基于UG的数控编程及加工仿真.docx

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1、摘要数控技术是机械加工现代化和军事工业发展的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。同时，也使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程连为一体，使 CAD、CAPP、CAM 的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。本文以目前国际上先进的“CAD/CAM/CAE”一体化机械工程辅助系统UG NX 为工具，完成了固体火箭发动机喷管阳球体的计算机

2、辅助编程及虚拟加工仿真。从新加工工艺及高质量数控编程角度出发，探索了一条实现固体火箭发动机喷管阳球体球面高精、高效加工的新方法。具体内容包括：首先，根据阳球体的结构特点和技术要求，在对其进行了详尽的加工工艺分析之后，确定了球面的加工方法。然后，利用 UG/CAD 模块完成了阳球体、毛坯、夹具及机床的几何体的参数化建模。在此基础上，利用 UG/CAM 模块进行数控编程，优化了加工路线、刀具轨迹，切削方式等工艺参数，生成了阳球体五坐标加工的高精、高效的 NC 程序。通过刀轨检查及时地发现刀具跟零件之间的过切和欠切。并通过虚拟加工过程仿真提前发现机床各运动部件、夹具及刀具之间的干涉和碰撞，确定干涉碰

3、撞发生的位置和相应的 NC 程序段， 并对先前的设计和 NC 程序进行修改。由于 UG NX 提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而极大的促进了设计和生产向自动化和高效化方向发展，提升了企业在国际市场上的竞争力。关键词：数控编程；参数化建模；CAM；后置处理；加工仿真AbstractNC technology is the important foundation and key technique of the mechanical machining modernization and military industry developmen

4、t. NC machining can raise production rate, keep machining quality steady, reduce machining cycle, improve production flexibility, carry out the automatic manufacture of all kinds of complicated and exact parts, achieve the CAD management in factories and workshops, cut down the equipment number in p

5、lants, save labor force, improve working condition, accelerate the developing and updating speed of the products, and enhance the ability of the corporations to adapt to the market and general benefit. At the same time, it also can make the preparation and machining process of the manufacture togeth

6、er, unite CAD, CAM and CAPP, and cause the flexible and automatic level of the mechanical machining go up.CAD NC programming and virtual machining simulation of the positive sphere on the solid rocket engine is accomplished in this thesis by UG NX, which, at present, is an advanced mechanical engine

7、ering system consisted of CAD, CAM and CAE together in the world. Based upon the new machining technics and high quality NC programming, a new way to carry out the higher efficiency and accuracy machining of the sphere is given. The main content is below. Firstly, the machining method of the sphere

8、surface is chosen after analyzing the arts and crafts of the sphere in detail according to its structure characteristic and technical specifications. Then parameterized models of the sphere, blank, fixture and machine tool are created in UG/CAD environment. Afterward, 5 axes NC codes are generated a

9、nd technical parameters, such as tool path, are optimized in UG/CAM module. Above all, through machining process simulation, the gouges between cutting tools and the part are eliminated, and the interferences and collisions between machine tool components, fixture and cutting tools are avoided. Beca

10、use UG NX is built on a product design environment based on process, it can carry out the integration from development to machining, impel the automation and high efficiency of the design and manufacture, and also improve the competitive capability of the enterprises on the international market.Key

11、words:NC programming；Parameterized modeling；CAM；Post-processing；Machining simulation目录第一章 绪论11.1 数控加工技术概述11.1.1 数控加工技术起源11.1.2 数控加工的特点、应用及关键技术11.1.3 数控加工技术的作用及主要内容31.2 数控编程技术51.2.1 发展历程51.2.2 数控编程技术现状和趋势61.3 本文研究对象及问题来源71.4 本文研究的目的及意义81.5 本文的内容安排9第二章 零件加工工艺分析102.1 固体火箭发动机喷管阳球体技术指标102.2 加工工艺分析112.2.1

12、 机床选择112.2.2 刀具选择152.2.3 夹具设计152.2.4 走刀步长和行距的设置192.2.5 确定切削参数192.3 对刀装置设计202.4 零件加工工艺规程21第三章 UG 参数化建模233.1 UG 概述233.2 基于 UG/CAD 参数化建模263.2.1 UG/CAD 建模方法263.2.2 UG/CAD 装配功能及设计方法273.2.3 零件及毛坯建模283.2.4 夹具建模283.2.5 机床几何模型建模32第四章 UG 数控编程354.1 UG/CAM 介绍354.1.1 UG/CAM 加工方法354.1.2 UG/CAM 特点374.2 基于 UG 的数控加工

