曲面零件（精选5篇）
曲面零件 篇1
0 前言
随着计算机技术的不断发展, 计算机应用的领域也随之扩大, 现阶段几乎所有行业都需要借助计算机来进行工作, 因此, 掌握好计算机技术十分必要。对于基于逆向工程的曲面零件重构工作更是需要相关工作人员熟练掌握相应的计算机技术, 方能达到设计的要求以及满足生产的需要。
1 逆向工程的概念、流程及设计步骤
1.1 逆向工程的概念
逆向工程是一种以实际测量数据为依据的计算机产品造型技术, 主要是通过数字化的测量仪器来对物体表面的空间数据进行收录, 然后再经过逆向工程对数据的整理以及处理, 来获取该产品的数字模型信息, 在逆向工程中的产品数据传送到计算机辅助制造的数控系统中, 就能够实现产品的生产以及制造[1]。
1.2 逆向工程实现的流程
实现逆向工程过程总共分为五个步骤, 一为准备模型阶段, 该阶段是逆向工程的基础阶段;二是三维测量环节, 实现用数据资料来表明该模型的所占空间;三是计算机再设计环节, 该环节是逆向工程的基本环节, 是最为核心技术的应用环节, 四是快速成型阶段, 此阶段是零件生产的主要环节, 也是检验重构零件是否合格的重要阶段;最后是投入生产, 即进行零件的大规模生产, 实现经济效益的重要阶段。
1.3 逆向工程实施的步骤
首先是准备工作, 即确定设计的整体思路之后再对实物进行系统性的分析, 在能够确定模型的构成以及模型的曲面类型之后再进行软件的选取和确定。其次是数字化的构建, 即通过扫描的方法来获取零件实物的三维坐标值, 一般来说, 通过3D扫描测量的方式来获得坐标的方法较为常用。再次是几何特征的提取, 任何实物的曲面都可以通过一种几何公式来进行表达, 而对几何特征的提取工作, 一般有两种方法, 一是边界分割法, 二是区域分割法, 两者相对比, 区域分割法更具有明确的几何特征, 因此, 常用区域分割法来对零件实物的曲面特征进行提取。
2 数据采集及数据处理
数据采集及数据处理是重构CAD模型离散数据的主要依据, 是数字化技术的首要步骤, 只有获得了准确的数据, 才能够将误差与曲面进行比较, 实现正确的CAD建模。通常情况下, 数据的采集是用某种测量方法以及测量仪器来读出实物表面的若干点组成的几何坐标, 而坐标数据的采集也分为两种, 即接触式数据采集以及非接触式数据采集, 接触式数据采集是以三坐标测量机为主要代表的传统型仪器, 其缺点是容易损伤测头以及被测零件的表面, 而非接触式数据采集由于避免了物体的接触, 所以不会有测头以及被测物的损伤, 并且由于测量速度快, 自动化程度较高, 适用于较多的软件, 所以被广泛的使用。
3 模型的重建
常用的数控加工曲面有三种[3]:
(1) 行切法:即刀具依据零件的轮廓以及切点的轨迹进行加工, 该种方法精度高, 并且效率高, 缺点为容易导致残留高度相差较大, 因此可用于零件的粗加工。
(2) 层切法:即将零件的其余过多的部分进行一层层的切除。由于该方法的刀具轨迹固定, 空刀现象少, 效率高, 所以也是一种较为常用的高效率加工方法。
(3) 环切法:常用于各种槽腔的曲面加工, 包括槽腔中各种凸台和复杂型面的加工, 该种加工方法是较为常见的一种高效率的精细加工方法。
4 实例
本次所加工的零件是某种零件的盖子, 在通过逆向工程的数据测量后, 可以得到如图1 所示的测量模型, 通过3D模型的构建, 并利用CAXA程序生成刀具的轨迹, 经过仿真, 通过数控加工就可得到该模型的实体零件。图2 为零件的重构曲面。
5 结论
逆向工程技术是一种将计算机网络技术和计算机CAD技术结合在一起的一种综合性计算机技术, 能够在CAD的操作界面中将复杂的曲面零件进行重构, 不仅大大减少了零件产品的开发时间, 增加了零件的开发质量, 还能够真正的实现降低开发的成本, 提高企业的经济收益。基于逆向工程的曲面零件开发技术能够将产品从设计到加工整个信息流程及时监控, 既能够较快达到企业的生产目标, 又能够在设计中体现出自身的价值。
参考文献
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浅谈普通机床加工的曲面零件工艺 篇2
对于轴流转浆式水轮机中的零件的加工工艺研究可以通过将把整个轴流转浆式水轮机分为转动叶片和转轮体来进行研究。通常情况下, 转动叶片在机械中的是有4-6片的, 这些叶片的形状都有普通机床加工为具有一定曲度的扇形, 在外缘型线上表现为一个曲面。普通机床就是依照相关的要求中有关大小和外形上的内容, 对这些叶片进行加工, 这样才能保证加工出来的零件时能够正常的在轴流转浆式水轮机中工作。另外, 普通机床对零件加工是需要将叶片的形状进行相应的调整的。这些调整细化到零件的各个不同的部分。
利用普通机床用传统的方法对零件进行弧形线加工时, 都需要有模型的辅助, 才能够完成。这种模型通常都是通过两个刀架、呈弧形的靠模, 以及装有弹簧的刀杆来制作完成的。带有弹簧的刀杆带动着刀具依照着靠模的形状运转, 刀具在这样的运转下就会在加工的零件上留下其户型的运动轨迹, 这就是过去普通机床对曲面零件的加工原理。
