过程分为粗加工、残留区域加工和精加工三个阶段。通过对被加工零件的分析，完成机械加工工艺的设计，加工工艺卡的制定及利用CAD/CAM软件导出数控机床的加工程序。根据轴类零件的结构及其功能，运用数控加工的专业知识完成了回转体零件的加工。

关键词:回转体，曲面，工艺，加工程序。

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2 复杂曲面的数控加工工艺

目 录

第一章 绪论 ??????????????????????????????3 第二章 分析零件图形

2.1 轴类配合零件的功用和结构特点???????????????????4

2.2 对一般轴类配合件复杂曲面的的图样分析???????????????4

2.3 轴类配合件的工艺分析???????????????????????5 第三章 零件的加工工艺

3.1 确定工艺基准???????????????????????????6

3.2 夹具设计、加工顺序及定位装夹???????????????????6

3.3 刀具材料?????????????????????????????8

3.4 切削用量?????????????????????????????8

3.5 加工工序卡????????????????????????????9

3.6 行距的影响因素??????????????????????????12

3.7 走刀路线的选择??????????????????????????13 第四章 进刀与退刀的工艺规则

4.1 倾斜进刀类型???????????????????????????15

4.2 刀具转移方法???????????????????????????16

4.3 高速切削?????????????????????????????16

4.4 粗加工??????????????????????????????16

4.5 残留区域加工工艺?????????????????????????17

4.6 精加工??????????????????????????????17 第五章 零件CAD/CAM的设计

5.1 曲面加工的工艺方法????????????????????????19

5.2 切削用量的选择??????????????????????????19

5.3 刀具的选择????????????????????????????20

5.4 走刀路径的选择??????????????????????????20 结束语 ?????????????????????????????????24 参考文献 ????????????????????????????????25 致谢 ??????????????????????????????????26

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3 复杂曲面的数控加工工艺

第一章 绪 论

一、课题背景

毕业设计是我们在学校完成的最后一科作业，也是对自己在大学四年所学知识的一个全面的检验。

本课题来自于实际的生产中，是一个典型箱体的加工工艺设计及夹具设计。本课题的题目是:回转体零件的加工工艺及编程。在毕业设计中要求我们要运用所学的专业知识解决实际问题，同时学会收集资料和查阅资料的能力，培养培养独立的思考能力。

二、制订工艺规程的意义与作用及其基本要求

机械加工工艺过程是机械加工生产过程的一部分，是直接的生产过程。它是用金属切削刀具或者磨料工具加工零件，使零件达到要求的形状、尺寸和表面粗糙度的理论要求。

因此机械制造加工工艺主要是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理机械性质，成为具有所需的一定精度、粗糙度等的零件。对于加工工艺的编制主要是对其加工工序的确定。

对机械加工工艺规程的基本要求可以总结为质量、生产率和经济性三个方面。这三者虽然有时候有矛盾，但是要把它们协调处理好，就成为一个整体。在编制工艺规程的时候要在保证质量要求的前提下，尽可能的降低成本。因此，好的工艺规程应该是质量、生产率和经济性的统一表现。

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第二章、分析零件图形

2.1 轴类配合零件的功用和结构特点

轴类配合零件是机器或部件的基础零件，它将机器或部件中的轴、套、齿轮等有关零件组装成一个整体，使它们之间保持正确的相互位置，并按照一定的传动关系协调地传递运动或动力，因此，配合件的加工质量将直接影响机器或部件的精度、性能和寿命。虽然配合零件的结构形式不同，但她们都有一个共同的加工特点:分别制造，便于加工和装配; 形状复杂、壁薄且不均匀，内部呈腔形，加工部位多，加工难度大。因此，一般中型机床制造厂用于轴类配合零件的机械加工劳动量约占整个产品加工量的15%~20%。 2.2 对一般轴类配合件复杂曲面的的图样分析

一般轴类配合件如图1:

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5 复杂曲面的数控加工工艺

轴类配合件的工艺分析 2.3

轴类配合件件1 和件2 ,材料为45钢,经调质处理,件1 毛坯尺寸为130mm ×60mm ,件2 毛坯尺寸为100mm ×60mm ,零件图如图1 所示。根据零件图,进行认真分析,了解零件的材料、毛坯大小、加工性能;了解零件的几何尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度及热处理等技术要求。该零件加工部位主要包括件1 的外轮廓(部分椭圆、一个锥度接圆弧及若干外倒角) ,件2 的外轮廓(多圆弧相接) 、内孔(台阶孔、内螺纹、锥度接圆弧孔及内倒角) 。

如图1 可知,必须安排件2 固定在件1 右侧, 完成件2 的外轮廓的加工。因此在件1 右侧进行< 26mm="" 外圆加工之前需先加工m="" 30mm="" ×115mm="">< 31mm="" 的孔与外圆的配合及m="" 30mm="" ×115mm="" 螺纹的固定,实现件2="" 的准确定位,完成件2外轮廓的加工;同时保证了两零件r="" 10mm="" 圆弧部分同轴度的要求。件1="" 轴的外圆与件2="" 孔的配合部分(="">< 31mm="">< 32mm="" 的外圆和孔)="" ,分别为做到负公差与正公差,满足配合要求。此外件1="" 长度要求为120mm="" ,件2="" 长度要求为60mm。="">

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6 复杂曲面的数控加工工艺

第三章 零件的技术分析

3.1 确定工艺基准。

该组零件为回转体零件,用数控车床进行加工,适合采用三爪卡盘装夹,为减小跳动,在实际加工前,必须对三爪进行调整,另外在每次装夹前需用气枪清理卡盘内残留铁屑。为保证同轴度,在装夹两工件前必须先粗车两工件外圆;此外件1 左侧部分的加工应以< 31mm外圆为基准,="">< 31mm="" 外圆旁的台阶面紧贴卡盘左端面定位;件2="">< 31mm="" 内孔为基准,配合件1="">< 31mm="" 外圆及台阶面定位,同时借助于m="" 30mm="" ×1.="" 5mm="" 螺纹固定。="" 3.2="" 夹具设计、加工顺序及定位装夹。="">

首先在设计夹具的过程中，主要要考虑的问题有:

?基准选择:在选择基准的时候，要注意区分粗基准与精基准以及要了解基准的选择原则，同时要知道基准的选择既要满足选择原则，同时还要方便定位和夹紧，以免引起不必要的加工误差，在基准选择完之后就要考虑用什么元件进行定位。

?限制的自由度:在装夹的过程中，要注意自由度的限制，必须做到准确的定位，不能出现欠定位或过定位。

?夹紧机构:设计夹紧机构时必须计算分析夹紧力和切削力，不能出现夹紧力过小而使工件在切削的过程中出现松动而影响精度，也不能出现因夹紧力过大而使工件变形影响工件质量。同时，还要根据零件生产批量和生产率的考虑来选择夹紧方式(手动、气动或液压夹紧)。

? 夹具的用途:为了工件定位准确和夹紧的快速，提高效率和降低工人的劳动强度，提高箱体零件加工精度和安装找正方便，我们要采用专用的铣

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7 复杂曲面的数控加工工艺

床夹具和镗床夹具。同时，因为铣床夹具有T形槽、镗床夹具有镗模等特殊结构，因此还要考虑夹具与机床的匹配，即机床的工作台尺寸和结构能否满足夹具的安装。

在夹具设计过程中，我们统一采用以底面为主要定位面来进行加工，因为我们未专门学习过夹具的设计和计算，所以工件量大大地增加了，只有通过在实习过程中对夹具的感性认识和夹具设计参考书以及夹具图册来进行设计和计算，所以夹具的设计是整个设计的重点，也是一个难点。

夹具的设计必须要保证夹具的准确定位和机构合理，考虑夹具的定位误差和安装误差。我将通过对工件与夹具的认真分析，结合一些夹具的具体设计事例，查阅相关的夹具设计资料，联系在工厂看到的一些箱体零件加工的夹具来解决这些问题。

其次，我们来完成加工顺序的制定:

(1) 件2 内孔的加工。

一次装夹:先平件2 端面,其次钻中心孔、钻深孔,然后粗精镗内孔,加工内螺纹,完成件2 左半部分内孔加工;最后切断,注意留总长余量。 二次装夹:件2 掉头定总长60mm ,然后粗精镗内孔,完成其右半部分内孔加工。

(2) 件1 及件2 外圆的加工。

一次装夹:粗精加工件1 右侧部分(包括椭圆、圆弧, < 26mm="">< 30mm="">< 31mm外圆)="" ,最后切退刀槽,加工m="" 30mm="" ×1.="" 5mm="" 外螺纹。="" 二次装夹:="" 将件2="" 固定安装在件1="">< 31mm="" 内孔为基准,配合件1="">< 31mm="" 外圆及台阶面定位,同时借助于m="" 30mm="" ×1.="" 5mm="" 螺纹固定。粗精加工件2="" 外圆面,完成件2="" 的所有加工。="">

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8 复杂曲面的数控加工工艺

一次卸除:从件1 右侧卸下件2 ,粗精加工件1的< 26(0-="" 0.="" 021)mm="" 外圆,完成件1="" 右侧外圆的加工。="">

三次装夹:件1 掉头定总长120mm ,然后粗精车件1 左侧外圆,完成件1 的加工 3.3 刀具材料。

根据零件加工要求,确定了刀具材料,见表1 。

表1 刀具材料

刀具数量/刀尖半径

刀具规格名称 刀具材料 加工内容

号 把 /mm T01 93#外圆车刀 硬质合金 1 车端面、外轮廓 0.3 T02 镗刀 硬质合金 1 镗内孔 0.3 T03 60#内螺纹车刀 硬质合金 1 车内螺纹 0.2

外切槽刀(宽

T04 硬质合金 1 切退刀槽、切断

4mm)

T05 35#外圆尖刀 硬质合金 1 车外轮廓 0.2 T06 60#外螺纹车刀 硬质合金 1 车外螺纹 0.2 T07 Φ5的中心钻 硬质合金 1 钻中心孔 0.2 T08 Φ25的中心钻 硬质合金 1 钻深孔 0.3 3.4 切削用量。

切削用量选择的关键是,在保证加工质量和刀具耐用度的前提下,充分发挥机床性能和刀具性能,提高切削效率,降低成本。同时还要注意,切削用量的选择应根据机床使用说明书和金属切削原理中规定的方法及原则,结合实际加工情况确定。因此考虑到所用设备、工件材料、刀具材料、工艺要求等,合理

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9 复杂曲面的数控加工工艺

选择切削用量。

3.5 加工工序卡。

根据零件工艺基准、加工顺序及定位装夹、刀具材料和工件材料,参考切削用量手册或有关资料选取合理的切削速度与进给速度。背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时,在刚性和机床功率允许的情况下,尽可能取较大的背吃刀量,以减少进刀次数;精加工时,为保证零件表面粗糙度要求,背吃刀量一般取0. 1,0. 4mm 为合适。根据前面分析的各项内容,综合考虑,编制成如表2 所示的数控加工工艺卡片。表2 中所列各项数据是经作者实践所得,具有较高的可信度。

表2 数控加工工序卡

工刀主轴转速进给速度背吃刀量

工步内容 备注 步 号 /(r/min) /(mm/r) /mm 1 夹件2，平端面 T01 500 1.00 手动 2 钻中心孔 T07 650 2.50 手动 3 钻底孔 T08 250 手动