13、编程384.2.1 CAM 环境设置384.2.2 创建刀具394.2.3 创建父节点组404.2.4 创建操作424.2.5 刀轨生成及验证43第五章 后置处理475.1 UG 后置处理简介475.2 基于 UG 的后置处理495.2.1 创建后处理505.2.2 参数设置505.2.3 保存后处理555.2.4 后处理器测试555.3 用户化后处理555.3.1 编修后处理文件555.3.2 创建用户自定义事件（UDEs）575.3.3 定义机床运动60第六章 基于 UG 的加工过程仿真636.1 UG 加工仿真及校验系统简介636.2 仿真准备656.2.1 定义机床组建模型656.2.

14、2 定义机床运动模型656.2.3 模型入库716.2.4 定义加工刀具726.2.5 定义机床驱动726.3 加工仿真73总结75参考文献76第一章 绪论1.1 数控加工技术概述1.1.1 数控加工技术起源数控加工技术是20 世纪40 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1947 年，美国帕森斯（Parsons）公司为了精确地制作直升机机翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想，他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015 英寸（0.0381mm）

15、这在当时的水平来看是相当高的。1949 年美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作，于 1952 年研制成功世界上第一台数控机床三坐标立式铣床，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。1.1.2 数控加工的特点、应用及关键技术数控加工是采用数字信息对零件加工过程进行定义，并控制机床进行自动运行的一种自动化加工方法，它具有以下几个方面的特点：（1） 具有复杂形状加工能力。复杂形状零件在飞机、汽车、造船、模具、动力设备和国防军工等制造部门具有重要地位，其加工质量直接影响整机产品的性能。数控加工运动的任意可控性

16、使其能完成普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。（2） 高质量。数控加工是用数字程序控制实现自动加工，排除了人为误差因素，且加工误差还可以由数控系统通过软件技术进行补偿校正。因此，采用数控加工可以提高零件加工精度和产品质量。（3） 高效率。与采用普通机床加工相比，采用数控加工一般可提高生产率 23倍。在加工复杂零件时生产率可提高十几倍甚至几十倍。特别是五面体加工中心和柔2性单元等设备，零件一次装夹后能完成几乎所有部位的加工，不仅可消除多次装夹引起的定位误差，且可大大减少加工辅助操作，使加工效率进一步提高。（4） 高柔性。只需改变零件程序即可适应不同品种的零件加工，且几乎不需要制造专用

17、工装夹具，因此加工柔性好，有利于缩短产品的研制与生产周期，适应多品种、中小批量的现代生产需要。数控加工是一种可编程的柔性加工方法，但其设备费用相对较高，故目前数控加工多应用于加工零件形状比较复杂、精度要求较高，以及产品更换频繁、生产周期要求短的场合。目前的数控加工主要应用于以下两个方面：第一个方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等，其目的在于： 提高加工效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速高精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能；

18、另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等，该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机产品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控加工涉及到以下几个方面的关键技术：（1） 复杂形状零件的几何建模对于基于图纸以及型面特征点测量数据的复杂形状零件数

19、控编程，其首要环节是建立被加工零件的几何模型。复杂形状零件几何建模的主要技术内容包括：曲线曲面生成、编辑、裁剪、拼接、过渡、偏置等。（2） 加工方案与加工参数的合理选择数控加工的效率与质量有赖于加工方案与加工参数的合理选择，其中刀具、刀轴控制方式、走刀路线和进给速度的自动优化选择与自适应控制是近些年来所研究的重点问题。其目标是在满足加工要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下具有尽可能高的加工效率。（3） 刀具轨迹生成刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深入的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。刀具轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能

20、满足：无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削负荷光滑并满足要求、代码质量高。同时，刀具轨迹生成还应满足通用性好、稳定性好、编程效率高、代码量小等条件。（4） 数控加工仿真尽管目前在工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面已取得很大进展，但由于零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序不存在任何问题仍十分困难，其中最主要的如加工过程中的过切与欠切、机床各部件之间的干涉碰撞等。对于高速加工，这些问题常常是致命的。因此，实际加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。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，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等

21、特点，是提高编程效率与质量的重要措施。（5） 后置处理后置处理是数控加工编程技术的一个重要内容，它将通用前置处理生成的刀位数据转换成适合于具体机床的数控加工程序。其技术内容包括：机床运动学建模与求解、机床结构误差补偿、机床运动非线性误差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。1.1.3 数控加工技术的作用及主要内容数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还

