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CAD/CAM软件 |
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基于UG的焊接式叶片泵数控加工应用 |
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1 引言
主油泵是汽轮机的关键部件，负责调节润滑冷却系统的油压建立及汽轮机控制信号油压发生，其叶片流道的精度要求很高。其制造质量直接影响汽轮机的安全可靠运行。在公司引进UG-CAM自动编程系统以前，主要采用手工编程方法进行加工，不仅要进行大量的计算，容易出错;而且加工效率低，零件精度与光洁都无法保证，且后续钳修量很大。为此，其加工技术一直是工艺设计人员研究的课题之一。在引进了的UGNX软件系统后，通过利用UGNX的CAD/CAM功能对汽轮机主油泵叶轮进行数控加工技术的研究，充分体验到UG-CAD/CA M系统功能的优点：安全、可靠，编程周期短、程序修改方便。
2 主油泵叶轮加工现状及工艺分析
主油泵叶轮的数控加工设备是：北一大偎三坐标联动加工中心，数控系统为：OSP-E10M-R。
主油泵叶轮加工的关键部位是叶轮体上的叶片型线及流道。如图1侧视示意图，其主要要求为叶片型线准确;叶片间的喉部尺寸精度;流道的粗糙度。在采用手工编程进行数控加工时，编程计算量庞大，程序数据精度较低，其加工完成的叶型及流道不仅满足不了技术要求，而且需要钳修叶型与流道，钳修的工作量很大，加工效率低，质量也无法保证，易把已加工好的面破坏。图2所示为用手工编程进行数控加工完工后的主油泵叶轮。
图 1：主油泵叶轮侧视图
图 2：手工编程数控加工的主油泵叶轮（局部）
主油泵叶轮体的数控加工工艺方案。根据主油泵叶轮毛坯特点，它的凸台部分已车好，其它部分需要在加工中心上完成，因此把凸台的圆心作为加工基准，即对刀点。首先，进行粗加工。把叶轮体的大部分余量都要在这一步去掉，因此根据叶轮体流道的宽度，选用尺寸合适的大直径镶齿刀。然后，进行半精加工。为了保证叶轮的精度和粗糙度，我们在这一步先去掉一少部分余量，即加工叶片厚度及底面三维部分，同时还要注意保护已加工好的锥面，把它作成检查体，防止过切。第三，进行精加工。这一步把叶片厚度、底平面及三维底面都要加工到图纸尺寸，而且要调整好接刀部分。最后，进行根部清理。即利用小于等于根部倒圆角R值的球刀进行清根，达到加工完全的目的。由于叶轮叶片的特殊性，我们把精加工底平面调整到半精加工之前，这样可使叶片厚度的加工直接达到底平面。
3 建立CAD模型
用UGNX的CAD对汽轮机主油泵叶轮体进行草图绘制，保证几何模型的唯一性与一致性。在构造叶轮体CAD模型时，首先要设定几何模型的基准，好的基准能帮助我们简化建模的过程，并方便后期的设计修改。通常大部分建模过程的开始都是从设计基准开始的，因此我们把二维CAD图纸的设计基准也定为三维CAD模型的基准。其次，注意毛坯的信息，被加工掉的部分不能作为毛坯实体，必须详细画出精加工图。第三，根据加工次序要求及加工方法的需要，添加一系列辅助线。由于零件几何模型和刀具路径完全相关，刀具路径能随几何模型的改变而自动更新，所以在几何模型建立时要充分考虑刀具路径是否会干涉。几何模型建立是以工作坐标系为基础的，而刀位文件的生成是以加工坐标系为基础的。在对叶轮体进行几何建模时，考虑到有利于操作者准确对刀的位置，一般以已加工好的三维凸台面的圆心作为基准位置。坐标轴的方向工作坐标系与机床坐标系相一致。在建立叶轮体上的叶片时利用了多层型线补面，在用面补成实体。叶轮体的CAD模型如图3所示。
图 3：叶轮体的CAD模型
4 主油泵叶轮CAM数控编程
UGNX-CAM具有强大的铣削加工功能，对于任何复杂曲面都能生成合理的优化的刀位轨迹，然后转化成数控机床能够识别的数控加工程序。
4.1建立刀具库
作为自动化加工设备，数控机床加工对刀具有较高的要求，要求刀具具有较高的精度、刚度和耐用度。为此，应尽量采用整体硬质合金刀具或镶不重磨机夹硬质合金刀片及涂层刀片。刀具的耐用度应该至少能保证加工一个零件或一个工作班的工作时间。因此我公司采用SECO的铣刀，设置的铣刀类型用5参数铣刀即可，并把长度补偿寄存器号、刀具直径补偿寄存器号的编号排好，以指引控制器读取这些数据。刀具号的设置用于指引控制器控制机床去使用刀具库中相应编号的刀具。
4.2数控加工工艺分析及切削方法的确定
由于UG中的CAM铣削模块提供了粗车、多次走刀精车，设定进给量、主轴转速和加工余量等参数。利用UG中的CAM铣削功能，根据我公司主油泵叶轮体特点及毛坯余量的实际情况，对数控加工工艺进行分析后，采用分五步方法进行。
第一步：开槽加工，即粗加工流道。目的在于将叶片间的汽道开通，形成通道，为半精加工做好准备。对叶轮体车好的毛坯进行粗铣流道，要求底面留0.3mm余量，侧面留0.5mm余量。
第二步：精加工底平面。按图纸尺寸要求，把侧面让出，精铣底平面到图纸尺寸。
第三步：半精加工叶片厚度及底面三维。由于所用刀具直径很小，切削量大易磨损刀具，故采用半精加工。半精加工叶片厚度及底面三维部分，为最终图纸尺寸每面留0.2mm余量。