粗镗Φ31、Φ30内

4 T02 500 0.08 0.10 自动

孔及1x45o倒角

粗镗Φ31、Φ30内

5 T02 550 0.05 0.20 自动

孔及1x45o倒角

6 车M30内螺纹 T03 300 1.50 0.10 自动 7 切断 T04 300 0.08 自动 8 掉头装夹件2车端T01 500 0.10 1.00 自动

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面定总长60

粗镗Φ32、60o及

9 T02 500 0.08 1.00 自动

R27圆弧内孔

粗镗Φ32、60o及

10 T02 550 0.05 0.20 自动

R27圆弧内孔

11 夹件1，粗车外圆 T01 500 0.10 1.00 自动 12 精车外圆 T01 550 0.05 0.50 自动

粗车椭圆、R12圆

弧、Φ30外圆、Φ

13 T05 500 0.10 2.00 自动

31外圆及1x45o倒

角

粗车椭圆、R12圆

弧、Φ30外圆、Φ

14 T05 550 0.05 0.50 自动

31外圆及1x45o倒

角

15 车4 X Φ28退刀槽 T04 300 0.08 自动 16 车M30外螺纹 T06 300 1.50 0.10 自动

装夹件2，粗车R250

17 T05 500 0.10 2.00 自动

及2个R10外圆

精车R250及2个R10

18 T05 550 0.05 0.50 自动

外圆

19 卸件2，粗车Φ26T05 500 0.10 2.00 自动

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11 复杂曲面的数控加工工艺

外圆

20 精车Φ26外圆 T05 550 0.05 0.50 自动

掉头装夹车端面定

21 T01 500 0.10 1.00 自动

总长120

粗车Φ32外圆、60

22 o锥度、R 27外圆及T05 500 0.10 2.00 自动

1X45o倒角

粗车Φ32外圆、60

23 o锥度、R 27外圆及T05 550 0.05 0.50 自动

1X45o倒角

其次对于数控加工方面，加工工艺的合理确定对实现优质、高效的数控加工具有极为重要的作用,其内容包括选择合适的机床、刀具、走刀路线、主轴速度、切削深度和进给速度等,只有选择合适的工艺参数与合理的工艺方案才能获得理想的加工效果。曲面加工在模具、飞机、动力设备等众多制造部门中具有重要地位,一直是数控加工技术的主要研究与应用对象。曲面加工可在三坐标、四坐标或五坐标数控机床上完成,其中三坐标曲面加工应最为普遍。三坐标曲面加工可采用球头刀、平底立铣刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等,其特征是加工过程中刀具轴线方向始终不变,平行于Z 坐标轴。三坐标曲面加工通过逐行加工走刀来完成(称为行切) ,通过刀具沿各切削行的运动,近似包络出被加工曲面。两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点路经之间的距离称为走刀行距,行距的大小是影响曲面加工质量和效果的重要因素。行距过小将使加工时间成倍增加,同时还导致零件程序的膨胀;行距过大则表面残余高

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度增大,后续处理工作量加大,整体效率降低。因此,为了既满足加工精度和表面粗糙度的要求,又要有较高的生产效率,应确定合适的加工方案以使在满足残余高度要求的前提下使走刀行距尽可能大。

3.6 行距的影响因素

影响三坐标加工走刀行距的因素包括:刀具形状与尺寸;零件表面几何形状与安装方位;走刀进给方向;允许的表面残余高度要求等。并对行距的影响存在以下规律:

1) 球头刀加工时,零件形状与安装方位及走刀方向的变化对走刀行距的影响较小。

2) 平底刀加工时,行距对零件形状、安装方位及走刀变化非常敏感。且进给方向角越小,则行距越大。此时可获得的最大行距值比用相同直径球头刀加工时大。

3) 环形刀加工时,其影响规律介于平底刀与球头刀之间。

4) 鼓形刀加工时,行距对零件形状、安装方位及走刀进给方向的变化也很敏感,但与平底刀和环形刀加工时的规律相反。

根据上述分析,为尽可能加大走刀行距以提高加工效率,可采取以下优化措施:

1) 合理选择刀具:与球头刀相比,采用平底刀、环形刀或鼓形刀等非球面刀加

工不但可改善切削条件,而且还可增大走刀行距。若选择了合适的进给方向

和工件安装方位,将可获得较高的加工效率和较好的表面质量。因此,除了

凹曲面时为避免干涉而必须采用球头刀加工外应优先考虑使用非球面刀进

行加工以获得较高的加工效率和较好的表面质量。此外,还应选择较大直径

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13 复杂曲面的数控加工工艺

的刀具加工以提高刀具刚度和增大行距。

2) 合理选择工件安装方位:平底刀或环形刀加工时,应使工件表面各处法矢与

Z 轴的夹角尽可能小以增大行距,因此应合理地安装工件。此外,在加工凹

曲面时选择的工件安装方位应不存在刀具干涉。鼓形刀加工时,应使工件表

面各处法矢与Z 轴的夹角尽可能大以增大行距。

3) 合理选择进给方向:平底刀或环形刀加工时,选择的进给方向应使进给方向角尽可能小。而鼓形刀加工时则相反。此外,应选择曲面曲率较小的方向作为行进给方向,但它对行距的影响比进给方向对行距的影响小。 3.7 走刀路线的选择

曲面加工的走刀路线较二维加工要复杂得多,有参数线型、截面线型、放射线型、环型等多种走刀路线方式,对于不同形状的零件采用不同的走刀方式对加工效率、加工质量、编程计算复杂性和零件程序长度等有着重要影响,因此,如何根据曲面形状、刀具形状以及零件加工要求,合理选择走刀路线既是一个十分重要的问题同时也是一个十分复杂的问题,其优化选择的分析方法也非常复杂。在此,仅对这个具体例子对其作一简单分析。图示为加工参数

曲面时可采取的三种走刀路线,即沿参数曲面的u向参数线走刀、沿w 向参数线走刀和环切走刀。参数线走刀的特点是刀具轨迹的规划和刀位计算简单,适合于参数线分布较均匀的情况。

例如,图示(α) 与图示(b) 的方案相比,图示(α) 中的刀具轨迹分布较均匀(与截面线型刀具轨迹基本相当) ,因而具有较高的加工效率与代码质量。图示(c) 所示的环切方案则编程相对麻烦,主要应用于边界受限制的零件(如型腔类零件) 的加工中。而且,在加工轴类配合件时,由于工件刚度小,加工变

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14 复杂曲面的数控加工工艺

形问题突出,因此采用从里到外的环切时,刀具切削部位的四周可受到毛坯刚性边框的支持,有利于减小工件在加工过程中的变形。

当工件的边界开敞时,为保证加工的表面质量,应从工件的边界外进刀和退刀,如图(α)和图(b) 中所示。总之,通过以上分析,确定工艺方案的总原则是:在保证加工精度和表面质量的前提下,尽量增大行距,缩短加工路线,以提高生产率。

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第四章 进刀与退刀工艺规划

进刀工艺规划是整个数控加工工艺中的重要组成部分。毛坯实体域的粗加工、零件表面精加工以及高速铣削采用不同的进退刀方式对刀具寿命、工件精度至关重要。

关于进退刀有几个基本概念:

初始进刀:操作开始的首次进刀

内部进刀:是刀具在完成一个区域的切削后,进入另一个区域切削时的进刀。

内部退刀:刀具从一个切削位置退刀以便移到另一个切削位置。

最终退刀:加工结束后刀具的最终退刀。

转移移动: 刀具沿着安全平面(或者是毛坯，或者是以前加工的面)从一个位置移到工件上另一个切削位置。

安全距离:当刀具转移到新的切削位置并且当刀具进刀到规定的深度时，指定的刀具离开工件表面的距离。又分为水平安全距离和垂直安全距离。最小安全距离是指当不使用安全平面时,刀具在加工的开始或结束时离开加工面的最小距离。设置最小安全距离可以在进刀和退刀时使刀具离开加工面某一距离。在安全距离之外,刀具可以自由地运动,不会产生干涉和碰碰撞。自根据曲面的形态可以采用不同的进刀退刀方法。

4.1 倾斜进刀类型

当进刀时，可以指定刀具怎样倾斜下刀。只有当刀具不能找到下刀开口区域并且只有在凹腔加工时,才采用倾斜下刀。倾斜下刀又分为按线性下刀、按形状下刀、按螺旋形下刀等。当沿直线切削时,可采用按直线倾斜下刀。按

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16 复杂曲面的数控加工工艺

形状倾斜下刀是指不管零件的形状如何，允许沿着所有轨迹的切削路径进行倾斜下刀。螺旋形下刀是指刀具沿着螺旋线进行切入。直线刀具路径的移动有两个模式:垂直和相切。垂直进刀模式所增加的刀具路径与其相近的刀具路径垂直，相切模式所增加的直线刀具路径与其相近的刀具路径相切。 4.2 刀具转移方法

当刀具切削完一个切削区域后，转移到另一个切削区域。通常有四种方法:

一种是通过安全平面，使刀具在退刀后和进刀前移到已定义的安全平面上;第二种是通过前切削平面，当刀具移到一个新的切削区域时，使刀具提刀并且沿着前一个切削平面移动到一个新的切削区;三是通过毛坯平面，使刀具提刀到毛坯平面加上垂直间隙距离上,刀具将沿着该平面高度转移;四是通过直接移动,使刀具沿着直线方向从它的当前位置移动到进刀的起始位置，如果没有指定进刀位置，那么刀具将移动到切削点。

4.3 高速切削

在高速切削中,由于刀具运动速度快,切削量小,行距密，刀具运动变向问题特别突出。如果刀具轨迹在高速运动中有方向突然变化的情况发生, 容易引起机床的急停和启动, 这对机床本身精度、刀具寿命、工件的精度都是特别不利的。一般情况下，刀具应该采用圆弧过渡或平滑过渡的方式，让刀具逐渐改变进给方向,减少冲击,提高加工质量。

4.4 粗加工

随着数控机床性能的提高，综合加工能力大大加强，加工工序进一步集中，人们已经不再局限于把数控机床看作专门用于作精密加工的设备，直接

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用棒料、方料或板料毛坯在数控机床上加工已经越来越普遍，因此，是否具有实用高效的粗加工工艺解决方案，已经成为CAM 软件的重要功能指标之一。为了适应对毛坯的直接数控加工，大多数软件都有各自的粗加工工艺的解决方案，粗加工的目的是去锄大面积余量以及使残留的毛坯尽可能接近工件的形状。要综合考虑刀具的种类、尺寸和刀具轨迹的长度。对于铣槽型零件、铣轮廓型零件可考虑采用端铣刀，采用层切和往复走刀的方式，减少进退刀的辅助时间，主要考虑提高切削效率。对于复杂曲面形零件，如果毛坯上的余量较多时，仍可以采用层切的方式，然后采用采用端铣刀沿曲面进行粗加工，如图1 所示。在选择刀具时，可能遇到零件上的拐角过渡部位无法加工，不要因为无法加工，就选用较小的刀具。粗加工考虑的是绝大部分余量。未加工的部位采用残留区域加工工艺解决。