22、使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断提高。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术，美国与西方各国在高档数控机床与加工技术方面，一直对我国进行封锁限制。因为许多先进武器装备的制造，如飞4机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。如著名的“东芝事件”，即是由于苏联利用从日本获得的大型五

23、坐标数控铣床，用其制造出低噪声潜艇螺旋桨，使得西方的反潜设施顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引进了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用于军事用途的零件加工。特别是 1999 年美国的考克斯报告，其中一项主要内容就是指责我国将其购买的二手数控机床用于军事工业：这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。图 1.1 数控加工主要内容Fig1.1 Main content of NC manufacture数控加工技术是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有关理论、方法与实现的技术，它是自动化、柔性化、敏捷化

24、和数字化制造加工的基础与关键技术。数控加工过程包括由给定的零件加工要求（零件图纸、CAD 数据或实物模型） 进行加工的全过程，其涉及的主要内容如图 1.1 所示。一般来说，数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两大方面。1.2 数控编程技术概括地说，数控编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以确定加工方案，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；建立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照数控系统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得到合格的加工程序。根据问题复杂程度的不同，数控加工程序可通过手工

25、编程或计算机自动编程来获得。手工编程是指编制零件数控加工程序的上述各步骤均由人工来完成，只能解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程问题。计算机自动编程也即是计算机辅助编程，它是借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序。此时，编程人员一般只需借助数控编程系统提供的各种功能对加工对象、工艺参数及加工过程进行较简便的描述后，即可由编程系统自动完成数控加工程序编制的其余内容。1.2.1 发展历程20 世纪 50 年代，麻省理工学院（MIT）设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言 APT。其后 MIT 组织美国各大飞机公司共同开发了 APT。到了 60 年代，在 APT的基础上研制

26、的 APT，已经到了应用阶段。以后又几经修改和充实，发展成为 APT、APTAC 和 APT/SS。APT 能处理二维、三维铣削加工，但较难掌握。为此，在 APT 的基础上，世界各国发展了带有一定特色和专用性更强的 APT 衍生语言，如美国的 Compact、ADAPT，德国的 EXAPT，日本的 HAPT、FAPT，英国的 ZCL，法国的 IFAPT，意大利的MODAPT 和我国的SKC-1、SKC-2、SKC-3、CAM251 以及微机上使用的EAPT、HZAPT、MAPT 等。APT 使数控加工编程任务从面向“汇编语言”级的数控系统指令代码描述，上6升到面向零件几何元素和加工方式的高级语

27、言级直接描述，具有程序简练、走刀控制灵活等优点，但 APT 也存在数控语言编程方法难以克服的缺点和不足：零件的设计与加工之间是通过工艺人员对图纸解释和工艺规划来传递信息，对操作者要求很高， 且阻碍了设计与制造的一体化；用 APT 语言描述零件模型一方面受语言描述能力的限制，同时也使 APT 系统几何定义部分过于庞大，并缺少直观的图形显示和验证手段。1972 年，美国洛克西德加里福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助设计、绘图和编制数控加工程序的一体化系统 CADAM 系统，从此揭开了 CAD/CAM 一体化的序幕。1975 年，法国达索飞机公司引进 CADAM 系统，为已有的二维加工系统CA

28、LI-BRB 增加二维设计和绘图功能，1978 年进一步扩充，开发了 CATIA 系统。随着计算机处理速度的发展和图形设备日益普及，数控编程系统进入了 CAD/CAM 一体化时代。目前，应用较为广泛的数控编程系统有 APT/SS、CADAM、CATIA、EUKLID、UG NX、INTERGRAPH、Pro/Engineering、MasterCAM 等，这些系统的数控编程功能都比较强，且各有特色。国内西北工业大学、华中理工大学等开发的图形编程系统如 NPUGNCP 和 InteCAM 也具有 2.5D 零件加工和雕塑曲面多轴加工等功能，达到了实用化程度。1.2.2 数控编程技术现状和趋势日益

29、增多的复杂形状零件和高精、高效的加工对数控编程技术提出了越来越高的要求，面向复杂形状零件、多轴加工和加工过程优化的数控编程技术越来越重要。同时，为适应高速加工、CIMS、并行工程和敏捷制造等先进制造技术的发展，缩短产品研制生产周期以柔性与快速地响应市场需求，数控编程技术呈现出进一步向集成化、智能化、自动化、易使用化和面向车间编程等方向发展的趋势。复杂形状零件的加工一直是数控编程技术的主要研究内容。对于三坐标加工，目前的编程系统一般能较好地完成，达到较高的稳定性。但由于多轴加工在加工复杂形状零件的能力、质量和效率等诸多方面的显著优势，多轴编程显得越来越重要。但多轴加工编程较复杂，特别是由于零件形