2 设备要求
普通机床比较擅长加工简单造型的零件, 对于加工曲面零件, 普通机床就必须具备一些特有的工具, 例如刀架、靠模、带有弹簧的刀杆, 以及有一个比较大的加工范围。关于普通机床加工的零件的尺寸范围的计算方法, 应该是其带弹簧的刀杆的两倍, 以及机床加工时的转轮的直径和靠模长度尺寸, 这三者数值加起来所得到的结果, 就是机床加工的零件的尺寸范围。
如果带弹簧的刀杆长为0.6m, 普通机床的转轮直径为2.5m, 靠模的长度大小为3m, 那么这台普通机床就可以加工大小为5m以内的零件。不过一般的转浆水轮机的转轮直径在3m, 正常情况下其可以加工的零件尺寸范围可以大于5m。大于5m的零件制作的立车会为生产的某些方面带来一定的困难, 有些还会让生产成本增加, 所以我们要把零件的尺寸进行改良, 省略机床加工中的一些装置, 最终让水轮机转轮叶片的加工更加完善化。
如果水轮机的转轮叶片直径定位2.5m, 那么就需要机床加工出3.4m的立车零件, 这种情况下, 采用普通机床传统的靠模装置精心加工是很难达到加工要求的。取消靠模装置的使用, 普通机床要完成对零件的曲面加工工序, 就需要从机床的刀具方面入手来解决问题。刨床加工道具就有一种加工弧形零件的样板刀, 由样板刀加工出的零件的数据是十分符合要求的。
但是这种样板刀也存在着一个缺点, 当样板刀进行加工时, 其余零件的接触面积很大, 刀具和样板刀之间都会受到很大的切削力, 从结构上来说, 立车与刨床是不相同的, 在切削的方式上也存在着差异。然而, 且切削的方式又决定了样板刀和零件在切削过程中受到的切削力的大小。刀具的要求是受加工方式的影响的, 要达到不同的加工效果, 那么刀具索要达到的要求也会不一样, 为了保证零件最终的加工效果, 即弧面的曲度要满足加工要求, 那么就要使用特变的样板刀来对零件进行加工。
仅仅只有样板刀的要求是不够的, 与此同时还要找到正、装夹和对刀等环节和刨床在满足零件加工最终想过所有具备的条件, 可以发现这些条件也是不一样的。为了保证机床对零件的加工过程中不出现工件的挤动, 或者是刀具出现松动的可能性, 在进行装夹和对到环节是都需要特别的小心谨慎, 才能不耽误工程进度的同时, 加工出满足要求的零件。
要是加工过程不得不使用靠模装置, 机床对零件的加工位置的选择也有特别的要求。这个时候, 机床对叶片的加工位置应该选在叶片全关闭处, 如果机床的转轮直径在2-3m范围内饰, 那么走刀的实际长度也会是70-100nm之间, 这样将会有利于机床的样板刀对零件曲面加工的进行。
立车使用的样板刀和刨床之间是很相似的, 在利用普通机床加工的叶片的外圆弧线很长的情况下, 可以把样板刀直接做成两块来对零件进行加工。相反的情况下, 一块样板刀就能完成零件的弧线型设计了。
3 注意事项
利用样板刀对轴流转浆式水轮机的零件叶片进行加工之前, 必须要对叶片的旋转垂直线和中心线进行必要的标注的, 这样做的目的是为了保证加工出的叶片零件是高精度的。在加工的一开始, 需要对刀具的位置进行固定, 这个固定位置必须要依照固定的牢固性、稳定性和准确性的要求。与此同时还要保证刀具中心线和轴流转浆式水轮机的转轮叶片中线之间是重合的。
机床在对零件进行弧面加工的过程中, 难免造成机床样板刀和零件之间较大的接触面积而造成的零件松动或者是刀具受到切削力被磨损的情况。为了减小这种损耗, 就需要将样板刀对零件的切削方式进行改进, 这样的话, 在工程进行中, 切削力和进刀量的数值上就会有所减少。如果不是对零件进行精加工的话, 样板刀在零件上留下的走刀轨迹是球形轨道长度和转轮叶片外圆直径共同决定的, 这个数据是可以直接通过计算得到的。
如果是进行精加工, 那么立车在对刨床进行走刀时就不能使用自动走刀的方式, 这样才能保证控制的进刀量在手动的控制下是高准确性的。在进行手动景倒是, 要时时关注刀具的变化情况, 在刀具与零件的接触过程中, 一旦接触面积过大, 或者是刀台出现强烈的抖动, 甚至发出怪声, 那么就要立刻停止走刀。
最后对加工完成的零件进行精度检查, 要把零件装到刀架上, 并使之保持一个旋转的状态, 这个时候再用工具对二者之间的差距进行测量。
4 小结
样板刀的使用对于立车来说是非常有益的。它即解决了立车的设备能力问题, 又将机床的功能发挥到了极致, 并且还将这个加工过程的成本降低, 充分的探索出了立车对弧形曲面零件加工的最高效的方式。
摘要：一般用来加工样式比较单一的零件的机床, 我们称之普通机床。用普通机床加工出具有弧形曲面的零件是机床生产商最为关注的问题。本文就将对普通机床中的零件切割刀的支撑进行分析和研究, 并且以特别案例的形式对具有曲面的零件在普通机床上的加工工艺进行剖析, 从而得出能够提高零件加工密度和效率的方法。
关键词：普通机床,曲面加工,工艺研究
参考文献
[1]刘凡, 周靖明.普通机床加工曲面零件工艺研究[J].无线互联科技, 2012 (06) :94.
