曲面零件的加工工艺设计

摘要

随着科学技术的发展和制造水平的提高，社会加工中曲面零件出现的越来越多，人们对曲面零件的精度要也求越来越高。曲面零件的加工也一直是现在社会加工的重要研究方面。本文主要分析了曲面零件的加工，从普通车床的曲面零件的加工分析、数控车床的曲面零件分析及对于典型曲面零件飞机机翼的Pro/E建模制和数控仿真的运用。

本文对曲面零件的加工工艺有了一个较为全面的总结。首先介绍了曲面零件的加工发展和加工中最常用的逆向工程的介绍。通过对普通机床的研究改造说明普通机床上的曲面加工的方法及可行性。之后介绍曲面零件在数控机床中加工，阐述数控加工的特点及数控机床的认识。最后通过Pro/E的三维建模和曲面造型等方法设计飞机机翼外形，使得飞机机翼外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G 代码，再经过后续处理模拟机床加工，实现在虚拟的环境中进行飞机机翼模型的设计和加工。

关键词：普车曲面加工，数控曲面加工，逆向工程，Pro/E三维建模

Abstract

With the development of science and technology and manufacturing standards improve, more and more curved parts of social process, people on the surface of the parts precision is also increasingly high demand. Machining of curved surface parts has been an important research aspect of social processing now. This paper mainly analyzes the machining of curved surface parts, using surface analysis, from the machining of curved surface part of the ordinary lathe CNC lathe and for the typical aircraft wing surface parts of Pro/E construction molding and NC simulation.

This process on the surface of the parts have a more comprehensive summary .First, the reverse engineering is the most commonly used processing development of curved surface parts and processing in the paper. Through the study of the reforming of ordinary machine tool that surface processing of general machine tools and feasibility. After the introduction of surface machining in CNC machine tools, understanding the characteristics and CNC machining .Finally, 3D modeling and surface modeling method of Pro/E design of aircraft wing shape, the aircraft wing shape design for visualization, and then through the NC module Pro/E, NC sequences generated automatically converted to G NC machining simulation code, after further processing, design and processing of an aircraft wing model in virtual environment the.

[keyword]:Surface processing of general machine tools，Surface machining of CNC machine tools，Reverse engineering Pro/E 3D modeling

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目录

摘要...................................................................... I Abstract................................................................... II 目录.................................................................. - 1 - 序言.................................................................. - 1 - 第一章曲面零件的分析介绍.............................................. - 2 -

1.1曲面零件的生产过程............................................... - 2 -

1.1.1曲面造型方法的发展......................................... - 2 -

1.1.2机械零件加工工艺在制造生产过程中的应用..................... - 4 -

1.2曲面零件的特点及逆向工程介绍..................................... - 4 -

1.2.1 逆向工程概述............................................... - 4 -

1.2.2 逆向工程的重要意义......................................... - 5 -

1.2.3 国内外研究现状............................................. - 5 -

1.2.4逆向工程的在引进技术中的应用............................... - 6 - 第二章、曲面零件在普通机床上的加工工艺.................................. - 7 -

2.1 C6140车床曲面加工的改进........................................ - 7 -

2.1.1 切削运动改造............................................... - 7 -

2.1.2 切削运动改造的思路......................................... - 7 -

2.1.3 立铣头的设计............................................... - 7 -

2.1.4 靠模法中铣刀进给运动的改造................................. - 8 -

2.1.5 车床床身导轨上附加工作台的改造............................. - 9 -

2.2 普通机床曲面叶片优化设计....................................... - 9 -

2.2.1普通机床的条件下加工弧形曲面............................... - 9 -

2.2.2设备要求.................................................. - 10 -

2.2.3操作注意事项.............................................. - 11 - 第三章、曲面零件在数控机床上的加工工艺................................. - 12 -

3.1 曲面零件数控加工的原理及特点................................... - 12 -

3.1.1数控加工的原理............................................ - 12 -

3.1.2 数控加工的特点............................................ - 12 -

3.2数控机床及加工介绍.............................................. - 13 -

3.2.1三轴数控机床技术简介...................................... - 13 -

3.2.2四轴数控机床技术简介...................................... - 13 -

3.2.3 五轴技术简介.............................................. - 14 - 第四章、典型零件飞机零部件工艺设计及建模............................... - 16 -