4.5 残留区域加工工艺

残留区域加工是在粗加工之后进行的，采用比粗加工所用刀具较小的刀具切除较大部分的切削余量。在实际加工中，经常采用先用大刀具加工以获得较高的加工效率，然后用较小的刀具加工以获得较高的精度的工艺方法。大刀具在刀路的拐角处，型面的交接处，曲面的凹陷处，狭窄的沟槽间等部位都会因为刀具切削不到而形成残留下来的未加工区域。残留区域加工工艺又分为交线清角加工和残料加工。交线清角加工可以生成用于清除曲面间的交角部分残留材料的加工刀具路径，其加工方法类似于沿轮廓加工。残料加工用于清除因直径较大的刀具加工所残留的材料，其加工方法类似于沿曲面加工。

4.6 精加工

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精加工主要是为了保证零件的尺寸精度和形状精度，如图2 所示。一般情况下采用球头铣刀进行精加工。在加工时，要考虑刀具的运动方向。由于考虑加工效率的关系,刀具的进给步距和行距不可能设置得很小，这样就会造成曲面的粗糙度比较大。后续的抛光的工作量就比较大。特别是斜度比较大的曲面。根据曲面的形态特征采用相应的走刀方向。比如，加工竖直圆弧面时，刀具应该沿圆弧的方向走刀。这样加工表面比较光滑。在加工相临曲面时，要注意因为刀具的惯性，产生过切现象。虽然过切量很小，但是对零件的表面的粗糙度影响较大。采用合理的加工顺序和限制加工范围可以避免此现象的发生。在精加工时要合理的选用切削液。从而提高加工效率和表面质量。切削进给量要根据曲面的特点而定，比较平坦的大曲面,采用较大的进给量，变化比较大的曲面，采用比较小的进给量。在加工薄壁件时还要考虑零件的变形问题，刀具轨迹的排列方式应该尽可能地减少变形，例如对于对于叶片类零件应该采用由内向外的环切方式比较好，这样周边的未加工部位可以阻止加工变形，提高毛坯的刚度。

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第五章 零件CAD/CAM设计

CAD/CAM软件的特点是参数化管理和单一数据库，零件模型、装配模型、模具模型、制造模型、工程图之间是全相关的，也就是说，工程图的尺寸更改以后，其父零件模型的尺寸会相应更改，反之，零件、装配或制造模型中的任何改变，也可以在其相应的工程图中反映出来。根据Pro/E 软件的特点，先在零件模块设计出零件的三维模型，再用模具模块设计出零件，最后在制造模块中生成零件的NC代码，即G 代码。联机以后由数控机床加工出零件。 5.1 曲面加工的工艺方法

图b件2为回转体零件的轴套配合件示意图，目的是探讨曲面的加工方法。材料为45#钢，其特点:有害杂质少，其强度、塑性和韧性比碳素结构钢好，主要用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件以及对心部强度要求不高的表面淬火件，如:曲轴、传动轴、连杆、链轮、齿轮、齿条、蜗杆等。表面硬度HBS229,197。传统的模具钢加工方法是先铣削后淬硬再磨抛,生产周期长，保证不了供货期，将严重影响企业的经济效益。

随着高速加工技术的发展，采用粗加工后淬硬再精铣的方法，即高速铣削法，可大大提高精加工效率，取消或者减少后续手工修磨工序。如果采用粗精加工同机“一次过”工艺,甚至粗加工和半精加工时间也可大大缩短(比电火花加工快得多)。此种工艺方法保证曲面加工质量的关键是合理的选择切削用量、走刀路径和刀具。现分述如下:

5.2 切削用量的选择

从图b件2可知该模具的加工，主要为平面、曲面、内孔和内螺纹的加工，而且是淬硬后的精加工，推荐的工艺参数为:

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20 复杂曲面的数控加工工艺

外表面加工时，主轴转速17000r/min，进给量1200mm/min，吃刀深度0.5mm;

曲面加工时, 主轴转速13000r/min，进给量1000mm/min，吃刀深度0.2~0.4mm; 内孔加工时, 主轴转速17000r/min，进给量900mm/min，吃刀深度0.2mm; 内螺纹加工时, 主轴转速7000r/min，进给量800mm/min，吃刀深度0.2mm。

5.3 刀具的选择

?选择用于高速切削的整体硬质合金PVD 涂层立铣刀, 能用于高速切削淬硬钢的刀具涂层主要有(Ti,A1),或(Ti,C),,刀具基体为超细颗粒硬质合金。铣刀主要形式:用于高速切削淬硬钢的整体立铣刀主要形式有常规2 刃和多刃球头刀、长颈球头刀、2 刃锥面球头刀、2 刃带圆弧头平底刀、长颈带圆弧头平底刀、2刃直角平底刀和多刃直角平底刀等。本例中铣曲面用R3 的2 刃球头刀、内螺纹和内孔用R2 的2 刃球头刀。

?加工淬硬钢用高速立铣刀的工艺性，本文以三菱公司几款(Ti,A1),超硬涂层整体硬质合金精加工立铣刀为例,介绍高速立铣刀的切削性能和工艺参数。对这些刀具均推荐采用干切削(空气冷却)和顺铣工艺。?直径为1,

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21 复杂曲面的数控加工工艺

6mm2 刃直角平底刀:常用于切沟槽。工件硬度小于45HRC 时,轴向切深不大于0. 01(刀径f 小于2mm),0.2 刀径(刀径f 大于2mm);工件硬度大于45HRC 时，对应于刀径f 大于1~3mm 以上,轴向切深分别不大于0.02~0.1 刀具直径。?直径,,6mm 4 刃直角平底刀:常用于侧面精加工。工件硬度小于45HRC 时,轴向切深不大于1.5 刀径,径向切深不大于0.1(刀径f小于3mm),0.2mm (刀径f 大于4mm);工件硬度大于45HRC 时, 轴向切深不大于刀径,径向切深不大于0.05 刀具直径。

?R1,3mm2 刃球头刀:常用于曲面精加工。轴向切深不大于0.1R,径向切深0.2,0.4R。高速加工时,上述刀具的切削速度和进给速度随工件硬度和刀径不同而变化:随着工件硬度增大,刀具的转速尤其是进给速度降低; 随着刀径增大,刀具的转速降低但线速度相对较高,进给速度也相应增大。 5.4 走刀路径的选择

一条有效的刀具路径可以通过保持稳定的切削载荷来保护刀具,并通过避免加工方向的突变来保持高的进给速度,它将直接决定复杂型面高速加工的可能性、质量与效率。利用CAM 系统进行高速加工NC 编程所生成的刀具路径, 不仅要满足尺寸和轮廓的高精度要求,同时还要考虑加工工艺的加工细节,选择适当的加工策略和工艺参数来优化各种刀具路径,以改善切削条件,减少加工时间,减少刀具磨损,避免刀刃破损或刀柄折断等。

高速加工的刀具轨迹必须满足

? 无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削载荷平滑、满足加工要求等条件; ? 同时,保证零件的加工精度和表面粗糙度要求;

? 缩短走刀路线,减少进退刀时间和其它辅助时间;

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22 复杂曲面的数控加工工艺

? 方便数值计算,减少编程工作量;

?尽量减少程序段数。零件轮廓形状对加工效率、加工质量、编程计算的复杂性和零件程序长度等有着重要影响。如何根据型面形状、刀具形状以及零件加工要求,合理选择走刀路径是一个十分复杂但又非常重要的问题。复杂型面加工可采用多种走刀路径,如参数线型、截面线型、放射线型、环型等。

参数线走刀的刀具轨迹规划和刀位计算简单,适合于参数线分布较均匀的情况。环切法对于曲面网格分布不太均匀以及由多个曲面形成的组合曲面的加工非常有效。环切法主要应用于边界受限制零件(如型腔类零件)的加工。本例的精加工工艺流程是:先加工外轮廓与内孔，最后加工曲面。加工内螺纹、内孔、曲面时用环切法走刀，目的是保证圆弧曲面的形状精度。

最后我们利用CAM/CAD导出的NC序列(即G代码)如下:

轴: %0000

N01 M03 S1200

N02 T0101

N03 G0X25.1Y1

N04 G71U0.8R0.8P10Q17X0.2Y0F80

N05 G00X100Y100

N06 M05

………………………

N71 G00X100Y100

N72 M05

N73 M30

22

23 复杂曲面的数控加工工艺

轴套: N01 G00X100Y100

N02 M03S1200T0101

N04 G00X13.5Y1

N05 G71U0.5R0.5P6Q9X-0.2Y0F80

N07 G01Z0Y0F30

……………………….

N75 G00X100Y100

N76 M05

N77 M30

注:由于G代码过长，这里我们只导出部分G代码

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24 复杂曲面的数控加工工艺

结束语

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值～有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

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25 复杂曲面的数控加工工艺

参考文献

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【8】孙学强. 机械制造基础 . 北京: 机械工业出版社,2001.4。

【9】司乃军. 机械教工工艺基础 . 北京: 高等教育出版社,1992。 【10】杨小平. 数控编程技术 . 北京: 北京理工大学出版社,2009.2。

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26 复杂曲面的数控加工工艺

致 谢

在此要感谢我的指导老师彭丽霞对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在毕业设计中，他给予了我学术和指导性的意见。我万分的感谢他给我的宝贵的指导意见和鼓励。彭丽霞严谨细致的作风，丰富的理论知识给了我很深的启迪，使我受益匪浅。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

我的论文是在彭丽霞的悉心指导和严格要求下完成的，我的每一点进步和提高都得益于彭丽霞的指导、鼓励、影响和支持;同时也使我在思维方法、工作作风以及学习态度方面得到进步。

感谢所有关心和帮助过我的老师们、同学们～

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范文三：复杂曲面UG建模加工指导书

《复杂曲面 ug 建模与加工》 实验指导书

适用专业 :机械设计制造及其自动化 课程代码 :

编写单位 :

编 写 人 :

系部主任 :

分管院长 :

目录

实验一 型腔铣加工创建 . ........................................................................................................ - 2 -

实验二 IPW 二次开粗的定义 . ............................................................................................... - 20 -实验三 平面铣创建 . .............................................................................................................. - 24 -实验四 等高轮廓铣创建 . ...................................................................................................... - 28 -实验五 固定轴曲面轮廓铣创建 .......................................................................................... - 31 -实验六、固定轴曲面轮廓铣 — 清根驱动 .............................................................................. - 34 -实验七、固定轴曲面轮廓铣 — 螺旋驱动 .............................................................................. - 37 -实验八、固定轴曲面轮廓铣 --径向切削 . ............................................................................... - 43 -

实验一 型腔铣加工创建

一、实验目标

通过本项目后,掌握 UG 加工模块 Cavity Mill(型腔铣)加工操作,完成工件的粗加 工,并合理定义各加工参数。

1、熟悉加工前的准备工作

2、掌握 MCS (加工坐标系)的创建

3、掌握加工几何体、刀具组、加工方法组的创建

4、掌握型腔铣加工参数的定义

5、掌握型腔铣加工特点

6、掌握刀具路径模拟及后处理

二、工作任务

1、选择加工模版

2、创建 MCS (加工坐标系)

3、创建加工几何体(加工零件几何体及毛坯几何体)

4、创建刀具组(刀具类型及参数定义)

5、创建加工方法组(加工余量定义)

6、创建型腔铣加工操作

1、了解加工操作导航器

8、模拟刀具路径

9、对刀具路径进行后处理

三、相关实践知识

本项目通过具体实例,由浅至深逐步讲解 UG CAM的应用。在项目开展前,要求学 生已掌握以下课程的相关内容:

?UG CAD建模

?数控铣加工工艺

?数控编程

?数控铣床的操作

?刀具、材料的相关知识

四、实验步骤

(一) 建立工件实体模型

1、新建 UG 文件

新建 UG 文件,保存为 Demo CAM. prt ,单位为毫米。

2、工件建模

在 UG 建模模块中完成图 1-1-1所示工件实体建模。建模步骤如下:

1)在第 21层建立草图,如图 1-1-2所示,草图位于 XC-YC 平面。再把第 1层作为工作 层拉伸草图截面,拉伸距离 140。

图 1-1-2 草图示意

2) 在第 22层建立右视图草图并拉伸, 利用右侧斜面上的边建立修剪工具平面完成实体的 修剪。如图 1-1-3所示。

图 1-1-3 修剪示意

3)在第 41层建立 20×105的矩形曲线,把第 1层设置为工作层, 拉伸曲线建立实体, 并 作布尔减操作,形成如图 1-1-4所示型腔。

4)如图 1-1-4所示,对前侧圆弧边在弧面上偏置距离 46,利用偏置线分割曲面。然后对 分割的小曲面拔模 25°。

拉伸实体

修剪工具面

图 1-1-4 型腔与偏置曲线示意

5)对型腔四侧壁进行 15°和 5°的拔模(如图纸尺寸) 。

6)完成 SR14球体创建并布尔减操作。

1)利用“腔体”命令在曲面上完成深度 4的型腔建立。尺寸如图纸所示。

8)完成实体倒圆角,结束建模。完成的实体模型如图 1-1-5所示。

注意 :两处型腔的底部,不必将 R2圆角倒出。

图 1-1-5 工件实体模型

3、创建毛坯

做出 154×140×46的立方体作为毛坯。 或者将工件底面拉伸高度 46得到立方体作为 毛坯。将建立的毛坯隐藏备用。

(二) UG 加工模块应用

1、进入加工

点击主菜单 起始 → 加工 即由建模模块进入加工模块,如图 1-1-6所示。

矩形曲线

偏置曲线

腔底圆角不必倒出

图 1-1-6 加工模块的进入

2、选择加工模板

如图 1-1-1所示,选择“ CAM 会话配置”中“ cam_general(通用加工配置文件) ” , 选择“ CAM 设置”中“ mill_contour(轮廓铣加工模板) ” ,点击“初始化” ,进入 UG 加 工环境。

图 1-1-1加工模板的选择

3、了解 UG 加工环境

如图 1-1-8所示, UG 的加工环境包括 “加工创建” 、 “加工操作” 、 “加工对象” 及 “操 作导航器” 四个工具条。 所产生的每个加工操作, 在右侧操作导航器中有显示, 如图 1-1-9所示。

图 1-1-8 UGCAM 工具条

? “加工创建”工具条:创建各类加工对象:程序、刀具、加工几何体、加工方法、加

工操作。

? “加工操作”工具条:用于刀具路径的生成、回放、后处理、模拟和输出等。

? “加工对象” 工具条:用于对程序、 刀具、 几何和方法等各加工对象进行编辑、 删除、

复制等。

? “操作导航器” 工具条:用于控制操作导航中的四种显示内容 (程序、 刀具、 几何体、

加工方法) 。

图 1-1-9 加工操作导航器

操作导航工具(Operation Navigator)是各加工模块的入口位置,是用户进行交互编 程操作的图形界面。 它以树形结构显示程序、加工方法、几何对象、 刀具等对象以及它们 的从属关系。 “ +” 、 “ -”可展开或折叠各节点包含的对象。

(三) UG CAM前的准备工作

1、建立 MCS (加工坐标系)

此时默认的 MCS (加工坐标系 XM-YM-ZM ) ,与绝对坐标系(XC-YC-ZC )是重合, 如图 1-1-10所示。

图 1-1-10 MCS 与

WCS

注意 :因为建模时不考虑加工坐标系的位置,所以绝对坐标系的位置不一定在此处, 所以必须首先建立加工该工件的 MCS 。

选择“加工创建”工具条中“创建几何体”命令 ,出现对话框如图 1-1-11所示。

图 1-1-11“创建几何体”对话框

第一项为 MCS 创建,在名称栏内输入“ MCS001” ,父本组按默认(GEOMETRY ) 。 点击确认进入 MCS 对话框,如图 1-1-12所示。

图 1-1-12“创建 MCS ”对话框

通过动态坐标系将 MCS 调整到工件左上角,如图 1-1-13所示。

图 1-1-13 MCS 位置的确定

此时 XM 、 YM 、 ZM 的方向与机床的坐标系方向一致。点击“确定”退出。

注意 :建议将 WCS 亦变换为与 MCS 相同的位置与方向。

WCS (工作坐标系)与 MCS (加工坐标系)变换后如图 1-1-14所示。

图 1-1-14 WCS 与 MCS 的方位显示

2、创建加工几何体

继续选择“加工生成”工具条中“创建几何体”命令,选择子类型中的第二项 “ MILL_GEOM”铣加工几何体。

在父级组中选择前一步骤所建立的 “ MCS001” , 名称定义为 “ MILL_GEOM001” 。 如 图 1-1-15所示。

图 1-1-15 铣加工几何体创建

点击“确定”进入“创建加工几何体(MILL_GEOM) ”对话框,如图 1-1-16所示。

图 1-1-16“创建加工几何体”对话框 部件

选择先前建模的工件。 毛坯 选择被隐藏的 154×140×46的立方体。

注意 :“毛坯”的英文为 Blank , UG 中文版错误翻译为“隐藏” 。

3、创建刀具组 选择“加工生成”工具条中“创建刀具组”命令 ,出现对话框如图 1-1-11所示。 部件几何体

毛坯几何体

检查几何体

图 1-1-11 创建刀具对话框

刀具名称命名为“ MILL_D20R4” ,确定后进入刀具参数设置对话框,如图 1-1-18所 示。

图 1-1-18 刀具参数设置对话框

刀具直径设置为“ 20” ,刀具下半径设置为“ 4” 。这是一把圆鼻刀(或称为牛鼻刀) , 适用于开粗。同样方法设置如下表 1-1所示参数刀具。

表 1-1-1 刀具类型与参数

4、加工方法组创建

选择“操作导航器”工具条中“加工方法视图”命令 ,出现对话框如图 1-1-19所示。

图 1-1-19 “加工方法视图”对话框

此时右侧操作导航器中,显示方式按加工方法显示,如图 1-1-20所示。

图 1-1-20 “加工方法视图”显示

鼠标置于“ MILL_ROUGH” (粗加工)上,点右键选择“编辑” ,或者双击鼠标左键, 出现图 1-1-21所示对话框。将“部件余量”的值设为“ 0. 35” (粗加工过程余量) 。

图 1-1-21 “部件余量”设置对话框

同样方法将“ MILL_SEMI_FINISH” (半精加工) “部件余量”的值设为“ 0. 1” 。 将“ MILL_FINISH” (精加工) “部件余量”的值设为“ 0” 。点击“确定”后退出。

(四)建立型腔铣加工

在实践操作中, 利用型腔铣加工操作完成工件整体粗加工, 定义的各项内容如表 1-1-2所示。

1、进入 Cavity Mill(型腔铣)加工

选择“加工生成”工具条中“创建加工操作”命令 ,出现对话框如图 1-1-22所 示,在类型中选择“ mill_contour” 。子类型中选择“ Cavity Mill” 。

图 1-1-22“创建加工操作” 对话框

“程序”选项里按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D20R4” ; “ 使用方法” 选择 “ MILL_ROUGH” ; 名称命名为 “ CA VITY_MILL01” 。 点击“确定” ,进入型腔铣加工对话框。

CA VITY_MILL(型腔铣)的对话框如图 1-1-23所示,加工参数定义如下:

1)创建刀具

在主菜单选择中 组 → 刀具 → 显示。在“使用刀具”选择“ MILL_D20R4” ,则可以显 示当前刀具为直径 20底角 R4的圆鼻刀。

注意 :刀具轴方向与 WCS 的 ZC 轴方向是一致的。

2)定义加工部件与毛坯

在 “使用几何体” 选择 “ MILL_GEOM001” , 则部件与毛坯已经由 “ MILL_GEOM001” 作了定义。 通过点击 “部件” 及 “毛坯” 可以显示部件与毛坯, 并观察是否正确。

图 1-1-23 Cavity Mill对话框

3)定义切削方式

刀具在切削时的走刀方式有很多种, 选择主界面 “切削方式” 中 “跟随周边” 走

刀方式。 4)定义步距

设置“步进”方式为“刀具直径” ,百分比“ 65” ,即步进为当前刀具直径的 65%。 5)定义每层切削量(即层高)

选择主界面中“切削层” ,出现对话框如图 1-1-24所示。

部件、毛坯、检查 几何体

参数定义

路径显示方式

刀具轨迹的生成、 回放、确认、列表

图 1-1-24“切削层”设置对话框

系统已经以 “自动”方式划分了 4个加工范围;首先将“每一刀的全局深度”设

置为“ 0. 6” ,然后点击 “向下”确保范围 4为当前“修改范围” (颜色为土黄色) ,点

击

“删除当前范围” ,将范围 4删除。即深度 38-46的加工层被去除,确定了加工到的

最低面是 38深度。加工范围的划分结果如图 1-1-25所示,确定退出。

图 1-1-25 加工范围的划分结果

6)确定加工余量

最低面 38

确定最低面 深度

打开主界面“切削”对话框,因为“使用方法”选择“ MILL_ROUGH” ,则部件余量 已经设置完成,可以在“毛坯”选项中看出,如图 1-1-26所示。

图 1-1-26 部件余量设置

1)定义主轴转速 S 及切削速度 F

选择主界面“进给率” ,出现对话框如图 1-1-21所示。

图 1-1-21 进给率对话框 图 1-1-28进给对话框

将主轴速度定义为 2200,回车确定后“表面速度”与“每齿进给”的数值会相应的 变化。选择“进给” ,对话框如图 1-1-28,按照图示数值设置刀具加工过程中给状态的速 度。

注意 :“剪切”项是英文“ Cut ”的误翻译,应该为“切削” 。

注意 :此处的主轴速度 S 、进给速度 F 值的设置应该根据机床的实际功率、加工工件 的材料、刀具类型与材料等因素来确定,这需要有一定的机床实际操作经验。

注意 :最好是参考刀具样本的值设置“每齿进给”的数值,对应的 F 值会自动更新。

8)其它选项的设置均按默认。

9)生成加工。

选择主界面中“生成”命令 , UG CAM则针对上述设置生成型腔铣加工的原程 序。生成程序的时间长短,跟计算机的配置相关。刀具路径的显示参数设置如图 1-1-29所示。

图 1-1-29显示参数设置

将“显示后暂停”与“显示前刷新”选项前的“ √ ”去掉,可以加快刀轨生成速度。 生成的刀具轨迹中抬刀及快速转移过程较多,可以进一步约束切削区域。

选择主界面中“修剪”命令 ,出现对话框如图 1-1-30所示。

图 1-1-30 “修剪边界”对话框

修剪侧定义为“外部” ,模式为“面” ,其它按默认,选择工件的最底面,确定后底面 显示为黄色的“修剪边界” 。

选择主界面中“生成”命令,生成的刀具轨迹如图 1-1-31所示。

图 1-1-31 裁剪后的刀具轨迹

(五) 刀具轨迹动态模拟

生成程序后选择主界面中 “确认”