[2]郭勋德.基于普通机床回转功能曲面数控加工技术的研究[D].山东大学, 2007.
曲面零件 篇3
随着数字化设计制造技术以及物理、数学等学科的不断发展, 曲面类钣金零件作为能够使得飞机同时获得高结构效率和优良性能的基础零件之一, 已经在飞机结构中得到大量的运用。CATIA作为航空设计领域通用的三维设计软件, 虽然针对钣金零件提供了专用的航空钣金设计模块, 但它内部所有特征的使用都要求钣金零件必须在该模块内生成, 且只适用于平板类钣金零件的设计, 在实际的生产应用中受到极大的局限［1］。
传统的曲面类钣金零件的许多构件都具有相似性, 其建模过程需要大量的时间［2］。设计人员在设计过程中由于使用的习惯和侧重点不同, 在利用CATIA零件设计模块和创成式外形设计模块中的功能组合来进行实体建模的过程中, 一方面由于零件特征的复杂性, 绘制的图形不具备很好的可修改性, 无法体现结构件规律性, 不利于设计知识的继承、重用以及标准数据的管理。另一方面, 由于复杂曲面钣金零件特征的内部尺寸相互约束, 在三维空间中无法完全实现标准化, 难以保证工作的准确性, 尺寸数据的微小失误即可导致因强度不足而造成的破坏。
在对当前三维造型方法进行深入分析的基础上, 以典型曲面类钣金零件特征为研究对象, 通过CAA ( component application architecture) 组件应用架构尺寸参数程序驱动, 提出实现面向复杂曲面钣金零件高效三维参数化造型的方法, 并给出了其实现的具体过程。研究结果对于提高复杂曲面钣金零件建模效率与精度以及缩短优化设计周期具有重要意义。
1 基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型解决方案
在基于特征的三维参数化造型中, 特征的描述是核心要素, 特征描述应该包括几何形状的表示和相关尺寸的处理机制以及特征高层语义信息的表示。特征的曲面钣金零件三维参数化造型就是要将特征实体造型与三维参数化设计有机地结合起来［3］, 使得特征数模完整、准确且具有可复用性和封装性, 其总体解决方案如图1 所示。
典型钣金特征在曲面钣金零件上的实现, 需要结合自顶向下设计, 参数化设计和关联性设计的诸多优点, 使得曲面钣金零件上的原有结构与新添加的钣金特征在知识的表达上能够相互统一, 这就需要筛选合适的特征定位基准 ( 点、线、面、控制变量等) , 作为建模的约束基础。
复杂曲面钣金零件特征在实体建模筛选定位基准时会有多种实践方案, 为了数据管理和应用上的方便, 需要将面与线的默认方向与建模的参考方向关联为一致, 用最少的定位基准来实现建模要求。为满足曲面钣金零件特征的灵活性要求, 在详细的实体建模中, 可以选择只关联定位基准, 这样可以避免过多的参考, 而非关键元素在关联设计时生成的是只有子关系而没有父关系的元素, 不至于造成数模在发布定位基准时的混乱。这样做的好处是, 在设计的同时可以检查设计的合理性, 加速了产品的设计效率。
2 实体造型
三维几何模型描述特征的数据信息一般可分为几何尺寸和拓扑结构两方面。几何尺寸是指具有几何意义的点、线、面等的位置坐标、长度、面积等的数据值或度量值。拓扑结构反映的则是形体的空间结构, 描述了构成三维几何模型的父特征之间、父特征与低层几何元素或其他非几何信息之间的相互约束或相互引用关系的属性［4］。
三维几何模型的几何尺寸隐含着从特征依附的父特征继承下来的参数尺寸, 隐含尺寸的参数值以自动和动态的方式派生出来, 不能由设计者直接输入, 它与三维几何模型的拓扑结构形成映射关系。基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型方法不能破坏模型的形状与各造型特征间的空间依赖关系, 因此在特征的实体造型中, 除了要关联父特征及其属性以及父特征之间的关系以外, 还必须保证典型钣金特征的拓扑结构不能发生改变［5］。如图2所示, 在曲面钣金零件上添加加强槽时, 槽的两头是半椭球形构型, 由于半椭球形构型在三维空间难以实体造型, 在实际的工程应用中, 通常会采用半圆球形构型代替, 无法保证加强槽的拓扑结构保持不变。