4.1机翼的功用及简介................................................ - 16 -

4.2基于pro/E建模设计.............................................. - 16 -

4.2.1 新建零件文件.............................................. - 16 -

4.2.2草绘...................................................... - 17 -

4.2.3 创建拉伸特征.............................................. - 17 -

4.2.4 创建边界混合特征.......................................... - 19 -

4.2.5 创建拉伸特征.............................................. - 19 -

4.3 零件的数控编程及模拟加工....................................... - 20 -

4.3.1 基于Pro/E的NC加工操作流程............................... - 20 - 结论................................................................. - 27 - 致谢................................................................. - 28 - 参考文献............................................................... - 29 - 附录................................................................. - 30 -

序言

目前在国内曲面零件的设计加工还是比较少的，但也是正在迅速发展的方面。本次设计选取曲面零件加工工艺的课题，借此机会会了解一些关于曲面加工的知识，同时也在这次设计中加深对Pro/E软件的三维建模模块和NC数控加工模块的掌握。

课题研究的内容曲面零件的加工工艺设计，主要分析了曲面零件的加工，首先介绍了曲面零件的加工发展和加工中最常用的逆向工程的介绍。通过对普通机床的研究改造说明普通机床上的曲面加工的方法及可行性。之后介绍曲面零件在数控机床中加工，阐述数控加工的特点及数控机床的认识。最后通过Pro/E的三维建模和曲面造型等方法设计飞机机翼外形，使得飞机机翼外形设计面向可视化，然后通过Pro/E的NC模块，自动生成NC序列后转化成数控加工G代码，再经过后续处理模拟机床加工，实现在虚拟的环境中进行飞机机翼模型的设计和加工。

本文对于曲面加工有了一个较为全面的总结和介绍。其中对于数控加工中的pro/e建模造型机后续处理的数控仿真技术都有了详细的介绍，对于pro/e软件初学者来说也是一个相对比较详细的教程，简单易学。

第一章曲面零件的分析介绍

1.1曲面零件的生产过程

1.1.1曲面造型方法的发展

在复杂零件中，自由型曲线曲面因不能由画法几何与机械制图方法清楚表达，成为工程师们首先要解决的问题。如何表达自由型曲线曲面，人们进行了不断的研究。曲线、曲面的表示经历了Ferguson(Hermit)双三次曲面片，Coons双三次曲面片，Bezier方法，B样条方法，发展到目前广泛流行的NURBS方法。

1963年，美国波音(Boeing)飞机公司的弗格森(Ferguson)提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双三次曲面片，也称作Hermit双三次曲面片。Hermit曲面片构造曲面模型时，所形成的曲表面经过所有的型值点。该曲面片更适合构造那些外形完全是曲面结构的模型，而对于那些同时含有平面和曲面结构的几何模型，该方法具有自身不可克服的局限性，对于既含直线又含曲线结构的自由曲线，直线段与曲线段交接处容易出现多余拐点，以致影响曲线的平滑程度。

1964,美国麻省理工学院的孔斯 (Coons)发表了一个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可以定义一块曲面片。并于1967年进一步推广了他的这一思想，形成了Coons曲面。Coons曲面过全部的控制点。目前在CAGD实践中广泛应用的只是它的特殊形式—孔斯双三次曲面片。它与弗格森双三次曲面片都存在着形状控制与连接问题，区别是孔斯双三次曲面片将角点扭矢由零矢量改取为非零矢量。舍恩伯格(Schoenberg)提出的样条函数解决了连接问题，但是不存在局部形状调整的自由度，样条曲线和曲面的形状仍然是难以预测的。

1971年，法国雷诺 (Renault)汽车公司的贝塞尔 (Bezier)发表了一种用控制多边形定义曲线的方法，即贝塞尔方法。此法简单易用，又出色地解决了整体形状控制的问题，形状变化开始变得完全在预料之中了。曲线的起点和终点与控制多边形的起点和终点重合，且多边形的第一条边和最后一条边表示了曲线在起点和终点处的切矢量方向。曲线的形状趋于特征多边形的形状。可以通过控制多边形的控制点来更改曲面的形状，可用型值点来确定曲线的形状.根据各个型值点的位置就可预测曲线的大致形状。但是贝塞尔方法仍然存在连接问题及局部修改问题。特征多边形顶点个数决定该曲线的阶次，并且当n较大时，特征多边形对曲线的控制将会减弱;该曲线不能做局部修改，即改变某一个控制点的位置对整条曲线都有影响，其原因是调和函数B,_(t) 在O-