命令 , 在 “可视化刀轨轨迹” 对话框中选择 “ 2D 动态” ,选择“播放” ,则进行模拟加工,加工结果如图 1-1-32所示。

图 1-1-32 模拟加工结果

(六) 刀具轨迹后处理

对生成的刀具轨迹确认无误后, 可以 “确定” 退出型腔铣加工的对话框。 这时在右侧 的“加工操作导航器”中即有名称为“ CA VITY_MILL01”的加工操作。

注意 :此时加工操作前的符号为“ ” 。

用鼠标左键点击一下 “加工操作导航器” 中名称为 “ CA VITY_MILL01” 的加工操作。 然后选择“加工操作”工具条中的“后处理”命令 ,出现对话框如图 1-1-33所示。

图 1-1-33 “ UG/后处理”对话框

在 “可用机床” 项选择 “ MILL_3_AXIS” (三轴立式数控铣机床) , 单位选择 “公制” 。 确认后即可产生可由数控机床执行的加工 G 代码。

注意 :完成“后处理”的加工操作前的符号为“ ” 。

“ ”表示刀具路径已经生成,并已输出成刀具位置源文件。

“ ”表示刀具路径已经生成,但还没有进行后置处理输出,或刀具路径已改变,需 重新进行后置处理。

“ ” 表示该操作从来没有生成过刀具路径, 或者生成刀具路径或又编辑过参数, 需 重新生成刀具路径。

实验二 IPW 二次开粗的定义

一、实验目标

学习本项目后,掌握在型腔铣加工操作中,利用 IPW (残余毛坯)完成模块一腔体 工件的二次粗加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握 IPW (残余毛坯)的概念

2、掌握型腔铣二次开粗的方法

3、掌握安全平面的设置

4、掌握参考刀具的概念

5、掌握毛坯边界(Blank Boundary)的定义

6、掌握拐角余量(Corner_Rough)粗加工方法

二、工作任务

1、在型腔铣中定义 IPW ,完成二次开粗

2、用参考刀具法去除拐角余量

3、用毛坯边界法做局部型腔铣

4、定义非切削参数

三、相关实践知识

经过型腔铣的逐层开粗加工, 毛坯的大部分余量已被去除。 对于剩余余量的再次粗加 工,称为“二次开粗” 。

在实践操作中, 利用 IPW 完成残余毛坯的二次开粗, 定义的各项内容如表 1-2-1所示。

“二次开粗”的方法也是采用型腔铣,因此操作步骤可以参考模块一。

四、实验步骤

1、 “安全平面”的设置步骤

在型腔铣刀具路径显示中, 蓝色线为转移过程, 即刀具由当前层加工完成后转移到下 一层的路径。 “二次开粗”中为安全起见,定义这个转移过程在适当的高度会十分安全。 首先在型腔铣主界面的“进刀 /退刀”中设置传送方式为安全平面。如图 1-2-1所示。

图 1-2-1传送方式设置

然后在“避让”中设置安全平面的具体位置。

选择“避让” ,弹出对话框如图 1-2-2所示,选择“ Clearance Plane ” → 指定 → 平面 子功能,出现对话框如图 1-2-3所示。

定义 ZC 值为 15。

图 1-2-2“避让”对话框

图 1-2-3平面子功能对话框

注意 :安全平面是以 WCS 坐标系来确定位置。

注意 :如果没有定义安全平面,则使用一个默认的安全平面。对于平面铣,默认安全 平面为部件几何体与毛坯几何体、检查几何体之中较高的平面加上两倍的垂直安全距离; 对于型腔铣, 默认安全平面为默认的最高切削层 (即部件几何体与毛坯几何体之中较高的 平面加上毛坯距离值。 ) 、 检查几何体与用户定义的最高切削层之中最高的平面加上两倍的 垂直距离。

2、多个加工操作的模拟切削

型腔铣 “二次开粗”加工完成后, 可以与前一步型腔铣共同完成模拟切削。在操作导 航器中选择“ CA VITY_MILL01”加工操作,然后按住键盘的“ Ctrl ”键再选择

“ CA VITY_MILL02”

,此时选中了两个加工操作,点击“加工操作”工具条 “确认 刀轨” , 2D 模拟加工的结果如图 1-2-4所示。

图 1-2-4 2D 模拟加工结果

实验三 平面铣创建

一、实验目标

学习本项目后,掌握 UG 加工模块平面铣(mill_planar)加工操作,完成工件平面部 分的半精加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握平面铣加工参数的定义

2、掌握平面铣加工的特点

3、掌握切削方式的定义

4、掌握切削步距的定义

5、掌握非切削参数的定义

6、掌握刀具路径的显示的定义

1、掌握自动进刀 /退刀方式的定义

二、工作任务

1、创建平面铣加工操作

2、定义走刀方式

3、定义切削步距

4、定义非切削参数

5、定义刀具路径显示方式

6、定义自动进刀 /退刀方式

三、相关实践知识

在实践操作中,利用平面铣加工完成平面的半精加工,定义的各项内容如表 1-3-1所 示。

三、实验步骤 1、进入平面铣加工

选择 “加工生成”工具条中 “创建加工操作”命令

,出现对话框如图 1-3-1所示,

在“类型”中选择“ mill_planar” 。在子类型中选择第二项 FACE_MILLING(面铣削)命 令

。

图 1-3-1“创建加工操作” 对话框

“程序”选项按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D16R2” ; “使用方法”选择“ MILL_SEMI_FINISH” ;名称命名为

“ FACE_MILLING01” 。确认后进入建立平面铣加工对话框。如图 1-3-2所示。

图 1-3-2 平面铣加工对话框

2、平面铣加工参数的定义

平面铣加工参数的定义有很多项与型腔铣加工相同,但在本质上有着较大的区别。

首先,切削范围除了部件决定外,可以通过 选择特定的加工表面。如图 1-3-3所 示,选择图所示的这三个待加工平面。

图 1-3-3待加工平面的选取

其次,切削深度的定义是通过“毛坯距离”来完成,即假想待加工平面上有指定数 值的毛坯待加工。 因为三个待加工平面上方的余量在 0. 35左右, 可以输入数值 “ 0. 4” 。 “每 待加工平面

一刀深度”与“最终底面余量”分别设置为“ 0. 25”与“ 0. 1” ,则刀具分 2层就可完成加 工,加工结束后,表面余量为 0. 1。加工轨迹如图 1-3-4所示。

图 1-3-4加工轨迹平面铣

实验四 等高轮廓铣创建

一、实验目标

学习本项目后, 掌握 UG 软件加工模块 ZLEVEL_PROFILE_STEEP(陡峭壁等高轮廓 铣)加工操作,完成工件型腔陡峭壁的半精加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握陡峭角度的概念

2、掌握切削区域的定义

3、掌握“移除边缘跟踪”的概念

二、工作任务

1、创建等高轮廓铣加工操作

2、定义切削区域

3、定义“移除边缘跟踪”切削项

三、相关实践知识

在实践操作中,利用等高轮廓铣加工完成陡峭壁的半精加工,定义的各项内容如表 1-4-1所示。

四、实验步骤

1、进入等高轮廓铣加工

选择 “加工生成” 工具条中 “创建加工操作” 命令 , 在类型中选择 “ mill_contour” 。

子类型中选择“ ZLEVEL_PROFILE_STEEP” (陡峭壁等高轮廓铣) 。

“程序”选项里按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D12R2” ; “ 使 用 方 法 ” 选 择 “ MILL_SEMI_FINISH” ; 名 称 命 名 为 “ ZLEVEL_PROFILE_STEEP01” 。确认后进入建立陡峭壁等高轮廓铣对话框。如图 1-4-1所示。

图 1-4-1 等高轮廓铣对话框

2、等高轮廓铣加工参数定义

等高轮廓铣是型腔铣加工中的特殊形式,它只针对符合陡角条件的侧壁生成加工轨

迹。在切削区域 选项中选择图 1-4-2所示的两处型腔侧壁作为待加工侧壁, “合并距 离”与“最小切削长度”按默认值, “每一刀的深度”值设置为 0. 2。其他项按表 1-4-1所 列定义。

图 1-4-2切削区域选择面

“生成” 后轨迹在边缘处超出切削范围, 且抬刀及快速移动较多, 可以通过定义 切削 → 启用“移除边缘跟踪”来改善。

待加工侧壁

实验五 固定轴曲面轮廓铣创建

一、实验目标

学习本项目后,掌握 UG 软件加工模块 Fixed_Contour(固定轴曲面轮廓铣)加工操 作,利用区域铣削驱动完成小型腔曲面的半精加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握固定轴曲面轮廓铣的特点

2、掌握刀轴与投影的概念

3、掌握区域铣削驱动的创建

4、掌握区域铣削的特点

5、掌握定向陡峭区域的概念

6、掌握主要切削参数的定义

二、工作任务

1、创建区域铣削驱动

2、定义主要切削参数

三、相关实践知识

在实践操作中,利用区域铣削驱动完成小型腔曲面的半精加工,定义各项内容如表 1-5-1所示。

四、实验步骤

1、进入固定轴曲面轮廓铣加工

选择 “加工生成” 工具条中 “创建加工操作” 命令 , 在类型中选择 “ mill_contour” 。

子类型中选择第五项“ Fixed_Contour” (固定轴曲面轮廓铣) 。

“程序”选项里按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D10R5” ; “ 使 用 方 法 ” 选 择 “ MILL_SEMI_FINISH” ; 名 称 命 名 为 “ AREA_MILLING01” 。确认后进入建立固定轴曲面轮廓铣对话框。如图 1-5-1所示。

图 1-5-1 固定轴曲面轮廓铣对话框

2、固定轴曲面轮廓铣参数定义

固定轴曲面轮廓铣的创建过程并不复杂, 但一定要充分理解其内在的含义, 即 “部件 几何体” -“驱动方式” -“加工区域” -“部件余量” -“部件余量偏置”之间的关系。下 面以固定轴曲面轮廓铣中最为常用的驱动方式 --区域铣削,对小型腔曲面进行半精加工。 选择驱动方式为区域铣削,其主要对话框选项如图 1-5-2所示。

图 1-5-2区域铣削对话框

定义“图样”为“跟随周边” ;方向为“向外” ; “步进”为恒定值 0. 1。点击“确

定”后退出,在主界面中选择切削区域 选项,选择图 1-5-3所示面为切削区域。其他 项按表 1-5-1所示定义。

图 1-5-3切削区域选择

“生成” 轨迹后, ?10的球刀在切削区域由内向外作步距为 0.1的跟随周边切削 运动。

切削区域

实验六、固定轴曲面轮廓铣 — 清根驱动

一、实验目标

学习本项目后,掌握 UG 软件加工模块 Fixed_Contour(固定轴曲面轮廓铣)加工操 作,利用清跟驱动完成曲面圆角的半精加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握清跟驱动的创建

