有限元分析的数控加工论文

摘要:CAD/CAM技术的发展与应用以及其强大的功能,从多方面介绍在现代化工业生产中CADCAM的重要性。关键词:CADCAM数控加工系统集成仿真加工1引言随着数控技术的发展,数控加工以经应用到各个领域之中,在数控加工过程中,加工程序的编制也越来越得到重视。今天小编为大家精心挑选了关于《有限元分析的数控加工论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

有限元分析的数控加工论文 篇1：

航空发动机机匣的数控加工策略研究

摘要：随着我国经济的快速发展与科学技术的创新更迭，航空交通成为现代人们出行的主要交通方式之一。而航空发动机作为每一个航空飞机的关键部件之一，其所包含的机匣结构复杂，因此制作的工艺方式也会相对繁琐。为了能更好地制作出质量上乘的航空发动机，工人通常会采用数控加工的工艺方式来对航空发动机的机匣进行加工改造。然而机匣的数控加工同样具备一定的难度，工人需要严格按照数控技术的各项要求要点来规范操作，制造加工的航空发动机才能合格。下面本文将对航空发动机机匣的数控加工方法进行简要阐述与探究，以供相关人员作为参考。

关键词：航空发动机机匣，数控加工，策略研究

一、航空发动机机匣加工的难点

1、因材料特性难加工

出于安全方面问题的考虑，制作航空发动机机匣的材料通常都是具有一定特性的材料，这些特性会为加工工作带来难题。比如使用不锈钢材料制作的航空发动机机匣在加工过程中，工人需要精准把握切削的力度与温度，否则很容易会出现黏附现象，并在刀具上留下积屑瘤。因不同材料的特性所造成的问题，都会使得数控加工的难度大大增加。

2、因机匣结构难加工

航空发动机机匣的内部结构非常复杂，再加上内壁较薄，加工过程中容易发生剧烈变化，从而损坏航空发动机机匣。然而工人在加工过程中，不仅需要确保加工过程中不会对航空发动机机匣造成损伤，还需要确保加工质量。由于如此严苛的加工要求，这就要求了工人需要熟练高超的加工技术，来对航空发动机机匣进行精准规范的操作。

二、航空发动机机匣的数控加工策略

1、构建参数建模

在数控加工当中，构建参数建模需要严格按照要求与步骤来进行。在实行参数建模的数控加工方法时，需要按照航空发动机机匣自身的特征特质来严格实施，对航空发动机机匣内部的结构状态详细地进行分析，并以此来为航空发动机机匣规划出其特定的特征单元。随后将特征单元细分，分成特征系，并在此基础之上来设计航空发动机机匣数控加工对应的约束条件，以及加工工艺与机匣结构之间的关联关系，从而构建出相应的参数建模。构建参数建模，利用其中所包含的特征基准关系和对应的约束条件，能为工人在进行数控加工时，得到相对完整准确的机匣数据，从而精准地规划出数控加工操作时多项需要操控的数值，从而更好地对航空发动机机匣进行数控加工，尽力避免操作失误而损害机匣，影响加工质量。参数建模能够较为直接地表现出有加工需求的航空发动机机匣的机体特征，但这还仅仅只是参数建模的基础部分，后续还应为其创建其余具有附加关系的特征，来逐渐完善机匣的参数建模，从而为数控加工提供更完整的基础数据参考。

2、规范工艺路线

由于航空发动机机匣的复杂结构以及微薄的内壁，在对机匣进行数控加工时常常会发生变形的现象。为了尽力规避这样的问题，就需要为机匣的数控加工来规范工艺路线，严格精准地进行规划加工进程。比如在机匣的毛坯制造过程中，在已知最大误差的情况下，来逐步完善零件的加工，从而促使毛坯的轮廓能与机匣的实际情况相吻合。在这样的规范规划之下，既可以提升切削的效率，还能避免加工过程中产生不必要的浪费。正常情况下，数控加工的工艺路线一般先是进行数控粗加工，将机匣在加工过程中所产生的多余的材料削减，令其尺寸与结构符合要求即可;随后是进行半精加工，由于在这过程中会有令机匣产生变形的情况，因此需要将机匣内的会发生变形的部分去除，以便对机匣的次要表层进行更为精细的处理;最后是进行精加工，严格按照要求来对机匣整体结构进行全面的精细化加工，操作时还应注意效率与精准度，合理选择合适的道具，把控好切削的深度与力度，以免出现操作失误。

3、设计刀位轨迹

合理科学的刀位轨迹决定了之后进行数控加工时，航空发动机机匣的加工价值与效益。设计好航空发动机机匣数控加工的刀位轨迹，可以确保数控加工实行切削的过程中可以有足够的余量。而在完成切削处理过后进行粗加工的过程中，将机匣产生的余量尽数处理，可以缩短进行数控加工的时间。然而数控刀位轨迹，无法令刀位轨迹保持稳定，很容易会导致切削深度不准确抑或是切削工具遭到磨损等问题。因此，为了尽力避免刀位轨迹所造成的问题，可以对加工的区域进行划分，设计每个区域内的刀位轨迹，从而将损害减到最小，保障机匣加工的质量。另外，在刀位轨迹进行的过程中，应开展效率更高的切削操作，完善切削进程，把控刀位轨迹，尽量将机匣所制造的余量清除。而在对数控加工的刀位轨迹进行设计时，无论是切入还是切出阶段，都要求了刀位轨迹的操作需要尽量维持平稳。因此为了满足这个要求，在设计刀位轨迹时，可以根据机匣的外形来针对性地进行设计，采用较为合适的刀位轨迹行进方式，以提升机匣数据加工的效率。