1972年，德布尔 (deB oor)给出了B样条的一套标准算法。此法被美国通用汽车公司的戈登(Gordon)和里森费尔德(Riesenfeld)所利用，并于两年后将B样条理论应用于形状描述，提出了B样条曲线曲面。B样条曲线曲面几乎继承了贝塞尔方法的一切优点，克服了其

存在的缺点。较成功地解决了局部控制问题，又轻而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题。结合了Coons曲面和Bezier曲面的重要特性，但该曲线并不通过型值点，曲线只是在形状上逼近由型值点依序连接成的控制多边形。通过改变型值点可以调整曲线的形状。对于k次B样条曲线在修改时只被相邻的k+1个顶点所控制，而与其他顶点无关。当移动一个顶点时，只对其中一段曲线有影响，并不对整条曲线产生影响。可以用B样条线构造直线段、尖点、切线等特殊情况。缺点是圆柱、球体、圆锥等基本曲面不能精确的表现出来，仅能近似表现。

上述各种方法尤其是B样条方法较成功地解决了自由曲线曲面形状描述问题，但是应用于圆锥截面线及初等解析曲面却是不成功的。只能得到近似的描述，不能满足大多数机械产品的要求。虽然代数几何里的隐方程形式可以满足这一要求，在参数表示范围里，也先后给出了专门的有理表示方法，但是，想要在几何设计系统中引用这些与前述自由曲线曲面描述不相容的方法，将会使系统变得十分复杂庞大。唐荣锡教授提到(3j工业界感到最不满意的是系统中需要并存两种模型。因为这违背了产品几何定义唯一性的原则，容易造成生产管理混乱。因此，在以前有理曲线曲面从未像非有理曲线曲面那样得到广泛的接受。人们希望找到一种统一的数学方法。

美国锡拉丘兹 (Syracuse)大学的福斯普里尔 (Versprille,1975)在它的博十论复杂曲面零件三维CAD模型构造方法的研究文中首先提出了有理B样条方法。以后，皮格尔(piegl)、蒂勒(Tiller)和法林(Farin)等人也做出了突出贡献，至20世纪80年代后期，非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，简称NURBS)方法成为用于曲线曲面描述的广为流行的数学方法。非有理与有理贝塞尔曲线曲面和非有理B样条曲线曲面都被统一在NURBS标准形式之中，因而可以采用统一的数据库。由于NURBS方法统一了初等曲线、曲面和自由型曲线、曲面的精确表示，因而可以采用统一的数据结构和求值算法;同时NURBS方法中控制点和权因子的引入为曲线、曲面的表示提供了更大的灵活性，局部改变控制点或权因子既可以调整局部的曲线、曲面形状，而又不影响其它部分的形状。美国早在20世纪80年代，就首先把NURBS纳入初始图形交换规范工GES( Initial Graphics Exchange Specification) ['1，并成为美国国家标准(American National Standard，简称ANS)。1991年，国际标准化组织(International Standardization Organization，简称ISO)颁布了关于工业产品数据交换的STEP(Standard for The Exchange of Product model data)国际标准，NURBS被作为I业产品几何形状的唯一数学方法。

到目前为止，CAGD的主要突破是Bezier曲面片和Coons曲面片理论以及随后的B样条方法[61。这些方法已成为许多知名CAD/CAM系统的核心算法，用以构造大至飞机、汽车和船体，小至玩具、首饰等形状各异的曲面，并且已取得可观的效果。然而，上述方法还远不能满足各类应用的需要，从概念设计到最后成品的过程仍然太长，且昂贵而复杂。忽略具体算法而抽象地考虑，无论是NURBS方法还是Bezier方法，都是50年前Schoenberg技术向二维的拓广，并要求构造曲面的型值点分布比较均匀、拓扑呈四边形。但实际生产中会遇到各种不同的情况。

1.1.2机械零件加工工艺在制造生产过程中的应用

由于零件的要求和生产条件等不同，其制造工艺方案也不相同。相同的零件采用不同的工艺方案生产时，其生产效率、经济效益也是不相同的。在确保零件质量的前提下，拟定具有良好的综合技术经济效益、合理可行的工艺方案的过程称为零件的工艺过程设计。

1.生产过程。由设计图纸变为产品，要经过一系列的制造过程。通常将原材料或半成品转变成为产品所经过的全部过程称作生产过程。生产过程通常包括:

(1)技术准备过程包括产品投产前的市场调查、预测、新产品鉴定、工艺设计、标准化审查等。

(2) 或工艺过程指直接改变原材料半成品的尺寸、形状、表面的相互位置、表面粗糙度或性能，使之成为成品的过程。例如液态成形、塑变成形、焊接、粉末成形、切削加工、热处理、表面处理、装配等，都属于工艺过程。将合理的工艺过程编写成用以指导生产的技术文件，这份技术文件称作工艺规程。