2. 1 特征曲面抽取
在具有复杂曲面外形的钣金零件上添加特征时, 组成钣金零件表面的各曲面片都隐含着特征信息和工程信息, 如微分性质、力学性能等。如果在建模过程中掩盖了这些信息, 那么即使能够达到满意的精度和外观品质, 也会对钣金零件的变形设计和力学分析等后续处理带来很大地不便［6］。
在点的连贯性和曲率的相似性的基础上, 为了保证钣金零件上固有的特征信息不变, 需要通过曲面抽取技术将这些信息提取出来, 使得整个曲面抽取的拓展类型为切线连续, 从而提高了抽取曲面的修改能力, 增强了曲面的可复用性和可优化性。
2. 2 钣金弯边贴合
为了避免在复杂曲面上对钣金特征进行三维造型, 维持钣金特征的固有拓扑结构不变, 需要借助CATIA航空钣金设计模块中的功能, 将模块中产生的母板 ( WEB) 与上一步中抽取的曲面结合, 通过方向调整和参数修改, 产生贴合在抽取曲面上的钣金弯边。钣金弯边与抽取曲面既相互独立, 又相互关联, 一方面可以直接在抽取曲面上绘制草图, 便于钣金弯边直接引用。另一方面, 抽取曲面上的特征定位可以直接确定, 不需要后续的修改和移动。
2. 3 草图绘制
在绘制草图时, CATIA只确认其默认约束, 没有被约束的线条显示为白色, 这些白色线条虽然能够生成实体, 但是与其他的点、线、面没有关联, 在重复调用时不能够达到理想的设计要求, 因此需要用约束来进行控制, 这些约束可以是尺寸约束, 也可以是几何约束。
通常情况下, 反应草图的约束关系与线性方程组形成映射关系, 用矩阵表示为
其中, X∈Fn×s, 表示草图参数矩阵;A∈Fm×n, 表示尺寸约束矩阵;B∈Fs×t, 表示几何约束矩阵;D∈Fm×t, 表示常数矩阵。A+和B+表示矩阵A和B的Moore-penrose广义逆矩阵, 矩阵方程AXB=D有唯一解的充分必要条件是:
其具体求解过程可参见文献[7]。如果尺寸约束矩阵A和几何约束矩阵B均为非奇异矩阵即| A | ≠0 且| B | ≠0, 就可以满足上述条件使得方程组存在唯一解, 因此绘制的草图模型必须为全约束模型。
2. 4 特征曲面拼接
通过在特征曲面上对草图进行约束和定位, 根据实际需求, 可以运用CATIA航空钣金设计中的功能来生成保持固有拓扑结构不变的曲面钣金特征。与特征曲面抽取一样, 将带有曲面钣金特征的弯边曲面抽取出来形成一个与特征曲面贴合在一起的曲面块。曲面块包含新的表示产品设计意图的特征信息, 需要通过布尔运算去除掉特征曲面上与它重叠的部分, 并在此基础上将曲面块与特征曲面拼接在一起, 保证整个特征曲面的曲率连续性。
特征曲面拼接是整个实体建模的重要研究内容, 特征曲面往往无法由一张曲面进行完整描述, 而是由多张特征曲面组成, 从而保证了曲面钣金特征之间的相互独立性。最后, 将拼接好的特征曲面增加厚度即可获得理想的曲面钣金零件。
3 三维参数化设计
在知识工程的基础上, 通过对特征知识的表示、利用和获取能够在一定程度上实现三维参数化设计的快速更改, 且更改后的设计知识仍具有继承性, 此外, 还能实时地监督设计过程, 检验是否符合要求, 并提出适当的建议。
在图3 所示的三维参数化设计内部关联中, 曲面钣金特征实体模型中包含着特征尺寸参数、抽取曲面和曲面块的内联参数以及曲面边界参数等, 在进行参数化设计时需要创建与这些参数形成一一映射的参数, 并且根据设计要求将这些参数用公式关联起来, 形成关系式。
此外, 根据实际的设计需求, 可以通过建立规则, 关联设计表和创建VB脚本等来完成相应的特征驱动。最后, 利用CATIA的检查机制, 来设定特征参数的分布范围, 通过弹出警告窗口来对曲面钣金特征的所有参数进行工程性约束, 从而实现人机对话。
4 特征发布
在曲面钣金零件特征的实体建模和三维参数化设计过程中, 通过对特征定位基准的反复筛选, 可以确定出特征的最优化方案。在最终的特征发布时, 根据特征的兼容性和集成度以及草图的可修改性来确定特征的发布类型。发布类型的特点如下:
1) 超级副本的兼容性很强, 可以在CATIA的所有模块中复现, 当被调用的时候, 其整个建模过程都将在文档树中显示出来, 便于用户熟悉其具体的实现过程。更为重要的是, 超级副本发布的特征可以修改草图, 灵活性比较高。