2、掌握清根切削驱动的特点

二、工作任务

1、创建清跟驱动

2、定义主要切削参数

三、相关实践知识

在实践操作中,利用清根切削驱动完成曲面 R6圆角的半精加工,定义的各项内容如 表 1-6-1。

三、实验步骤

在前面的加工中, R6的凹圆角在型腔铣中没有被加工到位,所剩的加工余量也不容 易估算,适合采用参考刀具的方式进行由外向内的清根加工。

在驱动方式中选择“清根切削” (Flow Cut)加工方式,对话框如图 1-6-1所示。

图 1-6-1清跟切削对话框

陡峭选项不定义,将清根方式设置为“参考刀具偏置” ,参考刀具直径为 20,重叠距 离 2,切削类型往复式(Zig-Zag ) ,步进距离恒定值 1.5。

“切削”选项中定义“多个刀路” ,如图 1-6-2所示。

图 1-6-2 “多个刀路”选项定义

在主界面中选择切削区域 选项,选择图 1-6-3所示的面为切削区域。

图 1-6-3切削区域选取

“生成” 后轨迹如图 1-6-4所示。

图 1-6-4参考刀具清根加工轨迹

切削区域

实验七、固定轴曲面轮廓铣 — 螺旋驱动

一、实验目标

学习本项目后,掌握 UG 软件加工模块 Fixed_Contour(固定轴曲面轮廓铣)加工操 作,利用螺旋驱动完成球面型腔的半精加工,并合理定义各加工参数。

1、掌握螺旋驱动的创建

2、掌握螺旋驱动的特点

3、掌握修剪边界的定义

4、了解非切削运动的过程

二、工作任务

1、创建螺旋驱动

2、定义主要切削参数

3、完成工件的半精加工与平面精加工操作

三、相关实践知识

(一)螺旋驱动的创建

在实践操作中,利用螺旋驱动完成球面型腔的半精加工,定义的各项内容如表 1-1-1所示。

四、实验步骤

对于不同类型的曲面, 可以采用合适的驱动方式来更好地完成加工。 对于工件中的球 形型腔,采用螺旋驱动作半精加工,可以获得相对较好的表面质量。

选择 “加工生成” 工具条中 “创建加工操作” 命令 , 在类型中选择 “ mill_contour” 。

子类型中选择第五项“ Fixed_Contour” (固定轴曲面轮廓铣) 。

“程序”选项里按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D10R5” ; “使用方法”选择“ MILL_SEMI_FINISH” ;名称命名为“ SPIRAL01” 。 确认后进入建立固定轴曲面轮廓铣对话框, 在驱动方式中选择 “螺旋” , 对话框如图 1-1-1所示。

图 1-1-1 螺旋驱动方式对话框

首先选择螺旋中心点,在点构造器中输入球心的平面坐标(XC=10,YC=20) ;步进设 置为恒定值 0. 2,最大螺旋半径 15。投影矢量为“刀轴”方向。此时可以显示驱动路径, 可以见到在 XC-YC 平面内由螺旋点构成的驱动路径。这样可以帮助我们理解“驱动方式 控制切削过程中刀具的运动范围” 这句话的含义。 本次加工操作完成的切削轨迹范围即为 图 1-1-2所示球面型腔区域。

图 1-1-2螺旋驱动加工范围

(二)整体曲面及“平坦”斜面的半精加工

在对局部型腔及平面完成半精加工后,对整体曲面及“平坦”斜面进行半精加工。 在实践操作中, 利用区域铣削完成整体曲面及“平坦” 斜面的半精加工,定义的各项 内容如表 1-1-2所示。

切削范围

1、修剪边界

为使本次加工操作中的刀具轨迹不进入三处已完成半精加工的型腔,在操作中定义 “修剪”项,设定修剪边界使刀具轨迹在边界以外。

定义修剪边界的步骤如下: ? 在主界面中选择“修剪”命令

。

? 选择修剪边界类型是“曲线边界”

。

? 指定边界投影平面。在“平面”项中点击“手工” ,设置 项,定义 ZC=0。

? 指定修剪侧为内部(在封闭边界内不产生刀具轨迹) 。

? 选择如图 1-1-3所示构成边界的体边缘(每个构成边界的边必须按顺序选择) 。 ? 选择完一个边界,点击“创建下一个边界” ,开始建立新的边界。依次建立图 1-1-3

所示四个边界(注意设置每个边界的修剪侧) 。

定义该修剪边界 余量为 -4

修剪侧:内部

图 1-1-3修剪边界的选取

注意 :思考为什么要将深腔边界毛坯数据设置为“ -4” 。可以比较余量为“ 0”与“ -4” 刀具路径的区别。

2、切削角度

本次加工定义“切削角”为 45°。 (精加工该区域时,切削角设置为 135°)

3、切削区域

在主界面中选择“切削区域” 选项,选择图 1-1-4所示面为切削区域。

图 1-1-4 切削区域示意

本次半精加工刀具轨迹的范围由“切削区域” 和“修剪”项 共同构成。

注意 :若不定义修剪边界,而在“切削”项中定义“移除边缘跟踪”。并比较它们所 产生的刀具轨迹的不同。

至此完成了全部的半精加工,所有加工面均留 0. 1mm 余量待精加工。

以下便是精加工的过程,首先是平面的精加工。创建过程相对简单,直接将 “ FACE_MILLING01”加工操作复制→粘贴→编辑新操作。因为采用的刀具、加工区域 均相同,只需要将“使用方法”改为“ MILL_FINISH”即可。可以在“切削”中看到“部 件余量”的数值自动改为 0。

切削区域

在实践操作中,利用平面铣加工操作完成平面的精加工,定义的各项内容如表 1-1-3所示。

图 1-1-5平面精加工区域

实验八、固定轴曲面轮廓铣 --径向切削

一、实验目标

学习本项目后,掌握 UG 软件加工模块的 Fixed_Contour(固定轴曲面轮廓铣)加工 操作, 利用径向切削完成小型腔侧壁及底圆角的精加工, 并合理定义各加工参数; 同时完 成工件的精加工操作。

1、掌握径向切削驱动的创建

2、掌握径向驱动的特点

3、了解机床控制的概念及后处理方法。

二、工作任务

1、创建径向切削驱动

2、定义主要切削参数

3、完成工件的精加工操作

三、相关实践知识

(一)径向切削驱动创建

在实践操作中,利用径向切削完成小型腔侧壁及 R2底圆角的精加工,所定义的各项 内容如表 1-8-1所示。

四、实验步骤

径向切削加工也是一种很适合“清角”的加工方式,对于小型腔底部 R2的圆角可以 选择该驱动方式完成。

选择 “加工生成” 工具条中 “创建加工操作” 命令

, 在类型中选择 “ mill_contour” 。

子类型中选择第五项“ Fixed_Contour(固定轴曲面轮廓铣) ”

。

“程序”选项里按默认; “使用几何体”选择“ MILL_GEOM001” ; “使用刀具”选择 “ MILL_D4R2” ; “使用方法”选择“ MILL__FINISH” ;名称命名为“ RADIALCUT01” 。 确认后进入建立固定轴曲面轮廓铣对话框。在驱动方式中选择“径向切削” ,出现对话框 如图 1-8-1所示。

图 1-8-1径向切削对话框

在“驱动几何体”选项中,定义类型是“封闭的” ;定义平面为 ZC=0;选择小型腔 顶部边缘;确定后完成的驱动几何体。如图 1-8-2所示。

图 1-8-2驱动几何体选取

其它选项按表 1-8-1定义,点击 生成刀具轨迹。

(二)小型腔曲面的精加工

在实践操作中,利用区域铣削完成小型腔曲面的精加工,定义的各项内容如表 1-8-2所示。

选择顶部边缘

(三)球面型腔的精加工

在实践操作中,利用螺旋驱动完成球面型腔的精加工,定义的各项内容如表 1-8-3所 示。

(四)陡峭壁的精加工

在实践操作中,利用等高轮廓铣完成陡峭壁的精加工,定义的各项内容如表 1-8-4所 示。

加工区域

图 1-8-3 陡峭壁精加工区域

(五)整体曲面与“平坦”斜面的精加工

在实践操作中, 利用区域铣削完成整体曲面与“平坦” 斜面的精加工,定义的各项内 容如表 1-8-5所示。

至此全部加工操作完成, 分别以 “加工方法” 与 “加工刀具” 显示 “加工操作导航器” , 如图 1-8-4与图 1-8-5所示。

范文四：浅谈加工中心加工复杂三维曲面的分析

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

浅谈加工中心加工复杂三维曲面的分析 作者:黄丹丹

来源:《科技视界》 2014年第 36期

【摘 要】在机械加工中我们经常会遇到一些比较复杂的三维曲面的加工,如何利用合适 的设备,合理的工艺,正确的刀具路径加工是我们一直需要考虑的事情。有一批复杂的零件, 需要运用五轴加工中心能很容易加工出来,由于操作车间只有三轴立式加工中心,结果我利用 简单的工装,分步加工,合理设计加工工艺,最终用三轴加工中心加工出了这批零件,取得了 最大的经济效益!

【关键词】三轴立加;复杂曲面; Mastercam 刀路;倾斜装夹

0 前言

加工中心是现代机械制造系统中的重要组成设备,它的通用、灵活、高效率、高精度、同 质量等优点,决定了该设备的应用日益广泛。但如何提高加工效率,降低废品率成为众多企业 共同探讨的问题。在机械加工中我们经常会碰到一些异形复杂的零件,有些需要四轴或者五轴 加工中心来加工。但是现在的五轴加工中心价值不菲,动则上百万,不是每个企业都能承受。 那么有些零件我们可以通过加工工艺的设计,零件的装夹方法等方面着手,利用三轴加工中心 生产,降低了企业的生产成本。

表 1 加工工艺卡

1 问题提出

图 1所示零件是某模具上注料的圆转方的过渡板,此零件的难点就在于中间内腔部分是圆 转变方形的曲面结构,长方形的长度大于圆的直径,而长方形的宽度小于圆的直径,从长方形 长边方向看过去是个倒八的结构,但是从短边方向看过去却是正八的结构。由于长方形的宽度 小于圆形的直径,若采用三轴立式加工中心进行加工的话,不管从哪边下刀加工刀具和零件都 会造成干涉。此类零件加工时需要主轴或者工件能够旋转或摆动角度才能进行加工。通常情况 下,最好是使用五轴立式加工中心进行加工生产。由于没有五轴的加工中心,受到加工条件的 限制。在现有的加工条件下,如何合理地针对产品特性进行加工工艺设计,并采用现有的设备 对产品进行有效的加工?在软件上对产品复杂曲面 —— 圆转方曲面的分析和研究,得到结论:可以利用夹具对产品进行一定角度的摆放装夹,在三轴立式加工中心上是可以进行加工的。现 就此产品运用三轴立式加工中心所设计的加工工艺及工序进行剖析。由于本产品除了圆转方曲 面相对复杂外,其他需要加工部位较为简单,所以本文主要就圆转方曲面部位的加工进行阐 述。

2 问题分析、处理

范文五：大型复杂曲面加工工件定位问题研究

[2]　 K aldos A , Dagiloke I F ,Boyle A. C omputer Aided Cutting

Process Parameter Selection for High S peed Milling. Jour 2nal of Materials Processing T echnology , 1996, 61(1-3) :219~224

[3]　 Liu Z Q , Patri K V. T owards Autonom ous C ompilation of

Cutting F orce Database for C NC Turing :Utilization of On -Machine Measurements of Machine Part Dimensions. Machining Science and T echnology ,2001, 5(2) :171~193