(3)辅助生产过程指为了保证基本生产过程的正常进行所必须的辅助生产活动。

2.工艺过程的组成

零件的切削加工工艺过程由许多工序组合而成，每个工序又由工位、工步、走刀和安装组成。

1.2曲面零件的特点及逆向工程介绍

工业产品的曲面零件形状大致分为两类：一类是仅由初等解析曲面（例如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等）组成，大多数机械零件属于这一类，可以用画法几何与机械制图的方法完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息；第二类是不能由初等解析曲面组成，而以复杂自由变化的曲线即所谓自由型曲线曲面组成，例如飞机、汽车、船舶的外形零件。显然，后一类形状单纯用画法几何与机械制图是不能表达清楚的，属于复杂零件的成型是工业生产的重要研究内容。对复杂曲面零件加工的研究具有深远的现实意义。

目前,得到复杂零件CAD模型通常有两种方法，一是通过常规的的CAD造型系统(线框、曲面、实体、特征)建立CAD模型;二是由己有的实物模型群件生成产品的CAD模型。前一种称为正向工程;后一种称为反求工程(Reverse Engineering)也称逆向工程。

1.2.1 逆向工程概述

“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。

广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程。它包括影响逆向、软件逆向和实物逆向等三方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。在某种意义上说，“实物逆向工程”(简称逆向工程)可定义为：逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术

和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的工程。

传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，最后通过检测和性能测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或CAD造型，称为预定模式(Prescriptive Model)，我们也称之为正向工程(或顺向工程)。正向工程流程如图1-1所示。

图1-1正向工程开发流程图

随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用以及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向工程设计首先通过测量扫描仪以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利用成熟的CAD/CAE/CAM技术，快速准确的建立实体几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品、实现从产品或模型—设计—产品的整个生产流程，具体流程如图1-2所示。

图1-2逆向工程开发流程图

1.2.2 逆向工程的重要意义

逆向工程是先用一定的测量手段对实物或模型进行测量，而后把测量数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型，并在此基础上进行改进设计及生产的全过程，它在产品设计中的应用具有非常重要的意义。首先，它能够拓展设计师的设计思维。其次，它缩短了设计周期，降低了设计成本。最后，它对消化和吸收国外先进技术有着重要的意义。

1.2.3 国内外研究现状

日本、美国等工业强国在逆向工程方面的研究依然走在世界的前列，他们对逆向工程

技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。在国内，上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对逆向工程技术进行了研究。

目前，在我国基于实物的逆向工程广泛地应用在产品复制和仿制，尤其是外观设计产品方面，相对容易实现。目前基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后，通过NC加工就能快速的生产所需要的产品。通过逆向工程，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，即在copy的基础上进行改进进而创新，这是提升我国制造业的必由之路。作为新产品开发的重要手段，逆向工程的研究受到广泛的重视，我国已把逆向工程作为国家863高新技术项目在CIMS研究中的重要单元技术，进行了深入的研究，一些重要的国际和国内的学术会议也将逆向工程及相关技术作为一个重要的会议专题。从重要文献和会议情况看，国内外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单位和个人，发表的文章也逐年递增。目前逆向工程已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。

1.2.4逆向工程的在引进技术中的应用

市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，要掌握这些技术，正常途径就是通过逆向工程。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴。

引进技术的应用和开发一般分为三个阶段：

(1)使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在生产中发挥作用。对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及不足之处，即做到“知其然”。

(2) 消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理方法等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定，了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术，即做到“知其所以然”。

(3) 创新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学研究，通过移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并争取进一步实现某些技术从输入到输出的转化。

在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的。对于其他具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式。

第二章、曲面零件在普通机床上的加工工艺

目前普通机床上的曲面加工大多数是采用改造机床从而实现零件的曲面加工，如刀具具的改造，加工切削运动的改造，加上靠模法的利用等。

2.1 C6140车床曲面加工的改进

2.1.1 切削运动改造

加工普通曲面槽所必须具备的切削运动。根据方形曲面槽零件图的机械加工过程分析,在铣床上切削加工方形曲面槽所必须具备的切削运动有主运动、纵向进给运动、横向进给运动、垂直进给运动和纵、横合成进给运动。而车床上的切削运动只有主运动、纵向进给运动和横向进给运动,显然切削运动不够,必须按照铣床加工方形曲面槽所必须具备的切