2) 用户自定义特征不能应用于CATIA的所有钣金模块, 而且对用户的建模要求比较高, 特征相互之间的关联及约束都需要比较完善, 即用超级副本能够发布的特征常常会在用户自定义特征中不能实现, 而且用户自定义特征发布的特征草图已经被封装, 相当于CATIA自带的任何特征, 集成度很高。
5 应用实例
本实例以知识工程 ( knowledge based engineering , KBE［8］) 为基础, 在CATIA零件设计模块、创成式外形设计模块和航空钣金设计模块的环境下, 实现面向曲面的加强槽特征设计。
5. 1 实体建模
由于CATIA航空钣金设计模块中的所有功能的使用都要求钣金母板 ( WEB) 是从自身模块中产生的, 而面向复杂曲面的钣金零件通常不能够在该模块内形成, 给设计人员带来了极大的不便。为了解决航空钣金设计模块与其他非钣金模块不兼容的问题, 需要以创成式外形设计模块中产生的曲面为桥梁, 既要维持曲面加强槽特征的拓扑结构不会改变, 又要保证整个建模过程高效简化且通用性高, 图4 所示为曲面加强槽的实体建模。
5. 2 三维参数化设计
通过自定义变量值的范围, 组成特征元素之间的依附关系来实现特征驱动, 有效地增强了三维参数化设计的可靠性, 极大地方便了曲面特征的修正和改良, 从而使产品设计更加智能化, 图5 所示为曲面加强槽的三维参数化设计。
5. 3 特征发布
特征在发布时除了要将实体建模的过程发布以外, 还需要将三维参数化设计中新创建的参数、关系式、规则以及检查发布出来。在特征定位基准的选择上, 可以通过调整建模过程的先后顺序来实现, 如图6 所示为曲面加强槽通过超级副本来进行特征发布。
6 结语
保证特征的固有拓扑结构不变对于曲面钣金零件在实际中的应用具有重要的研究与应用意义。本文在分析当前曲面钣金特征实体建模的基础上, 根据曲面与实体的一致性对应关联, 利用CATIA航空钣金设计模块中的典型功能, 提出了基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型方法, 既保证了钣金特征的整体准确性, 又实现了对设计知识的完整表示, 为复杂曲面钣金零件在建模方面做了有益的探索。
摘要：为了保证典型曲面钣金特征的数据信息不会随着曲率的不同而发生改变, 提出了一种由程序驱动的基于特征的曲面钣金零件三维参数化造型技术。分析了复杂曲面钣金零件的基础模型建模要求, 并在总结造型方法整体框架的基础上, 给出了实体建模与三维参数化设计的具体实现方法。通过对曲面加强槽的三维参数化造型, 验证了该方法的准确性与通用性。
关键词：复杂曲面,实体建模,参数化设计,加强槽
参考文献
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曲面零件 篇4
螺旋桨桨叶作为变截面大扭曲自由曲面[1],研究其建模有很大的实用意义。为了准确、快速的得到螺旋桨桨叶切面型值点空间笛卡尔坐标,同时高精度拟合出叶片曲面,本文利用Excel实现螺旋桨型值点数据的坐标变换计算,依据Pro/E软件的三维建模能力,对螺旋桨离散的数据点进行曲线、曲面拟合,实体化后生成三维模型。
1 螺旋桨型面特征分析
以MAU5-66型螺旋桨为例,确定其设计参数,通过二维视图对螺旋桨型面进行几何特征分析。
1.1 螺旋桨叶切面几何关系
以螺旋桨的轮毂截面圆为圆心,用不同半径的同心圆柱面与桨叶相截,将所截曲面展开,得到一系列的投影切面,并将切面展开,如图1所示。
1.2 桨叶外形轮廓
用螺旋桨的外形轮廓图具体表达桨叶各部分的几何关系,如图2所示。
其中OM为叶面参考线,α为纵倾角,Zs是纵斜值,η为侧斜角。纵斜角和侧斜角都不宜过大,否则会增大桨叶的扭曲变形,合理的角度设置,利于减少螺旋桨诱导船体振动[2]。
2 曲面型值点空间坐标值计算
2.1 螺旋桨空间坐标系的建立
以螺旋桨轮毂中心轴线为Z轴,正方向指向桨叶压力面。桨叶参考线OM与Z轴的交点为坐标原点O。OM在过原点与Z轴垂直的平面上的投影为Y轴,由右手定则确定X轴。从而建立起三维坐标系{O-XYZ},如图3所示。