第四步：精加工叶片厚度及底面三维。精铣叶片厚度及底面三维部分，进行最终精加工。其走刀路径与半精加工完全相同，只是余量不同。
第五步：清根。主要利用小于等于根部倒角值的球刀进行根部清理。
图 4：精加工叶片型面（部分）
图 5：清根（部分）
4.3刀具的选择
刀具选择的原则，要根据零件材料的性能、加工工序的类型、机床的加工能力及准备选用的切削用量来合理地选择刀具。在可能的情况下，尽量选择较大的刀具直径，以保证刀具有足够的刚度，减少震动或刀具折断等。同时在可能的情况下，刀具的安装长度要尽量选择短，以增强刀具的刚度。根据叶轮体的轮廓形状加工需要，设置好不同的刀具参数，作为编程用刀具。对于铣削平面，采用端铣刀;对于铣削三维部分和根部，采用球刀。
4.4走刀路线的选择
选择合理的走刀路线，以保证零件的加工精度与光洁度，尽量减少空刀，选择较短的走刀路线，对于叶轮体能用一把刀具编程加工的部分尽量连在一起做，节省对刀时间，以提高生产率。UGNX中的CAM具有丰富的刀具轨迹编辑功能，可以控制切削方向及轨迹形状的任意细节，可以指定垂直、直线相切、圆弧相切等各种进、退刀方式，也可以选择单向、往复式、仿形外轮廓、仿形零件及轮廓等切削方式，以适应不同的要求，得到高品质的加工效果。针对叶轮体加工，粗加工时选择底部与侧面同时加工;精加工时选择底部与侧面分别进行加工。而进退刀方式选择以圆弧相切进行，以保证叶轮体的加工精度。
4.5编点位程序
对已画的精加工图进行UGNX中的CAM铣削自动编程，经过以上主油泵叶轮体毛坯余量的实际情况加工工艺分析后，选择合理的走刀路线;设置合理的刀具参数;采用合理的进、退刀方式;控制进给量、主轴转速和加工余量参数及设置前处理各参数等，进行点位文件生成。(点位文件又称CLS刀位文件)然后在图形方式下观察刀具沿轨迹运动的情况，并进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。针对叶轮体加工工艺要求先编制底面程序，再编制各叶片两个侧面程序，最后编制底面三维部分和叶片前面R2.5部分的程序。有时根据实际余量情况需要进行交叉编制点位于程序。
4.6点位程序模拟仿真
为了减少在实际数控加工中心加工上对刀具的调整，保证生成的点位程序可靠性，应在UGNX中的CAM铣削点位程序中对刀具轨迹尽可能广泛地作有效性检查，以便对点位程序进行细节分析及观察刀具的干涉情况。从刀具路径显示菜单中调用刀具库相对应的铣刀，在屏幕上模拟显示刀具路径，可检测参数设置是否正确，如果点位程序显示刀具模拟仿真不理想，则返回铣削加工模块对一些参数进行重新修改，直至生成的点位程序模拟仿真结果完全符合加工实际要求。仿真的过程对我们分析编制的程序正确性将提供非常大的帮助。
4.7后置处理的设定
我们使用UG POST后处理方法，输出NC程序。在UG中做刀轨文件的后处理，生成机床可接收的NC程序，后处理必须具备两个要素：刀轨和后处理器。刀具轨迹数据在UG-CAM中自动生成，UG后置处理器由事件管理器和定义文件构成。加工中心数控系统为OSP-E10M-R，因此由我公司专人利用UG/POST Builder后处理编辑器开发了这一数控系统的后处理，生成的数控加工程序无须手工修改就可以直接输入数控机床进行产品加工，从而解决了通用后置处理器产生的数控程序需人工进行二次修改的繁琐过程。
4.8加工程序的生成
UGNX中的CAM铣削自动编制的点位程序，经过后置程序处理后，最终生成机床能识别的加工程序。生成的程序如下形式：
( Part Name : F:\20050519\20050526.prt )
( Created By : Angelina )
( Creation Date: Fri May 27 14:12:42 2005 )
( Start Of Path: D25 )
( Tool : D25 D=25.0 R=0.8 )
( FEEDRATE : 300 )
( RPM : 1500 )
G15H1
G00G90G40X-83.238Y27.170
M03S1500
G56Z50.000H01M08
G17G01 ……
…………
G01……
( End Of Path : D25 )
( End Of Task : F:\20050519\20050526.prt )
( Cycle Time : 380.96MIN )
M30
%
以上"……"代号部分是数控程序中自动计算的坐标点。而开始和结束部分是数控编程中前置处理设置后生成的。
图6为用UG-CAM自动编程进行数控加工完工后的主油泵叶轮。
图 6：自动编程数控加工的主油泵叶轮（局部）
5 结论
实践表明，UG NX-CAD/CAM软件在主油泵叶轮体数控自动编程上的应用，提高了主油泵叶轮体加工质量，自动编程时，只要选择合理的工艺控制参数，结合编程经验，使得加工过程得到充分的体现。同时对自动生成的程序进行工艺参数的逐步改进，逐步提高，可大大提高加工效率及加工精度，缩短研制与生产周期。(end)
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(6/9/2009) |
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