削运动要求,对车床进行改造,增加切削运动方式。

2.1.2 切削运动改造的思路

车床的主运动是主轴旋转,带动卡盘和工件一起旋转,在方形曲面槽切削加工中不起

作用,为了人和设备的安全应该卸下卡盘,安装主轴防护罩。车床的纵向进给运动是以丝杆带动大滑板沿着车床的导轨完成的,符合方形曲面槽加工中纵向进给运动要求,不需要对

此进行改造。车床的横向进给运动是垂直于车床导轨做水平垂直方向的进给运动,符合曲面槽加工中横向进给运动的要求,也不需要进行改造。垂直进给运动是垂直于车床导轨做进给运动,控制切削加工中的切削深度,在车床上没有这个运动,需要进行改造。曲面槽是S 形,在切削加工中需由纵向与横向两者合成的进给运动加工而成,在车床上没有这个合成

进给运动,需要进行改造。

2.1.3 立铣头的设计

立铣头如图2-1所示,在立柱的侧面安装一根齿条,齿条由两只圆锥体销子定位和两只

M12螺栓固定在立柱上。机架中间的内孔与立柱的外圆配合,齿轮箱的齿轮与齿条啮合,当转动齿轴时,机架随着齿轮沿着齿条上下移动, 即铣刀可以做垂直方向的进给运动。电动机安装在机架一端,塔形皮带轮的内孔与电动机的转轴配合,拆去车床上的小滑板和刀架,将中滑板转盘T形槽上的两只螺栓与立铣头立柱上的两个固定孔配合固定。铣刀的传动系统是:当电动机接通电源时带动皮带轮旋转,经三角带带动塔形皮带轮旋转,皮带轮带动立铣头主轴旋转(主轴由两只轴承支承) ,主轴带动铣刀旋转。铣刀做垂直进给运动时,先放松锁紧器,然后,旋转齿轴,通过齿轮与齿条啮合带动机架做上下直线移动,实现铣刀的垂

直进给运动。

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图2-1 立铣头

2.1.4 靠模法中铣刀进给运动的改造

靠模法的工作原理。曲面槽靠模法的工作基本原理如图2-2所示。当车床大滑板做纵向进给运动时,滚轮沿着固定靠模板中的模型曲面运动,从点A 移动到点D 过程中, 滚轮做纵、横合成进给运动, 由滚轮带动杆, 杆带动铣刀做纵、横合成进给运动,铣刀从工件点B 加工到点C。根据AD曲线与BC曲线之间的距离相等,得到与固定靠模板的模型曲面一样的工件表面。

图 2-2 曲面槽靠模法的工作基本原理

利用靠模法实现铣刀纵、横进给运动在车床上拆去中滑板横向丝杆,把中滑板的横向丝杆靠近床身后侧的一端加长,增设一副弹簧,套进横向丝杆,同时滚轮与心轴配合,用销子把横向丝杆与心轴连接起来,在弹簧的作用下滚轮始终紧靠模板模型面的一侧。铣刀切削加工前拆下横向丝杆支承座上的4—M8×20的螺钉,使滚轮沿着模板的侧面,形成铣刀

纵、横合成进给运动。

2.1.5 车床床身导轨上附加工作台的改造

C6140车床的床身上没有铣削加工工作台。加工方形曲面槽必须要建立一个长度为2000mm, 宽为350mm的铣削加工工作台。在车床的导轨两端上增设两副支承座和压板,并通过螺栓、垫片、支承座孔和压板的内螺纹与车床床身固定在一起,再在上面放上工作平台,用螺栓把工作台与支承座固定在一起,如图2-3所示。工作台面与车床的导轨面平行度较高,有利于保证工作台面的形状精度和位置精度。

图2-3工作台和靠模结构

2.2 普通机床曲面叶片优化设计

2.2.1普通机床的条件下加工弧形曲面

以轴流转桨式水轮机的转轮加工为例，轴流转桨式水轮机的转轮由转动叶片和转轮体两部分构成，一般情况下转动叶片的数量在4~6片之间，叶片形状多为扇形，而外缘型线为曲面。根据规定的尺寸和形状对叶片外圆进行加工，保证加工过的叶片能满足转轮体的曲面及间隙要求。由于加工的零件部位为叶片的外圆，而叶片外缘呈球形或者半球形等有弧度的曲面，因此加工刀具行走的轨迹需贴合叶片外圆。首先我们从传统加工弧形线的方法着手，普通机床加工弧形线零件都是依靠靠模完成的，具体示意图如图1所示，它是由两个刀架、弧形靠模、弹簧刀杆完成加工的，弹簧刀杆带动刀具沿靠模运动，而刀具的运动轨迹就是加工零件的弧形轨迹，用这样一种原理完成普通机床对曲面零件的加工。如图