2.2 螺旋桨空间坐标转换
结合螺旋桨二维切面展开图坐标和空间坐标,推导出螺旋桨二维型值点坐标到三维笛卡尔坐标的转换公式:
其中,r为切面半径;p=s-l为切面曲线上一点在切面展开图上的横坐标,s为切面展开图上导边至切面曲线上一点沿P轴的距离,l为基准线到导边的距离;为螺距角,H为螺距;为切面曲线上一点在XOY面上的投影与坐标原点O的连线与Y轴的夹角。y为叶面上一点在切面展开图中的纵坐标。
依据所建立的坐标系,将螺旋桨设计参数及坐标转换公式导入Excel,运用其本身的数值计算能力,计算出三维型值点坐标值。
3 螺旋桨实体造型及分析
3.1 自由曲线的表达
NURBS曲线,即非均匀有理B样条曲线。NURS方法是建立在普通的Bezier方法和Bspline方法基础上的,它较好地实现了解析几何与自由曲线/曲面的统一,成为当今CAD/CAM软件中曲面数学表示的主流。
NURBS曲线可以由分段有理B样条多项式基函数P(t)表示:
式中:Pi为控制顶点,Ni,k(t)为基于节点矢量{t0,t1,···,tn,···,tn+k,···}k次B样条基函数,Wi为控制顶点的权因子。应用NURBS曲线进行拟合过程的推导在很多文献中已经详细介绍,此处不在重复。
采用NURBS曲线拟合时,若权重选择不当则容易产生较大的非线性误差,由此,大多数研究者在进行NURBS曲线拟合时约定将权重设为1。
3.2 基于Pro/E的螺旋桨造型
将Excel中生成的螺旋桨叶片的空间坐标值导入到记事本中,做适当修改,保存为Pro/E可以识别的“.ibl”格式。更改后的数据坐标格式如下(图4):
其中,螺旋桨数值度量单位为m,Open Arclength为Pro/E中的关键词,Begin curve!后面的3列数字分别代表该点的X、Y、Z坐标值。
打开Pro/E,通过“插入—模型基准—点—偏移坐标系”导入螺旋桨三维坐标值,得到坐标转换后的离散点,如图5。选择“曲线—通过点—样条—单个点”,依次连接各截面型值点,形成闭合的截面曲线,如图6。
利用Pro/E中边界混合功能,依次形成叶面曲面和叶背曲面。已知的桨叶数据是从0.2R处开始到0.95R结束的,使得造型时螺旋桨桨叶与轮毂无法相交,且叶梢部分缺失,上下叶面无法闭合。为了获得完整的螺旋桨桨叶曲面,利用Pro/E中曲面“延伸”命令,按照已有曲面形成趋势延伸出所需部分的曲面。然后通过合并工具将叶面曲面和叶背曲面合并成一个曲面,如图7所示。
将叶根处的截面进行闭合,将此截面与螺旋桨桨叶上下表面进行合并,然后进行实体化命令,得到一个实体状态的叶面[3,4]。通过拉抻命令做出轮毂,并通过阵列命令,得到五个桨叶,完成初步建模(图8)。
为使所建模型更符合实际需求,再次对关键部位进行特别处理[5,6]。
加厚叶梢。螺旋桨建模时叶梢部位厚度较小,不符合实际的强度需要,因此人为增加适当厚度。
随边加厚。螺旋桨随边作圆角过渡,同时进行加厚处理,以抗谐鸣发生,避免螺旋桨共振频率,减少诱导船体振动。
(3)叶根处圆角过渡。为减少应力集中,叶根处作圆角过渡,倒圆半径沿弦向方向不小于3/4当地厚度[7]。
3.3 螺旋桨桨叶光顺分析
以“反射”作为检验螺旋桨桨叶光顺的条件[8],通过“分析—几何—反射”,选择要分析的面,完成光顺分析,如图9。
从图9中可以看到,黑色斑马线光顺、连续,无明显凸起或凹陷,表明该螺旋桨桨叶光顺性好。
4 结论
本文以螺旋桨为例,研究了自由曲面依靠型值点建模过程,采用Excel进行螺旋桨三维坐标转换计算,实现了螺旋桨型值点数据的快速读取和转换;基于NURBS曲线、曲面原理利用Pro/E软件快速准确的生成了螺旋桨模型;对螺旋桨一些关键部位进行优化处理,实现了螺旋桨模型的优化造型,为自由曲面零件的建模提供了可靠的参考。
参考文献
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[7]Veritas B.BV Rules for the Classification of Steel Ships[S].2011.Pt C,Ch1,Sec 8.
