基于准均匀三次B样条曲线的“S”试件建模仿真加工..doc

PAGE \* MERGEFORMAT 2 基于准均匀三次 B样条曲线的“S”试件建模仿真加工 1.背景与需求 国家在高端装备制造业“十二五”发展规划中明确提出了让智能制造装备产业基本满足国民经济重点领域和国防建设需求的发展目标。近年来，数控机床，特别是高速五轴联动数控机床越来越多的应用在航空、航天、汽车、轨道交通、海洋工程、模具成型、化工原材料加工等领域。相比普通机床，五轴数控机床具有非正交运动轴，可以连续改变刀具的空间姿态，能够加工自由曲面，具有加工精度高、零件加工一致性好、生产效率高等特点，适合加工复杂异形零件。在一些关键、复杂的零部件加工中，常常对零件的尺寸精度提出较高要求，尤其在数控机床的高速联动加工中，不容易保证其加工精度。由于现阶段高端制造装备的核心技术大多由发达国家所垄断，出于政治、军事、经济的战略角度考虑，其研发、制造以及保障技术一直被严格控制。我国正处于加快转变经济发展方式、实现由制造业大国向强国转变的工业转型升级期，国产高档数控机床的性能严重制约着我国高端装备制造业发展。 数控机床在出厂安装、调试以及后续的生产、保养、维修中都需要着重关注其加工性能，尤其是其加工精度。机床的各运动传动部件以及控制环节产生的误差会逐渐累积，最终反映在零件的加工误差上。由于多轴数控机床在结构上的复杂性和多样性，现有的国内外机床检验通则和规范都还仅限于三轴数控机床的静态精度和低速加工性能，满足不了高速五轴数控机床的检验要求。 当前，在我国数控机床市场中，高档数控机床，特别是五坐标联动、大型数控机床的市场份额为国外品牌所占领。机床工业的现状致使我国航空结构件数控加工装备长期以来以进口国外设备为主，尤其是五轴加工等高技术关键装备接近100%依赖进口。 中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司基于航空结构件的薄壁特性，提出了一种“S”形机床检验试件，如图1所示。由沈阳机床（集团）有限责任公司、天津大学、成都飞机工业（集团）有限责任公司产学研用各方联合实施，研制出了国产首台用于复杂钛合金航空结构件加工的五轴联动加工中心。同时，通过“S”试件切削工艺技术研究，完成了“S”试件试切实验。该试件在实际生产中能够有效的检验五轴数控机床对航空结构件的加工性能。通过三坐标测量机对“S”形检验试件的轮廓误差进行测量，评判试件的加工精度，从而判断机床的加工性能。 图1 “S”形机床检验试件 2.专题作业 2.1建模过程 第一步：通过翻阅施法中老师的《计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条》，得知准均匀三次B样条曲线方程；通过matlab编程，将4组控制顶点拟合出4条B样条曲线，如图2所示。由于每条B样条共有12个控制顶点，共能拟合9段曲线，通过给定参量步长，每段得到曲线上的101个点，从一百个点中的前、中、后分别选取一个点，又由于每段最后的一个点与下一段的第一个点相同，因此每条B样条共采集19个点。相关程序见附录1。 图2 第二步：将每条B样条的19个顶点导入到UG中，生成出4条B样条曲线,绘制出两个直纹面，并构建“S”形实体模型，如图3-4所示； 图3 图4 第三步：根据毛坯尺寸，构建毛坯实体模型，如图5所示。并将加工后的“S”形实体模型同毛坯模型组合在一起，如图6所示。建模完成，等待进一步的仿真加工。 图5 图6 2.2工艺方案 2.2.1切削刀具和切削参数 切削刀具和对应的切削参数由机床厂家和用户协商确定并作出记录。选用 下面为建议采用的刀具和切削参数。 切削刀具： 刀具类型：立铣刀 20mm 刀具直径：20毫米 刀具工作长度：不小于50毫米 切削刀具参数设置如图7所示。 图7 切削参数： 推荐的切削深度为5-10毫米。针对不同类型的机床的进给速度要求推荐如下： 主轴转速大于18000转/分：5000毫米/分 主轴转速大于等于10000转/分并小于18000转/分：3000毫米/分 主轴转速大于等于6000转/分并小于10000转/分：2000毫米/分 主轴转速小于6000转/分：1000毫米/分 主轴转速选取8000转/分，进给率为2000毫米/分，如图8所示。 图8 2.2.2加工过程 加工坐标系如图9所示 图9 加工坐标系 步骤1：直纹面的粗加工。粗加工采用五轴侧铣加工，保证S形曲面每边各留1mm的加工余量。 步骤2：直纹面的半精加工。半精加工采用五轴侧铣加工，保证S形曲面每边各留0.8mm的加工余量，如图10所示。 步骤3：直纹面的精加工。精加工采用五轴侧铣加工来获得最终的S件曲面。 图10 半精加工余量设计参数 2.3数控编程及仿真 仿真 粗加工轨迹生成如图11所示： 图11 半精加工轨迹生成图12所示： 图12 精加工轨迹生成图13所示： 图13 仿真界面如图14所示： 图14 仿真过程如图15-16所示： 图15 图1