2-4为加工弧形线的传统方法：

图2-4 加工弧形线的传统方法

2.2.2设备要求

由于普通机床加工的零件造型都较为简单，因此加工曲面零件必需具备的工具有：刀架2个、靠模、弹簧刀杆和大的加工尺寸范围。加工尺寸范围的计算方法是2倍的弹簧刀杆、加工转轮直径和靠模长度尺寸三者之和就是设备的加工尺寸范围。当弹簧刀杆长0.6m、加工转轮直径为2.5m、靠模尺寸长度为0.3m时，加工的立车尺寸应在5m左右。大部分转桨水轮机的转轮直径都在3m左右，所以常用的立车尺寸也在5m之上。5m大的立车对生产上来说，生产安排和设备方面都有些困难，大尺寸的立车和靠模装置都需要大成本的投入，因此我们需对立车尺寸进行缩小，尽量省去靠模装置，将立车尺寸缩小至3.4m，同时还要保证水轮机转轮叶片的外圆加工。水轮机转轮叶片的转轮直径在2.5m，要利用3.4m的立车完成加工，靠模装置的尺寸是根本不符合的，在不使用靠模装置的前提下利用普通机床完成曲面加工得从刀具方面入手，在刨床加工刀具中，有一种用来加工弧形部件的样板刀，而加工出来的精度基本符合加工要求，然而样板刀有一个缺点，它在加工过程中与工件会有大面积的接触，因此不仅是工件，刀具也需要承受较大的切削力，立车和刨床首先在结构组成上就不同，自然切削方式上也不一样，切削方式就决定了切削的受力方向，因此，不同的加工方式对刀具的要求也不相同，因此在立车上使用的样板刀需特别制作，而找正、装夹和对刀等环节和刨床也不相同，为了防止加工过程中出现工件挤动和刀具松动等现象，装夹和对到过程都需要特别注意，以免影响加工进度。如加工过程使用了靠模装置，加工位置应选在叶片全关闭处，当转轮直径在2~3m左右时，一般走刀的实际长度在

70~100mm左右，这样可以为样板刀创造更多的有利条件，如图2-5所示为样板刀的加工图示：

图2-5 采用样板刀加工图示

立车使用的样板刀与刨床基本相近，当加工的叶片外圆弧线较长时，将样板刀做成两块进行加工，反之一块就可完成曲面加工。

2.2.3操作注意事项

(1)用样板刀加工叶片弧面前需标注出叶片旋转的垂直线和中心线，以保证加工的精确度。首先将道具的位置固定下来，

固定位置必须满足牢固、稳定和准确等要求。而刀具的中心线与转轮叶片的旋转中心需重合。(2)在加工过程中样板刀与工件接触面积过大会造成工件松动和刀具磨损等现象，需对切削方式进行改进，以减小精加工过程中切削力和进刀量。而粗加工过程中的走刀轨迹是由球形轨迹长度和转轮叶片外圆直径决定的，通过计算可以获得。(3)在精加工过程中，由于立车和刨床的走刀方式不一样，所以不能使用自动走刀，为了准确的控制进刀量只能利用手动进刀的方式来控制。进刀过程中需要密切观察刀具的变化情况，尤其是刀具与工件的接触面积，当面积过大、刀台抖动剧烈、发出怪声等现象时，应立即停止加工。

(4)检查加工精度的方法是将样板装在刀架上，让工件处于旋转状态，用塞尺衡量工件与样板间的差距。

第三章、曲面零件在数控机床上的加工工艺

目前曲面零件大多都是采用数控机床进行加工，通过数控编程及零件的工艺分析就能将零件加工出来。数控编程对于曲面零件来说十分重要，而数控加工的工艺设计也是数控加工中非常的重要环节，处理正确与否，关系到所编制零件加工程序的正确性与合理性，其工艺方案的好坏，直接影响数控加工的质量、效益以及程序编制的效率; 数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作。无论是手工编程还是自动编程，这项工作必须在程序编制工作以前完成，为了优化数控程序设计、提高编程效率、合理使用数控机床，我们有必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分析、研究，以做好数控机床加工前的技术准备工作。