曲面零件 篇5
关键词：复杂曲面回转体零件,建模,数控加工,逐段铣削
0 引言
工程中有很多零件是由复杂曲面构成的回转体,如电厂、核反应堆和石油化工等工业生产中的稳压器喷雾管、余热排出管、安全注射管等容器接管[1],这类零件嘴部几何形状不连续,过渡段回转曲面形状扭曲,造型复杂,不易加工。本文将以安全注射管接嘴的建模和数控加工为例,从生产实际出发,利用具有强大建模功能、易学易用和技术创新三大特点的Solidworks软件和具有优良的性价比、灵活的操作方式、稳定的运行效果、易学易用的操作方法等特点,以其强大的加工功能闻名于世,是目前我国加工领域应用最多的软件之一的Mastercam软件[2]详细叙述复杂曲面回转体零件的建模与数控铣削。本文采用的数控铣削加工工艺异于常规,摒弃了回转体零件必须在四轴及四轴以上的数控铣床或加工中心上加工的做法而选取在粗加工阶段在三轴铣床上逐段铣削的加工方案,提高了加工效率,为完成此类零件的数控加工提供了一种方法和依据。图1为本文实现复杂曲面回转体零件的建模与数控加工的流程图。
1 复杂曲面回转体零件的建模
1.1 草图的建立
构建合理的草图对于模型的整体设计非常重要。根据一般零部件的构造规则,可以发现有些零件在某个方向上的截面是保持固定不变的。这种平面属性就是建立草图的基本出发点。Solidworks中特征都是基于草图而建立的[3]。如图2为某核电厂开发的容器接管嘴部分视图,分析图示可知,此零件总体结构是规则对称的回转体特征,但是分布在垂直方向上的两个截面是有尺寸和形状差异的。根据这一特点,本文决定在Solidworks内选取两个基准面分别建立两个截面草图,如图3所示。绘图时必须注意:1)保证两个草图各自依附的绘制平面是垂直的;2)体现草图基本形状和尺寸间的差异;3)进行尺寸约束和形状约束,从而保证草图的完全定义,以便后续能够有力的控制草图,完成精确的机械设计。
1.2 转换实体引用
在Solidworks中有一个很实用的草图编辑工具——转换实体引用,功能是通过将边线、环、面、曲线、外部草图轮廓线、一组边线或一组草图曲线投影到草图基准面上,可以在草图上生成一个或多个草图实体[3]。简单解释就是可以将先前完成的草图完整“COPY”到现有的草图中。本文将有效地利用这一工具实现图3的复制,从而建立与之相对称的基准中的草图。具体操作步骤为:在打开的草图中,选中需要复制的轮廓线,选择【工具】→【草图绘制工具】→【转换实体引用】命令。图4为操作后的效果图。
1.3 采用放样特征完成复杂曲面回转体零件建立
放样是一般曲面造型时最主要的方法之一,其应用非常灵活,造型漂亮。放样特征的要素主要有轮廓、起始/结束约束、引导线、中心线参数。根据放样需要的条件和本零件的形状尺寸要求,本文建立的引导线应该是与四个草图垂直的底面整园,然后选用放样命令完成模型的建立。本文放样特征操作的关键步骤是必须选取选项中的“闭合放样”,这样才能保证模型的闭合。图5(a)和图5(b)分别为未选择“闭合放样”和选择“闭合放样”的比较图。
2 复杂曲面回转体零件的数控铣削
近年来,复杂曲面零件的加工技术由于多轴联动数控加工中心的应用得到了突破。国外多轴数控切削技术发展很快,在我国也已经取得了长足的进展[4]。对于曲面的加工似乎水到渠成,但实际生产现状却困难得多。
例如,按照常规,复杂曲面回转体零件的加工是必须且只能在四轴及四轴以上的数控铣床或加工中心上加工才能考虑完成,而且因为零件是空间自由曲面,所选刀具也仅能限于球刀。本文开始也是采用此种方法进行试制。试制后发现结果不容乐观。复杂曲面的加工虽然是按照零件设计中所描述的结构特征及结构尺寸进行的,但由于加工过程中复杂曲面的特征表面的形成过程非常复杂,往往会出现大量的空刀现象。即进行粗加工阶段时,由于零件形状不规则,尺寸变化大,加工接触面较少,加工初期大量时间用于定位,有时甚至旋转一周只是进行了点的加工。无论采取何种加工走刀轨迹方式,都避免不了空刀时间太多的问题,导致的最终结果就是耗时太长,效率过低。仅粗加工就约需几十个小时,不能保证任务按期完成。