[4]　 Recht R F. A Dynamic Analysis of High -speed Machin 2

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~93

[5]　 Shaw M C. Metal Cutting Principles. New Y ork :Ox ford

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[6]　 周泽华 . 金属切削理论 . 北京 :机械工业出版社 ,

1992

[7]　 杨广勇 . 超高速切削时的 T -v 关系与切削力 . 北

京理工大学学报 ,1996, 16(3) :263~266

(编辑 　 马尧发 )

作者简介 :刘战强 , 男 ,1969年生。山东大学 (济南市 　 250061) 机 械工程学院教授。研究方向为高速切削加工、 虚拟制造、 CAD Π

CAM 和可靠性等。 发表论文 40余篇。 万 　 熠 , 男 ,1977年生。山

东大学机械工程学院硕士研究生。 艾 　 兴 , 男 ,1924年生 , 山东大 学机械工程学院教授、 博士研究生导师 , 中国工程院院士。

文章编号 :1004-132Ⅹ (2003) 09-0737-04

大型复杂曲面加工工件定位问题研究

严思杰 　 博士研究生

严思杰 　 周云飞 　 彭芳瑜 　 赖喜德

　　　　 摘要 :通过建立大型复杂曲面零件定位问题的数学模型 , 应用遗传算法 寻优求解 , 优化后的毛坯定位姿态保证毛坯各点具有均匀的加工余量 , 从而 实现精确定位 。 实际运用表明 , 本方法使复杂曲面类零件定位问题得到了 有效解决 , 具有实用性 。

关键词 :最小二乘法 ; 遗传算法 ; 定位 ; 中图分类号 :TG659　　　 　　 、 。 这类零 件曲面复杂 , , 毛坯件重达几吨 , 甚 至几十吨 , 找正定位极为困难 , 且通常单件或小批 量生产 , 采用专用夹具成本过高 。 长期以来 , 加工 现场通常采用机床测头测量 、 人工找正定位 , 效率 低下 , 精度难于保证 。将计算机技术应用于该类 零件的寻位 , 实现计算机辅助定位 , 对于提高加工

精度 、 提高生产效率和效益具有重大的意义 [1,2]

。

1　 复杂曲面工件定位问题的数学模型

复杂曲面工件的定位是加工坐标系 (设计坐 标系中的局部坐标系 ) 与机床坐标系建立关联的 过程 , 因此 , 建立毛坯曲面测量坐标系与设计坐标 系之间的变换关系 , 也即建立毛坯曲面与 C AD 模 型面的匹配关系成为解决复杂曲面毛坯工件定位 的关键 。

收稿日期 :2002— 01— 07

基金项目 :国家 863高技术研究发展计划资助项目 (980342034)

　　 毛坯曲面和 C AD 模型面的匹配问题涉及两

组数据 :一组为毛坯测量点数据 , 将测量点记 为 P i (i =1,2, … , n ) ; 一组为 CAD 模型曲面数据 , 它 包含实体模型 、 线框模型及面 、 线 、 点等的拓扑信 息 (其中的面记为 S j , j =1,2, … , m ) 。 毛坯相对 于 CAD 模型面 , 存在一组自由位姿 , 该自由位姿

构成了一个欧氏群 E (3) 中的子群 G 0[1]

, 问题求 解的目的即在子群 G 0中搜寻一欧氏变换矩阵 T ,

使得 P ′

i =P i T (i =1,2, … , n ) 尽可能包容 CAD 模型面 , 设欧氏变换矩阵为

T =

R

0p p ∈ R 3

, R ∈ O (3)

(1)

R =cos βcos γcos βsin γ-sin

βsin αsin βcos γ-cos αsin γsin αsin βsin γ+

cos αcos γsin αcos

cos αsin βcos γ+sin αsin γcos αsin βsin γ-sin αcos γ

cos αcos (2)

p =[p x , p y , p z ]

(3)

式中 , O (3)

为一组行列式值为 1的正交阵 ; R 为描述毛坯

相对 CAD 模型体的姿态矩阵 ; α、

β、 γ分别为毛坯体绕坐 标系各坐标的旋转角 ; p 为描述毛坯相对 CAD 模型体的位 移的矩阵 ; p x 、 p y 、 p z 分别为毛坯沿 x 、 y 、 z 方向的位移量 。

?

737? 大型复杂曲面加工工件定位问题研究 — — — 严思杰 　 周云飞 　 彭芳瑜等

　　 毛坯加工过程中保证各点加工余量的均匀十

分重要 , 这主要由于余量均匀可以改善刀具与机 床的受力状态 , 减轻加工振动 , 改善加工表面质 量 , 防止不当姿态加工而导致的毛坯报废 。 由于大 型复杂曲面类零件毛坯一般都是通过设计模型放 样铸造而成 , 测量前还会对毛刺打磨 , 毛坯曲面不 会出现局部大余量区 , 因此可以依据最小二乘法 原理

[3,4]

, 构造目标函数为

f (T ) =

6

n

i =1

‖ P i T -Q i ‖ 2

(4)

式中 , Q i 为 P ′ i T 在对应 CAD 模型面 S j 上的最近点 。

记 P ′

i 、 Q i 之间的距离为 d i , 曲面 S j 在 Q i 外法矢量为 n i , 矢量 r i =P ′

i -n i r i 如果 H ≥ , d i i 0, 构造如下的约束 条件 :

d i ≥ δ　　 (i =1,2, … , n )

(5)

式中 , δ为加工精度容许量 。

这样 , 求解复杂曲面匹配问题时 , 对于毛坯点 完全包容 CAD 模型面的情形 , 可以将其数学模型 描述为搜寻一欧氏变换矩阵 T , 使得目标函数式 (4) 具有最小值 , 且满足约束条件式 (5) 。

而对于毛坯表面质量出现问题 , 不能完全包 容的情形 , 其数学模型可以描述如下 :搜寻一欧氏 变换矩阵 T , 使得目标函数式 (4) 具有最小值 , 容 许 2%~3%的点不满足约束条件式 (5) , 这些点 需要补焊 , 变换矩阵 T 同时保证补焊量最小 。

2　遗传算法求解曲面匹配问题

[5]

2. 1　搜索空间

搜索空间对遗传算法的搜索速度与效果具有 决定性的影响 。 曲面匹配问题中 , 由于毛坯空间位

置的不确定性 , 导致变量搜索空间的不确定 , 染色 体编码无法进行 , 问题无法求解 。 因此 , 本方法首 先对毛坯点进行了初始匹配 , 使毛坯曲面和 CAD 模型面基本匹配 。 将问题变为求解初始匹配后的 毛坯曲面与 CAD 模型面的精确匹配 , 变量的变化 范围和幅度已不大 , 这缩小了变量的搜索范围 , 缩 短了编码长度 , 节省了搜索时间 。

搜索空间 D ΑR S

, 这里 D =

7S

k =1

〈 l

k

, r k 〉 , 即

每个变量都被限定在一给定的区间 〈 l k , r k 〉

(1≤ k ≤ s ) 里 , 在曲面匹配问题中 , 搜索空间是通过初

始匹配 , 求解到一组变量 (基因 ) 值 x i (i =0,1, … ,5) , 取一组常数 c i , 令 l k =x i -c i , r k =x i +

c i , 区间 〈 l k , r k 〉 即为 x i 的搜索空间 。

2. 2　染色体编码

综上所述 , 一个欧氏变换矩阵由 6个未知量 确定 ,3个平移量 [p x , p y , p z ]及 3个旋转量 [α, β, γ], 因此该染色体由 6个基因构成 。 定义数组 gene

依次予以保存 [4]

。 本文采用浮点数编码 。 2. 3　适应度函数

在遗传算法中 , 适应度函数是评价个体优劣 的依据 。 在曲面匹配问题求解过程中 , 要求使式 (4) 的目标函数值最小 , ) 的约束条 件 n

i =1

(i ) (6)

, , 当 d i ≥ 0时 , V =1, 当 d i <0时 ,="" v="" 1的整数="" (此处为求目标函="" 数最小值="" )="" ;="" d="" i="‖" p="" i="" t="" -q="" i="" ‖="">

工程实际中 , 由于毛坯表面质量有好坏之别 , 可能不能保证毛坯测量点对 CAD 模型面的完全 包容 , 有少量的测量点会落在 CAD 模型之内 , 致 使约束条件式 (5) 不能完全满足 。 而遗传算法在 搜索求解过程中 , 正是目标函数最优值和约束条 件式 (5) 的协调折衷 。 因此这些问题得到了较好 的解决 。

2. 4　遗传操作

遗传操作有选择 、 杂交 、 变异三种操作 。 工件 定位求解过程中 , 对杂交算子 P c 和变异算子 P m 的选择至关重要 , 其关系到新个体的生成和群体 的多样性 , 直接影响搜索速度和搜索结果的优劣 。

P c 一般应取较大值 , 但若取值过大 , 易于破坏种

群的优良模式 ; 若取值过小 , 产生新个体的速度又 太慢 , P c 的范围一般为 0. 40~0. 99。 P m 一般应取 较小值 , 若 P m 取值较大 , 有可能破坏掉很多较好 的模式 , 使得算法的性能近似于随机搜索的性能 ; 若 P m 取值太小 , 则变异操作产生新个体的能力 和抑制早熟现象的能力较差 , 一般地 P m 的范围 为 0. 0001~0. 1000。

3　毛坯的初始匹配

为了确定遗传算法的搜索空间 , 需要对毛坯 曲面进行初始匹配 。

取 CAD 模型面 S i 中某一面 (如 S 1面 ) 上三个 角点 p i (其矢量点 P i ) (i =0,1,2) , 其 u 、 v 参数化 坐标分别为 (0,0) 、 (1,0) 、 (0,1) 。 取毛坯对应面的 对应角点 q i (其矢量点 Q i ) (i =0,1,2) , 构造如下

两组单位矢量 (见图 1) :

e 1=

P -P |P 1-P 0|

?