30、状的复杂多变，要实现较通用的多坐标自动编程有较大难度。因此，目前编程系统中对多坐标加工的处理一般采取面向专用零件方式。数控加工的效率与质量极大地取决于加工方案与加工参数的合理选择，包括合适的机床、刀具形状与尺寸、刀具相对加工表面的姿态、走刀路线、主轴速度、切削深度和进给速度等。为了优化这些参数，必须知道在复杂的切削状态下这些参数与刀具受力、磨损、加工表面质量及机床颤振等众多因素之间的关系。在复杂形状零件的加工过程中，切削状态往往一直是变化的，其优化措施还必需具有动态自适应的特点。对于加工方案与参数的自动选择与优化是数控编程走向智能化与自动化的重要标志和要解决的关键问题，同时也是实现面向车间编程

31、的重要前提。在建立工艺数据库的基础上，采取自动特征识别和基于特征与知识的编程是解决该问题的重要途径。目前， 对于加工方案与参数的自动选择与优化已开展了不少研究，如韩国高等科学与技术研究院开发的 Unified CAM-System、应用并行工程和智能制造模式完成的模具CAD/CAM、日本索尼公司的 Fresdam 系统以及美国 Purdue 大学开发的 CASCAM 系统等已实现了一定的智能化与自动化，但尚未达到系统实用的程度。集成化是指数控编程系统与其他系统如计算机辅助设计系统、加工过程控制系统、质量控制系统等的集成。集成化的目的是便于各系统间的信息反馈和并行处理， 提高编程以至整个产品设计

32、制造过程的效率与质量。对于编程系统与 CAD 系统，目前应用较广的以实体造型几何数据库为核心的集成方法，可直接从 CAD 数据库中提取所需要的几何信息及拓扑信息进行数控编程，但这种方式仍然需要较多的人工干预。另一种是以产品模型数据库为核心的集成化方法。产品模型的建立采用新一代的特征造型技术，包括了产品的完备信息，因此有利于根据模型所包含的几何与非几何信息来自动确定加工方案、进给速度、主轴速度和切削深度等，是一种很理想的集成化方法1。1.3 本文研究对象及问题来源本文研究对象固体火箭发动机喷管阳球体，来源于横向科研项目“固体火箭发动机关键部件 CAD/CAE/CAM 一体化技术研究”。某系列二级

33、固体火箭发动机的喷管是采用全轴摆动喷管，它是国内独创的由推力向量控制的全轴摆动喷管，其结构的复杂性决定其要求的高精度性，它最核心的零件是阴球和阳球，其球径的尺寸精度、球心的位置精度、以及球面的表面粗糙度的好坏， 直接影响着喷管的球面间隙和摆动力矩等喷管整体的精度和性能。以往这两个工件的球面的半精加工是在卧式车床 CA4 上依靠靠模通过液压仿形8来完成的，精加工是在 M250 内圆磨床上依靠自制工装（将 M250 内圆磨床上部分垫高，导致机床刚度、精度均较差）采用范成法磨削来完成的，其工件的加工和测量都很困难，其球心位置精度是通过靠模板上的刻度线用目测的方法来保证的。工件的主要精度是依靠操作者的

34、技术水平和经验来保证。在以往产品的生产中，据统计工件超差率在 40%以上，废品率达 17%，球面表面粗糙度仅能达到 Ra0.8。这样的加工方法只能勉强应付研制阶段的单件小批量生产，以数量保质量来完成研制生产任务，根本满足不了批生产的要求。在 XX-XX 固体火箭发动机的 X01 批生产中，由于阴、阳球的球心位置的超差或表面粗糙度不合格，造成 XX 喷管的球面间隙超差率达 35%以上，冷摆力矩在 300 900N.m 之间。而且有一台喷管装配后，由于阴、阳球球心位置不协调，导致装配位置不对，喷管摆动过程中造成支撑零件损坏，产品报废，出现了严重的质量事故。近年来，随着研制型号的增加和新工艺、新材料