生产效率过低,多轴联动数控加工中心价格昂贵,能够适应产品结构形状、加工精度、加工效率和耐用度等要求的复杂曲面加工刀具的选择等等问题对我国的加工企业尤其是中小企业来说实在是不能承受之重。仅仅生产设备一项就制约着企业的发展。当前中小企业设备以三轴数控铣床居多,4轴及以上机床不占多数,加工零件完全采用多轴机床进行铣削,不具备现实条件。经过分析研究,本文决定大胆改变传统加工方法,即在粗加工阶段放弃4轴联动加工,采用固定装夹零件、端刀代替球刀只进行X、Y、Z三轴进行铣削、精加工阶段再采用四轴回转加工的加工方案。实践结果发现效果显著,效率大大提高。下文将做详细介绍。
2.1 Mastercam导入Solidworks建立的CAD模型
Mastercam软件具有非常强大的文件转换功能[2]。本文决定充分利用Mastercam强大的加工优势,结合Solidworks建立的零件模型实现零件的数控编程。
将Solidworks建立的CAD模型保存时选择IGES格式,以英文名称命名,如:jiezui.IGE,存放在英文名称的文件夹中(文件夹名称和路径用户可自定义);
运行Mastercam软件,选择【File】/【Open】,弹出对话框,在文件类型选项中选择IGES格式即可找到jiezui.IGE模型文件,单击对话框中的打开按钮,文件即可导入[5]。
2.2 Mastercam实现粗加工阶段程序编制
本文加工时将零件分为两部分进行逐段铣削。即先加工轮廓的1/2(180度的轮廓面),此段加工完成后再利用分度头的分度功能反转零件加工剩余部分。逐段铣削的方法只应用于粗加工阶段(若有必要,半精加工阶段也可采取此种方法)。铣削曲面时,环切法是常用方法之一,环绕式的加工方式是以绕着轮廓的方式清除素材,并逐渐加大轮廓,直到无法放大为止,生成的刀路轨迹在同一区域内不抬刀,如此可减少提刀,提升铣削效率,是粗加工或半精加工时比较好的选择[6]。根据接嘴类零件加工部位的扭曲形状,本文决定选用环切法的走刀路线作为编程路线。编程时选取相应的部位编程即可。另外,这种铣削方式可以用端刀代替球刀进行生产,因为在实际生产中,仅以球刀作为加工空间自由曲面的工具已远远不能满足切削加工的需要,尤其在粗加工大量去除材料的过程当中,球刀与端刀相比,加工效率要低很多[7]。如图6(a)所示为部分粗加工环绕式的走刀路线模拟图,图6(b)为粗加工阶段实际效果显示。
将零件化整为零进行逐段铣削的优点在于:1)因为工件是固定而不是旋转的,可以稍微加大切削量和提高加工速度;2)此加工工艺将零件不规则部位化零为整,每次加工区域变形不大,从而减少了定位时间,避免了多余空刀,缩短了生产周期;3)这种粗加工方法完全可以在三轴机床上进行,避免必须使用四轴机床才能完成此类零件加工的局限,因而以三轴铣床为主的中小型企业完全可以参与此类零件的加工;4)在铣削过程中用端刀代替球刀进行生产,提高了加工效率。通过实践检验,改变后的粗加工生产时间只占原生产周期的四分之一。
2.3 Mastercam软件实现精加工阶段程序编制
零件完成粗加工和半精加工后,再将零件装夹在四轴机床或加工中心上进行精加工。精加工切削余量小,进给速度快,走刀路线连续不用反复定位。最大限度的发挥了多轴机床的优势。图7为四轴机床进行精加工时的实际效果显示图。
3 结束语
随着高新技术的发展,复杂曲面的应用越来越广泛,复杂曲面的发展和实现,又取决于复杂曲面的设计技术和制造技术。本文结合一个复杂曲面构成的回转体零件的具体生产加工过程,运用中端CAD软件Solidworks+Mastercam实现复杂曲面回转体零件的建模与数控铣削,提出了一种在三轴铣床上进行逐段铣削的加工方法,提高了生产效率,缩短了生产周期,并为设备和资金不占优势的中小企业能够完成大型复杂曲面零件的数控加工提供了方法和依据。
参考文献
[1]蒋雪亮.压力容器接管区缺陷评定方法研究及缺陷评定软件开发[D].2003,石油大学(华东).
[2]瑞杰,黄一鸣.最新Mastercam模具设计教程[M].北京:中国石化出版社,2000.
[3]吴明友.数控加工自动编程-Solidworks+Mastercam详解[M].北京:清华大学出版社,2008:53.
[4]周志雄,周秦源,任莹晖.复杂曲面加工技术的研究现状与发展趋势[J].机械工程学报,2010,46(17):105-113.
[5]刘伟洪,刘海波.Mastercam导入其他CAD模型数控加工的策略和应用[J].制造业自动化,2011,33(5):34-36.
[6]张超英,罗学科.数控机床加工工艺编程及操作实训[M].北京:高等教育出版社,2003:13.