837? 中国机械工程第 14卷第 9期 2003年 5

月上半月

e

3=e 1|P 2-P 0|

e 2=e 3×e 1e ′

1=

Q Q |Q 1-Q 0|e ′

3=e ′

1Q Q |Q 2-Q 0|

e ′

2=e ′

3×e ′

1

图 1　两局部坐标系的构建

分别以 p 0、 q 0为局部坐标系原点 , 矢量 e 1、

e 2、 e 3及 e ′

1、 e ′

2、 e ′

3构 成 两 局 部 坐 标 系 P 0-X w Y w Z w 和 q 0-X m Y m Z m 。 设经过式 (1) 中的变换 ,

两坐标系完全重合 , 则必有

[e ′ 1　 e ′ 2　 e ′ 3]T ? R =[e 1　 e 2　 e 3]

T

R =[e ′

1　 e ′

2　 e ′

3]? [e 1　 e 2　 e 3]

T

=[r ij ]　　 i , j =1,

2,3

(7)

比较式 (2) 与式 (7) 得

α=A tan2[r 23, r 33]β=A tan2[-r 13, r 2

23+r 2

33]

γ=A tan2[r 12, r 11]

(8)

式 (3) 中的平移矩阵由下式确定

p =[P 0-q 0R ]

(9)

经过上述方式的曲面匹配 , 毛坯围绕三个坐 标轴的转动范围已不大 , 变化范围不会超过 ±5°, 沿三个坐标轴方向的平移量也不会超过 2个最大 毛坯厚度 , 据此可以将 6个变量的变化范围确定 下来 。 同时 , 也得到了一组变量亦即基因 gene[i ]的值 , 毛坯在该姿态下 , 各测量点到对应 CAD 面 S i 距离即可求出 , 由式 (6) 可求出这组基因的适 应值 , 把它作为初始样本空间的一个样本 。

4　零件定位

通过上述算法求得变换矩阵 T 后 , 可以在毛 坯下表面上设置三个销点 A 、 B 、 C (见图 2) , 经过 T

变换后为 A ′ 、 B ′ 、 C ′ , 此三点为设计坐标系内三 点 , 可以在机床坐标系内 找到对应的三点 A ″ 、

B ″ 、 C ″

(见图 3) , 这三点即为对毛坯实行定位和加 图 2　毛坯下表面三点

工的基准点

。 毛坯装夹时 , A 、 B 、 C 和 A ″ 、 B ″ 、 C ″ , 量毛 C AD 图 3　 机床坐标系对应三点

5　 计算实例

为了验证算法的有效性 、 可行性 ,

我们以某大

型水轮机叶片的生产数据进行实际计算 。 毛坯数 据为厂家专用设备测量得到 , 欲实现匹配计算 , 先 将测量坐标系与设计坐标系统一在一起 , 见图 4。 毛坯点分布为叶片上表面 451个点 , 下表面 458个点 , 其它面无测量点 。 水轮机直径约为 5. 8m 。

图 4　 统一在设计坐标系下叶片设计曲面与毛坯测量点

初始定位让毛坯测量点变换到 C AD 模型面 附近 。 通过式 (7) ~式 (9) 可求得初始定位矩阵及 一组变量值 , 然后取群体规模为 20, 杂交因子 0. 8、 变异因子 0. 02进行搜索 , 在 PE NTI UM733、 内存 256M PC 机上 , 系统运行约 20min , 搜索得到变换 矩阵为

T =

-0. 9962

-0. 0794-0.

03450. 0766-0. 099420. 07591-0. 04030. 07590. 99650-551. 999

-264. 825

-276. 304

图

5为匹配好的毛坯曲面与 C AD 曲面 。 该图

及计算结果表明 , 该叶片三个角部匹配状态良好 , 只有图示右后角部匹配状态欠佳 , 毛坯叶片出现

?

937? 大型复杂曲面加工工件定位问题研究 — — — 严思杰 　 周云飞 　 彭芳瑜等

图 5　 匹配好的毛坯点与 C AD 曲面

上翘现象 , 该部分有十多个点距离为负 。造成这 种现象的原因可能是由于该部分毛坯较薄 , 铸钢 件由于热应力的变化而翘曲 。 解决办法可以通过 外加反向作用力 , 使之变回 , 并进行热处理以消除 热应力 ; 或者根据计算数据 , 进行堆焊处理 。

6　 结论

本文针对求解大型复杂曲面定位问题 , 提出

依据最小二乘原理构造目标函数 , 应用遗传算法 直接搜索工件毛坯最佳匹配姿态 , 从而实现零件 定位 。 实际应用表明该方法具有易于实现 、 算法 稳定等特点 , 有效解决了复杂曲面类零件定位问 题 , 具有实用性 。

参考文献 :

[1]　 Li Z exing , G ou Jianbo , Chu Y unxian. G eometric Alg o 2

rithms for W orkpiece Localization. IEEE T rans. R obot. Automat. , 1998,14(6) :864~878

[2]　 Esat I I ,Bahai H. Surface Alignment Based on the M oment

of Inertia and Improved Least -squares Methods. Proc. Instn. Mech. Eng. , 2000,214(B7) :547~554[3]　 Arun K S ,Huang T S ,Blostein S D. Least -squares Fitting

of T w o 3-d P oint Sets. IEEE T rans. Pattern Anal. Ma 2chine Intell. , 1987, 5(9) :698~700[4]　 刘惟信 . 机械最优化设计 . 北京 :科学出版社 , 1994[5]　 Michalewicz Z 著 . 演化程序 — 遗传算法和数据编码

的结合 . 周家驹 , 何险峰译 . 北京 :科学出版社 ,2000

(编辑 　 马尧发 )

作者简介 :严思杰 , 男 , 1965出生。华中科技大学 (武 汉 市 　

430074) 国家数控系统工程技术研究中心博士研究生。主要研究

方向为 CAD ΠCAM 及数控技术。 发表论文 3篇。周云飞 , 男 ,1956年生。 华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心教授、 博士 研究生导师。彭芳瑜 , 男 ,1972出生。华中科技大学国家数控系 统工程技术研究中心博士后研究人员。赖喜德 , 男 ,1962出生。 东方电机股份有限公司 (四川省德阳市 　 618200) 高级工程师。

文章编号 :1004-132Ⅹ (2003) 09-0740-04

基于焊接温度场的焊缝

跟踪自调整模糊控制技术研究

徐雪松 　 博士研究生

徐雪松 　 邹细勇 　 诸 　 静

　　　　 摘要 :对一种焊接智能控制系统进行了研究 。采用 ICC D 得焊接温度场图像 , , 用自调整模糊控制的方式调节纠偏 , 变 、 , , 。

; ; 焊缝跟踪 ; 自调整模糊控制 :TG9　　　 文献标识码 :A

　　 焊缝跟踪是保证焊接质量的关键环节之一 。

围绕这个问题 , 人们提出了许多解决方案 [1~5]

。 本文研究了一种独特的基于焊接温度场的焊缝跟 踪自调整模糊控制系统 。

收稿日期 :2002— 01— 08

1　 系统实现

1. 1　 系统构成

系统结构见图 1。

系统工作流程如下 :利用 ICC D 作为传感器 件 , 拍摄焊接热图像 , 通过图形采集卡 , 送入计算 机 。 图形信号经过滤波后 , 提取焊缝偏差信息 。 然后根据偏差信息 , 利用自调整模糊控制器算出

?

047? 中国机械工程第 14卷第 9期 2003年 5

月上半月

ISS N 1004-132X

CHI NA MECHANICA L E NGI NEERI NG (T ransactions of C MES )

Vol. 14,No. 9,2003the first half of May Semim onthly (Serial No. 129) Edited and Published by :CHINA MECH ANIC A L E NGI NEERI NG Magazine O ffice Add :No.118Shipailing Wuchang Wuhan China Distributer :ChinaInternational Book T rading C orporation (P. O. box 399,Beijing ) Code :4163-S M

MAIN TOPICS , 　 　 &KE

R esearch on the NC System B ased on STEP -NC 　　 K aiyun (T singhua University , Beijing , ) Y 　 Wang Jins ong p 7212723

:-

IS O6983is to a new object -oriented -(als called IS O14649) thus , comes up. this paper sets forth the disadvantages of IS O6983and the advantages of STEP -NC. Next it is analysed the detail make -up , file structure , description methods and pro 2 duction methods of the product data m odel based on STEP -NC. A fter that the composition of C NC system based on STEP -NC is investigated. Then the conception and accomplishment approach principle of S OFT open C NC based on STEP -NC is brogut for 2 ward . Finally , the importance of the NC system based on STEP -NC is set forth.

K ey w ords :NC　　 NC programming 　　 NC standard 　 　 STEP -NC

E rror Analysis of Position Detection of Mobile R obot N avi 2 gated with U ltrasonic N et 　　 Y u Zhuqing (Jiangsu P olytechnic University , Changzhou , Jiangsu ,China ) 　 NAS U Y asuo p 7242 727

Abstract :P osition detection system using ultras onic receiver net is employed to navigate m obile robot. It detects position of m obile robot m oving in wide area with higher precision , without in fluence of obstacles on ground , and w orks even on bad visibility and dirty environmental conditions. These advantages make it very useful for navigating m obile robot in w orkshop. In this pa 2 per , it is exposed by analysis that position detection error results from height error , position error of ultras onic receivers horizontal 2 ly , and distance measurement error of ultras onic wave transmit 2 ted. It is subjected to ultras onic receive angle easily. M obile ro 2 bot position is estimated from three horizontal circles. Its position tolerance is depended on separation of intersect points and distrib 2 uted directions of the three circles. It is verified by experimental results that the proposed error analysis method is effective. K ey w ords :m obile robot 　　 position detection 　　 error analysis 　　 ultras onic net navigation

3D N onlinear Imp act Ch aracteristics Analysis for H ypoid G earing with B acklash 　　　 Lin T engjiao (Chongqing Univer 2 sity , Chongqing , China ) 　 Li Run fang 　 G uo X iaodong 　 Wang Lihua p 7272730

Abstract :In this paper , a loaded tooth contact analysis pro 2 gram is used to calculate the loaded meshing characteristics of hy 2 poid gearing , then the load distribution percentage of each tooth can be obtained. Based on the theory of engagement , an auto 2 matic m odeling procedure is developed and the finite element m odel for contact problem of hypoid gearing is established. Using the mixed finite element method for dynamic contact problem , the impact characteristics of hypoid gearing when either initial speed

load gear are simulated and the on behavior of gearing are als o ana 2 described in this paper has been success ful 2 ly applied in practice.

K ey w ords :hypoid gear 　　 engagement analysis 　　 dy 2 namic contact problem 　　 finite element method

R obust Control for E lectro -hydraulic Force Servo System with Q u antitative Feedb ack Theory 　　 Wang Y anshan (Y ans 2 han University , Qinhuangdao , Hebei , China ) 　 Wang Y iqun p 7312733

Abstract :This paper presents the design of an electro -hydraulic loading serv o system robust controller with the applica 2 tion of quantitative feedback theory. The results show that the compensated system is not sensitive to the variation of parameters such as environmental stiffness and oil effective bulk m odules. The controller als o enjoys the simplicity of fixed -gain controllers and can be fulfilled easily.

K ey w ords :quantative feedback theory (QFT ) 　 　 robust control 　　 electro -hydraulic force serv o system 　　 uncertain system

Cutting Forces in H igh Speed Milling 　 　 Liu Zhanqiang (Shandong University , Jinan ,China ) 　 Wan Y i 　 Ai X ing p 7342 737

Abstract :Thein fluences of cutting speed on milling forces are presented on the basis of the high speed milling experiments. The experimental results show that the forces are increased with the increase of cutting speed at the lower speed range. A fter the cutting speed approaches to the critical value , increases of the cutting speed cause decreases of the tangential force components due to the increment of the shear angle. The critical cutting speed differs with each other as to the material pair of w orkpiece and cutting tool.

K ey w ords :cutting force 　 　 high speed machining 　 　 milling 　　 cutting speed

R esearch on Localization of the Workpieces with Large Sculptured Surfaces 　　 Y an S ijie (Huazhong University of Sci 2 ence and T echnology ,Wuhan ,China ) 　 Zhou Y un fei 　 Peng Fan 2 gyu 　 Lai X ide p 7372740

Abstract :In this paper , a mathematical m odel which is used to describe the localization of w orkpieces with large sculpture surfaces is proposed and the genetic alg orithms (G As ) are applied to s olve the problem , and then accurate localization can be real 2 ized. The practice shows the method is practical and useful. K ey w ords :least-square method 　　 genetic alg orithms 　 　 localization 　　 NC

machining

R esearch on Arc -w eding -temperature -field -b ased Self -correction Fuzzy Control T echnology for Seam T racking 　 3 M AI N T OPICS , 　 ABSTRACTS 　 &　 KEY W ORDS

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