35、的应用，新型 XX 喷管的阴球和阳球的球面硬度要求在 HRC63 以上，球径从 S150mmS450mm 系列的全轴摆动喷管开始研制生产。而且其结构造成磨削加工已无法实现（没有满足磨削加工条件的退刀槽），在材料应用方面有的沿用了以往的 20CrMnTi 表面碳氮共渗后淬火，而为了减轻零件的重量，更新的材料应用是在钛合金机体上电镀镍基合金，其硬度可达 HRC6365 或通过先进的扩散焊工艺焊接上淬火后（硬度 HRC6365）的轴承钢。综合上述，现有专用加工工艺根本无法满足 XX-XX 系列固体火箭发动机 XX 喷管的阴、阳球球面的精加工，以及新的产品型号的研制生产任务。设备需进行技术改造，在引进

36、新设备的基础上进行新工艺方法的研究。从加工工件的技术特点上分析， 主要是球面加工，高硬度和高精度，球面为内、外球的一部分（球缺），而且均不过球心，同时应考虑加工过程中的检测问题，所以设备需满足以要求52。1.4 本文研究的目的及意义本文利用UG 的CAD/CAM 模块实现了固体火箭发动机喷管阳球体的数控编程及加工仿真，其目的在于从新加工工艺及高质量数控编程角度出发，探索一条实现固体火箭发动机喷管阳球体球面高精、高效加工的新方法。利用 UG 的 CAD/CAM 模块进行数控编程，一方面可以方便地实现复杂形状零件的多坐标数控编程，生成高效、高精的 NC 程序。另一方面，可以通过刀轨检查来校验刀具轨

37、迹的质量，及时地发现刀具跟零件之间的过切和欠切。此外，通过虚拟加工过程仿真能够提前发现机床各运动部件、夹具、刀具和零件之间的干涉和碰撞，迅速确定干涉碰撞发生的位置和相应的 NC 程序段，便于对 NC 程序进行修改，从而大大提高实际加工的效率，进而缩短生产周期。1.5 本文的内容安排本文的主要研究内容如下：（1） 零件加工工艺分析，包括：球面加工方法的确定，机床、刀具及切削参数的选择，夹具和对刀装置的设计等。（2） UG/CAD 环境下的零件参数化建模。涉及 UG 建模方法，WAVE 技术，主模型概念等（3） UG/CAM 环境下的数控加工编程。涉及加工工艺参数优化，刀轨生成和检查等。（4） 基

38、于 UG 的后置处理。涉及通用后处理器及用户事件的创建方法，机床运动参数的设置等（5） UG/CAM 环境下数控加工仿真。涉及机床运动模型及驱动的构建方法，以及如何进行加工仿真等。9第二章 零件加工工艺分析加工工艺的合理确定对实现优质、高效、经济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切削策略才能获得较理想的加工效果。从加工的角度看， 数控加工技术主要也就是围绕加工方法与工艺参数的合理确定及有关其实现的理论与技术。对于复杂形状零件的加工，加工方案与加工参数的合理选择是一个较复杂的问题。2.1 固体火箭发

39、动机喷管阳球体技术指标如图 2.1 所示，球面的表面粗糙度为 Ra0.4，球面碳氮共渗后淬火，硬度要求为HRC6065，球心位置公差为 0.1mm，球径公差为 0.02mm。图 2.1 阳球体截形和技术要求Fig2.1 Section shape and technics specifications of positive sphere112.2 加工工艺分析2.2.1 机床选择通过查阅资料了解到德国的德马吉公司、德国的斯宾纳公司和美国的哈挺公司生产的设备刚性较好，车削超硬材料（HRC6065）的表面粗糙度能达到 Ra0.1。而且机床的稳定性较好，国内用户已有实践。但在使用车削方法加工球面时

40、车刀往往都带有尖角，由于固体火箭发动机喷管阳球体球面材料为 20CrMnTi，硬度高，碳氮共渗淬火后有一定的变形而且整个球面的硬度不均匀，所以，刀片在切削过程中会受个别硬点的冲击，常常造成刀具的崩刃， 并且刀片的磨损也加速。这样就造成零件的表面粗糙度不均匀且精度下降。因此，本文想采用平底立铣刀的侧刃来精加工球面，这样既可以提高零件表面粗糙度的均匀度，又可以进一步提高其精度。基于以上思路，本文机床选用德国德马吉公司生产的 dmu_70_v 五轴加工中心。该机床拥有万能钻削和铣削机床的优点，以及立式加工中心的精确性和经济性。同时， 由于该机床的刚性比较好，所以更适合超高硬度材料的切削加工。dmu

