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我们机电系的一篇论文，看看行不行雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术 摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。 关键词：数控编程 引言 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我 国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。 " 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、 大 ， 可 编 写 一 个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。 !"# 叶片加工工艺规划 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各 处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工，出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况 反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工 要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能 的提高加工效率。 !"$叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀 位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无 碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的 刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是 由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加工效率、 表面质量和切削工 艺性能来看，选择 沿叶片造型的参数 线作为铣削加工的 方向分多次粗铣和 一次精铣，然后划 分加工区域，定义 与机床有关的参数， 根据以上所选叶片 的加工部位、装夹 图, 混流式叶片的刀轨生成 定 位 方 式 、 机 床 、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面 分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图, 所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑， 并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和 编辑刀轨。 !"#叶片五轴联动数控加工仿真 数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径 与材料切除过程来检验并优化加工程序。在计算机上 仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀 具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或 试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周 期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工 过程的安全。加工零件的"!代码在投入实际的加工之 前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑 曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五 轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进行工艺系 统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺 寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维!,-软件建 立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换 成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软 件中新建用户文件，设置所用!"!系统，并建立机床运 动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确 定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到 加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削 过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就 可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀 杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具 间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了 试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率， 缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率。如 在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会 效益。叶片的切削仿真如图.所示，叶片的机床加工仿 真如图/所示。 图. 混流式叶片的切削仿真图/ 混流式叶片的机床加工仿真 !"$叶片刀位轨迹的后置处理 后置处理是数控编程的一个重要内容，它将我们前 面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理 最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首 先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床 配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码 的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根 据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将 我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的 "!代码。 % 结束语 复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域 知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介 绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程 实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五 轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后 续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴 联动数控加工的编程工具用于实际生产中。