3.1 曲面零件数控加工的原理及特点

3.1.1数控加工的原理

采用数控机床进行加工零件，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等信息通过数字信息的形式，编写程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转为驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件的协调动作，自动地加工出曲面零件来。需要更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入机床，即可让数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能来控制加工，从而制造出任意复杂的零件。

数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令来控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，也能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，可以完成加工中所需要的各种辅助动作。

3.1.2 数控加工的特点

数控机床一开始就定位于具有复杂型面的飞机零件作为加工对象，立足于解决普通加工方法难以加工的问题。数控加工的最大特点是用穿孔带(或磁带)控制机床进行自动加工。由于飞机和发动机零件具有不同的特点：飞机的零构件尺寸大、曲面形状复杂；发动机零构件尺寸小、要求精度高。因此数控机床多用于飞机和发动机制造部门，但所用数控机床又有所区别，在飞机制造中以采用连续控制的大型数控铣床为主，而在发动机制造中既采用连续控制的数控机床，也采用点位控制的数控机床，总的来说，数控加工具有以下特点：

(1)自动化程度高，且具有很高的生产效率

整个加工过程除手工装夹毛坯和卸下工件外，其余的全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸的装置，则是组成无人工厂的基本单元。并且数控机床一般带有可以进行自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序进行自动控制，因此，工序比较集中，减轻了工人的劳动强度，改善了劳动条件，有效地提高了生产效率。

(2) 加工精度高，质量稳定

数控加工尺寸精度控制在0.005～0.01 mm 之间，并且不受零件复杂程度的影响。数控加工自动化，避免普通机床上因工人的疲劳、粗心、估计等人为因素带来的误差，提高了产品的一致性，而且精密控制的机床上还安装了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。

(3) 柔性化高，加工能力强

传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专用机床，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，加工能力弱。而数控机床只需改变程序，就可以加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，具有高强的加工能力。

由于数控机床采用数字化控制信息，方便与计算机辅助设计系统进行连接，形成了CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。

3.2数控机床及加工介绍

3.2.1三轴数控机床技术简介

三轴数控机床的坐标系只有X、Y、Z轴，所以能实现机械零件类的平面、内外轮廓、孔、攻螺纹等以及各类模具的加工。一般可进行两轴半加工或三坐标联动加工。

普通数控加工主要为三轴机床除普通三轴机床还有四轴五轴数控机床等

3.2.2四轴数控机床技术简介

四轴数控机床除了X、Y、Z三个坐标轴外，还具有分别绕X、Y、Z轴旋转的A、B、C坐标轴。因此实现四轴功能的方案有多个：①在三轴的基础上增加绕x轴回转的转台；②在三轴的基础上增加绕y轴回转的转台；③在三轴的基础上增加绕z轴的回转工作台

以四轴数控立式铣削机床为例，它是在三轴平动轴机床的基础上增加一个旋转轴构成的，相对于三轴数控加工而言具有以下优点: 首先，四轴加工使刀具有了更大的自由度来避免加工中的干涉现象; 其次，由于刀具在加工中能够相对于加工表面处于一个有利的加工位置，因而具有较好的加工表面质量; 更重要的是，由于刀具运动自由度的增加，可以采用更高效的刀具轨迹控制计算，从而提高了加工效率。图3-1 为VDF—850型四轴数控立式铣削加工中心的整体结构图。

图3-1 VDF—850型四轴数控立式铣削加工中心

数控铣削机床可能的四轴控制形式为: 三直线轴和一旋转轴进行组合，即X 、Y 、Z 直线运动轴和A 、B 、C 中的任意旋转轴进组合，对于立式数控铣削类机床，C 轴实现的形式为主轴或者是工作台旋转控制，由于X 、Y 轴可以进行联动，在机床不超程，刀具不干涉的前提下，可以完成X Y 平面内的任意点位加工，所以实现主轴和工作台回转控制的意义并不是很大。对于立式机床不使用旋转工作台，则往往采用的是矩形工作台，由于机床本身的结构，在Y 方向增加旋转轴就会大大的降低机床的加工空间，工件的拆卸也不

方便。由此可见在四轴控制的数控立式铣削类机床中，X 、Y 、Z 、A 的轴控制形式是最为合理VDF—850型四轴数控立式铣削加工中心的X 、Y 、Z 、A 轴控制形式如图3-2所示。