41、70_v 是在dmu_50_v 基础上改造而成，除了拥有更大的横向走到外，还配备了 NC 旋转台面， 是其所属机器等级中唯一提供如此齐全配置及功能的机型。此外，它还拥有更大的内部空间，可容纳更大尺寸的工件，在防止工件碰撞上也有很大改善。同时，与三坐标数控加工曲面相比较，五坐标数控加工曲面有许多优点下面以端铣刀加工为例，加以说明。（1）提高加工质量由于用球头铣刀成型加工时，球头刀与工件表面的逼近是以球面的运动去逼近， 以点成型；用端铣刀加工曲面是用平面的运动去逼近待加工表面、以面带成型，这样可以保证加工点处切削速度较高，因而有较好的且一致的表面质量下面用在相同的行距下的切削来比较两种加工的残留

42、断面高度。图 2.2 为三坐标数控加工时行距与残留表面断面高度的关系图。设工件曲率半径为，球头刀半径为 r，行距为 s，残留断面高度为 h。图 2.2 三坐标数控加工时行距与残余高度的关系Fig2.2 Relationship between stepover and scallop height on 3-axis NC machiningP0 P1 P0 P3 = P0 P4 P0 P513即：r (r + 2r) = (r + h)(r + h + 2l)而：cos j = r + h + l（2-1）2r + r即：l = (r + r) cos j - r - h2（2-2）将式（2

43、2）代入式（2-1），得：r (r + 2r) = (r + h)2(r + r) cos j - r - h2即：r 2 + rr + rh + h2 2cos j =2(r + h)(r + r)（2-3）又因：sin j = s（2-4）22r r 2 + rr + rh + h2 /2 2s2(r + h)(r + r)+= 14r 2（2-5）将式（2-5）展开，并略去h2 及h4 项得：h = s2 1 + 1 + 1+ h 8r8r8rr8r 2 考虑到 h，hr，有：h = s2 1 + 1 （2-6） 8r8r 另一方面，用端铣刀在五坐标数控铣床上加工曲面的加工行距与残留断

44、面高度关系如图 2.3 所示。图 2.3 五坐标数控加工时行距与残余高度的关系Fig2.3 Relationship between stepover and scallop height on 5-axis NC machining由图（2-2）可得：cos j = r （2-7）2r + h而：sin j = s22r因而有：r 2+ s2 =r 2 + 2rh + h2将上式展开并略去h2 项，有：4r 21h = s2 1 + h 8r4r 2 同样考虑到 h，故：h = s2 1 （2-8）8r比较式（2-6）和式（2-8）可知，端铣刀五坐标数控加工的断面残留高度小于球头刀三坐标数控

45、加工的断面残留高度。（2） 提高加工效率从式（2-3）和（2-4）可得三坐标数控加工曲面时的行距 s：r 2 + rr + rh + h2 2 15s = 2r sin arccos(r + r)(r + h)（2-9）8 r + hr + r或从式（2-6）导出简化公示：s =（2-10）用端铣刀进行五坐标曲面铣削时，行距 s 的计算式可由式（2-8）导出：8rhs =（2-11）比较式（2-10）和式（2-11）可知，在相同的表面质量要求下，即相同的 h 值下， 五坐标数控加工比三坐标数控加工可以采用大很多的行距s，因而有更高的加工效率。对于采用线接触式加工曲面（如图 2.4 所示以直母线

46、形成工件侧面的加工），采用五坐标加工既高效又高质量，使三坐标数控加工在加工质量和效率方面无法比拟。图 2.4 直母线加工Fig2.4 Straight generatrix machining（3） 扩大工艺范围在航空制造部门中有些航空零件，如航空发动机上的整体叶轮，由于叶片本身扭曲和各曲面间相互位置限制，加工时不得不转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工， 另外在模具加工中有时只能用五坐标数控才能避免刀身与工件的干涉。（4） 有利于制造系统集成化出于发展的考虑，现代机械加工都向着加工中心、FMS 方向发展，加工中心能在同一工位上完成多面加工，保证位置精度且提高加工效率，国外数控镗铣床和加工中心为了适应多面体和曲面零件的加工，均采用多轴加工技术，其中包含有五轴联动功能，因此在加工中心上扩展五轴联动功能可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化2。2.2.2 刀具选择碳氮共渗淬硬钢 20CrMnTi 硬度为 HRC6065，切削温度高，切削力大，属于难加工材料。目前适合加工淬硬钢的刀具材料，有硬质合金、陶瓷和 CBN（立方氮化硼）。但与前两种材料相比，在高硬度材料加工时