数控加工毕业论文 1 水泵特点及叶片加工要求 太浦河泵站的设计净扬程为，单泵流量50m3/s，装有6台斜150轴伸泵，叶轮直径，是国内最大的斜轴伸式水泵。由于该水泵的扬程特低、流量很大，要求水泵装置具有很高的水力效率和良好的汽蚀性能。叶片是水泵的最重要部件，它直接和决定水泵的能量指标、汽蚀性能、水压脉动和泵组的运行振动。通过国际招标，水泵由无锡水泵厂制造。该厂采用数控机床对叶片进行加工，以保证原型水泵与模型水泵有很好的水力相似，叶片各方面的技术指标可以达到或超过招标文件规定的各项技术要求。 2 水泵叶片技术要求 叶片材料 水泵叶片材料采用ZG0Cr13Ni4Mo。其化学成分见表1，物理指标见表2。 表1 ZG0Cr13Ni4Mo材料化学成分 化学成分 C Si Mn S Cr Ni Mo 含量（%） ≤ ≤ ≤ ≤ 5～ ～ ～ 表2 ZG0Cr13Ni4Mo材料物理指标 物理指标 σb σs δ ψ HB 数值 760Mpa 550MPa 15% 35% ≥240 该材料的特性是抗汽蚀性能好，可焊性好，硬度较高，耐磨损，在水轮机和水泵制造中较常使用。 叶片加工技术要求 太浦河水泵的设备招标文件编制时，兼顾了叶片常规加工和数控机床加工的两种要求。招标文件规定：叶片型线允许偏差不超过±（D为叶轮直径m），叶片厚度的允许偏差为-3%T～+6%T（T为叶片厚度）。叶片正背面的波浪度应低于2/100，在进水口等容易产生汽蚀的部位叶片波浪度应小于1/100。叶轮叶片安放角最大偏差不大于±15/。叶片表面粗糙度不得大于μm。 3 叶片加工方式 轴流式水泵的叶片加工一般采用两种方式：一种是叶片表面手工打磨的常规加工方式，另一种是数控机床加工方式。 常规加工方式 常规加工方式工艺较简单，费用低，轴流式水泵叶片基本采用常规加工。其主要工艺过程如下： a：叶片固溶处理（不锈钢） b：叶片表面随形磨、打磨 c：按叶片坐标，三坐标工具检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线 d：钻两端中心孔 e：粗加工叶片柄部 f：探伤检查 g：精加工叶片柄部 h：钻定位孔或铣键槽 I：叶片称重分组和转子体装配 j：加工叶片外球形 k：校静平衡 常规加工的叶片表面有两种处理方式。对小型水泵，叶片铸造时表面不留加工余量，叶片精度主要由木模和铸造精度来保证，变形量比较大，叶片表面极个别处（约1～2处）最大变形可达到5～6-12mm（根据叶片大小和叶型厚度）。对大型或重要的水泵，叶片铸造时表面留3～4mm加工余量，在探伤检查后，叶片表面多次采用坐标检测和打点，对其用砂轮进行手工表面打磨，重新划叶片零度线，以达到设计要求。叶片表面的精度主要由操作工及测量手段保证，一般能达到，有一定的误差。该采用坐标投影测量（游标精度、实测精度≤）。 数控机床加工 叶片采用数控机床加工是一种最先进的加工方式，虽然它的加工费用较高，但对于大型水泵河特殊要求的水泵，可以保证原型叶片的型线、表面粗糙度和精度、各叶片重量具有很高的一致性。数控机床加工主要工艺过程如下： a：叶片固溶处理（不锈钢） b：叶片表面随形磨、打磨 c：按叶片坐标，坐标投影检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线 d：钻两端中心孔 e：粗加工叶片柄部 f：叶片坐标检测、记录、重新划叶片零度线 g：探伤检查 h：精加工叶片柄部 I：钻定位孔或铣键槽 j：叶片坐标检测、记录 k：叶片表面数控加工 l：叶片称重分组和转子体装配 m：加工叶片外球形 n：校静平衡 与常规叶片加工方式相比，数控机床加工方式增加了叶片表面坐标检测和数控加工的工艺流程。 数控机床有三轴、四轴、五轴几种形式。三轴数控机床仅有X、Y、Z三个坐标，铣刀位置不调整，宜加工一般要求的工件。四轴和五轴数控机床除有X、Y、Z三个坐标外，还有刀头旋转的坐标，可以调整加工误差，工件加工精度很高。数控机床在加工上又有轴、三轴联动、四轴联动、五轴联动的不同加工。运转速度上又可分为传统的低速铣床和的高速铣床。数控机床配置有CAD/CAM/CAE软件，可以按设计的曲面型线，仿型加工。数控加工采用不同的加工方式和加工工艺，其达到的精度、效果也不相同。 两种加工方式比较 虽然传统的低速铣床也可加工叶片的曲面，但难以控制叶片的型线，尤其在叶片比较薄的地方，传统的低速铣床在切削力的作用下，产生振动和弹性退让，降低了加工精度。一般传统三轴铣床加工表面粗糙较差和存在着加工死角，通常在工艺上还要进行大量的表面打磨。数控机床将叶片型线输入控制箱内，可以随意控制和调整铣刀的加工，用直线、圆弧命令逼近零件，控制刀位轨迹使叶片表面的实际曲线与设计的曲线完全一致，精加工后的叶片表面不用打磨，便达到设计要求。 数控机床加工的叶片型线和精度，根据编制的设计程序控制加工，可以不再对叶片表面进行检测。数控机床的精度由有关部门按规定期限定期进行检验，所以它的可靠性和精度远高于常规叶片加工后的检测方式。 4 太浦河水泵叶片加工 太浦河泵站斜150轴伸泵叶轮直径米，每个叶轮有三个叶片，每个叶片重～，共18个叶片。为保证水泵叶片的加工质量，无锡水泵厂选择了富春江水工机械厂的五轴联动数控机床，它的加工效果非常好。 数控机床加工的太浦河水泵叶片，叶片加工精度实测数值： 叶片正面波浪度～，集中区域～，并均匀分布。 叶片背面波浪度～，其中≤1/100的区域占总面积的。 叶片表面粗糙度～μm，集中分布区域～μm。 实测2502个点坐标，其坐标误差-3～+4mm，绝对值≤3mm的占。 按要求每个叶片重量误差≤39kg。实测18个叶片，重量误差0～35kg，其中≤25kg的占，≤10kg的占50%。 坐标误差即为叶片允许误差，叶轮直径，允许误差为±。 5 数控机床加工的性 数控机床的价格比较贵，所以加工的费用比常规加工的要高。加工费用由机床折旧费、日常维护费、操作人员和管理人员费、加工中的正常损耗如刀具、电、气、冷却液等费用构成。最简单的方法是单位工时价格×工时数。工时包括软件计算工时和装夹、换刀等工时。确定数控加工的方法非常丰富，从轴至5轴联动，速度从低速至高速、工艺变化很多，刀位轨迹变化多，为有良好的经济性，应根据不同加工件的产品质量要求，选定最优数控加工程序和经济的加工方法。 比如，加工余量的确定是为了保证叶片能加工出来，应根据叶片大小、厚度，选择合适的叶片单面加工余量，太浦河水泵叶片的尺寸可放5～13mm余量；叶片根部、进出口边圆角等处可考虑以磨代铣降低费用。为了经济、高效又高精度的加工叶片，加工精度可通过人机交互设定。粗加工时三轴联动重切削加工去除大量表面余量，精加工时采用五轴联动高速加工，消除加工死角及薄壁处的振动和弹性退让，表面加工后不用打磨。在运行软件上可以首先用CAD三维设计、造型叶片，修改叶片表面缺陷，对表面光滑处理。然后用CAM灵活设计加工方法、确定加工参数、刀具等，进行刀轨的校核、编辑、优化、模拟仿真以获得最佳加工刀位轨迹，通过后处理程序生成加工程序。 太浦河水泵的叶轮直径，每个叶片重，由于委托外厂数控机床加工，每个叶片费用近8万元。0Cr13Ni4Mo的材料比较硬，如叶片铸造余量留得比较大，将增加数控机床的加工量和加工工时数。控制叶片的铸造质量，可以控制加工费用。 6 结束语 太浦河水泵叶片采用数控机床加工，叶片表面取得了很高的加工精度，保证了产品质量。随着我国经济实力的增加和机械加工的进步，水轮机制造厂已普遍使用数控机床，使水轮机叶片的加工水平大大提高，这也是水泵行业方向。 工程建设单位和设计单位，应该根据工程的重要性和特殊性，对水泵叶片的加工提出明确要求。对重点工程和特殊要求的水泵，采用数控机床加工水泵叶片。 对本答案还满意，请采纳！谢谢！！！