图 3-2

该类型机床在完成工件一次装夹后，可以自动完成多平面，多角度的多工序加工。

如对复杂箱体的加工，因采用一次性装夹，多工序自动完成，相对于多次装夹，大大提高了零件各要素之间的位置精度和尺寸精度。该类机床也可以通过线性轴与旋转轴组合来完成对螺旋线等典型特征的零件加工和对带回转特征的自由曲面一次性走刀，从而避免了接刀痕的产生，同时也提高加工的表面质量和精度。由于该类机床有足够的行程范围，工艺性能好，所以目前通用的四轴加工中心也以该类型为主。

3.2.3 五轴技术简介

五轴技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于表面形状特别复杂而精度要求相当高的工件的加工，具有高技术、高效率、高效益等特点，是目前机械加工领域的“制高点’’。国际上把五轴技术作为一个国家生产设备自动化技术水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运，限制我国国防、军事工业发展。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。五轴加工机床传统上在航空工业使用，主要加工复杂曲面的元件，如机身结构、涡轮叶片等。这些工件表面几何形状复杂，凹凸不一，大部分的加工时间消耗在表面外形雕刻上。常用的三轴铣床只能沿着三个轴向运动，对复杂曲面的加工采用圆头端铣刀，不可避免地会在工件表面留下扇形尖点，如改用较小的进刀量时会导致加工时间加长，而如用人工方式磨

平这些尖点，又是相当费时费力的工作。用五轴加工机床加工，可以使用平头端铣刀取代圆头端铣刀，由于同时具备五个轴向的自由度，刀具可保持和工件表面的垂直，不仅切削效率高，同时加工出符合设计需要的曲面，可节省大部分的钳工工作。几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的唯一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求诸五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床，而我国五轴数控机床的应用早期仅仅局限于航空、航天及其相关工业。近年来，随着数控技术以及机床设计与制造技术的快速发展，五轴机床成本逐渐降低，其应用领域开始扩展到汽车、模具等制造类行业中。目前大部分模具加工厂使用三轴加工机床进行模具加工，而后需要大量的人工进行钳工修整工作，从降低人工成本出发，势必要以自动化机器取代人力，才能提高模具加工业的竞争力。模具加工业采用五轴加工机床，能够大幅度提高模具加工效率，正成为新的发展趋势。五轴数控加工中心可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，满足从粗加工到精加工的全部加工要求，即适用于单件小批量生产也适用于大批量生产，减少了加工时间和生产费用，提高了数控设备的生产能力和经济性。五轴加工机床在模具加工上的应用对使用者而言主要是投资成本太高，短期不易回收，程序编制及机床使用方面难度较大，不易找到专门人员操作。对机床制造商而言则是研究开发成本高，造成单价高不易销售。长期来看，生产成本核算的降低会和设备、系统的投资达到平衡点，五轴加工机床在模具加工上的应用，无论是对模具加工商还是机床制造商，都是不可忽视的发展趋势。以模具加工为主的五轴加工机床，要求具有高速铣削特性，铣削精度高，加工材料范围广泛，能够对模型表面自动扫描，并将所得数据数字化，另外自动换刀功能也是五轴加工机床必备的。

第四章、典型零件飞机零部件工艺设计及建模

4.1机翼的功用及简介

机翼是飞机的一个重要部件，其主要功用是产生升力。当它具有上反角时，可为飞机提供一定的横侧安定性。除后缘布置有横向操纵用的副翼、扰流片、等附翼外，目前在机翼的前、后缘越来越多地装有各种形式的襟翼、缝翼、等增升装置，以提高飞机的起降或机动性能。机翼上常安装有起落架、发动机等其它部件。现代歼击机和歼击轰炸机往往在机翼下布置多种外挂，如副油箱和导弹、炸弹等军械设备。机翼的内部空间常用来收藏起落架或其部分结构和储放燃油。特别是旅客机，为了保证旅客的安全，很多飞机不在机身内贮存燃油，而全部贮存在机翼内。为了最大限度地利用机翼容积，同时减轻重量，现代飞机的机翼油箱大多采用利用机翼结构构成的整体油箱。此外机翼内常安装有操纵系统和一些小型设备和附件。

图4-1机翼的结构

4.2基于pro/E建模设计

4.2.1 新建零件文件

在工具栏中单击（创建新对象）按钮，或在菜单栏中选择【文件】→【新建】命令，打开“新建对话框”；在“类型”选项组中选择“零件”按钮，在“子类型”选项组中选择“实体”按钮；将“使用缺省模板”复选框取消选择，然后点击【确定】按钮；在弹出的“新文件选项”对话框中，选择mmns_part_solid模板，点击【确定】按钮，进入零件设计界面。