三、如何优化航空发动机机匣的数控加工

首先，航空发动机机匣的数控加工优化遵循了同特征同期加工的原则。航空发动机机匣在进行数控加工前，会根据机匣的结构特征以及属性特征，来对航空发动机机匣进行分组归类，随后再为其安排同时期加工，以此来提高加工效率。这样的优化方式，可以令每个航空发动机机匣于相应的条件下一次完成，从而保障高效的机匣数控加工。然后，以构建得出的参数建模作为参考，在此基础之上确定机匣数控加工的独立工艺方法，再根据加工的标准，来对航空发动机机匣的数控加工工艺实行集中处理。最后是粗加工与细加工相互协调，合理安排数控加工过程中的粗加工与细加工流程，以提升加工的精准度与效率。粗加工与细加工之间的相互协调与结合，可以在一定程度上保持航空发动机机匣的工件性能，从而对航空飞机飞行的安全性具备更高的保障。

总结

综上所述，数控加工为航空发动机机匣的制造生产提供了便利以及更高的产品质量，也为制作生产途中的诸多复杂技术性难题得到了解决的途径，为加工工作精准度的提升作出了卓越的贡献。数控加工的方法不仅提高了生产的效率，也间接促进了航空事业的发展，为人们带来了更为安全便捷的航空出行。

参考文献：

[1]张志革， 王敏丰. 航空发动机机匣机械 加工过程中变形因素分析及变形控制[J]. 中國设备工程， 2020（15）：2.

[2]于嘉鹏， 路永辉， 姜博宏，等. 基于UG NX的航空发动机离心叶轮数控加工自动编程系统的研究[J]. 航空制造技术， 2020， 63（4）：8.

[3]张智轩， 覃文源， 况成玉. 基于惯性释放的航空发动机中介机匣有限元分析[J]. 现代制造技术与装备， 2020， 56（10）：3.

作者：赵常铭

有限元分析的数控加工论文 篇2：

CAD/CAM技术在数控加工中的应用

摘 要:CAD/CAM技术的发展与应用以及其强大的功能,从多方面介绍在现代化工业生产中CADCAM的重要性。

关键词:CADCAM 数控加工 系统集成 仿真加工

1 引言

随着数控技术的发展,数控加工以经应用到各个领域之中,在数控加工过程中,加工程序的编制也越来越得到重视。因此CAD/CAM技术对数控加工领域来说显得越来越重要了。

一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的,如三维绘图、图形编辑、曲面造型、数控加工、有限元分析、仿真模拟、动态显示等。这些模块应该以工程数据库为基础,进行统一管理。这样既保持了底层数据的完整性和一致性,实现了数据共享,又节约了系统资源和运动时间。

2 CAD/CAM概述

计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)能设计制作出既满足设计使用要求又适合CAM加工的零件模型。优秀的CAD系统是一个高效的设计工具,具有参数化设计功能,三维实体模型与二维工程图形应能相互转化并关联。CAD可分为自动设计和交互设计两类。自动设计效率高,但灵活性差,只适用于标准化程度高、产品结构固定的产品;交互设计灵活性大,能充分发挥设计人员的主观能动性,但效率低,交互愈多愈复杂效率愈低。实际上,几乎没有纯粹的自动设计或纯粹的交互设计软件,好的软件能根据产品对象恰当地处理自动设计和交互设计的配合。另外,开放型的结构不仅便于用户进行二次开发,同时也使软件系统本身能够不断地扩充与完善。一个好的CAD/CAM软件与其它CAD/CAM软件的兼容性是非常重要的,软件所带的图形文件接口,要能支持多种图形文件转换,能从其它系统读取图形文件,或将本系统的图形文件传送到其它系统.

计算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing)是指应用计算机来进行产品制造的统称,即利用计算机辅助完成从原料到产品的全部制造过程,在制造过程中的某些环节应用计算机,包括直接制造过程和间接制造过程,主要包括计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助加工两部分。当前,计算机辅助加工大多是指机械加工,而且是数控加工(Numerical Control Machining),它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容,输出的是加工时,刀具的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络,由2级或3级计算机组成,中央计算机控制全局,提供经过处理的信息,主计算机管理某一方面的工作,并对下属计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控,计算机工作站或微型计算机承担一个工艺过程控制或管理工作,计算机辅助制造系统的构造可以分为两个部分,即硬件部分和软件部分,硬件方面有数控机床、输送装置、装卸装置、检测装置、计算机等。软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

CAM能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法,它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。一个好的CAM软件应有以下几方面功能:

①能建立二维和三维刀具路径的;

②加工方法的多样性;

③刀具路径易于编辑和修改;

④有刀具和材料数据库,使系统能自动生成进给速度和主轴转速;

⑤有内置的防碰撞和防过切功能;

⑥能手动超调任何机加工缺省值(如进给速度,主轴转速等);

⑦能对加工过程进行模拟和估算加工时间。

3 常用模块

3.1 仿真加工模块

高档先进的CAD／CAM系统都提供了一定的NC仿真功能,用于检查刀具切削过程的正确性,检查过切和干涉现象等,但直接通过NC代码来驱动仿真加工过程的方法和软件还很少。而在大量使用半手工(即套用固定循环语句)数控编程的我国制造业,采用NC代码驱动仿真加工过程以检验NC代码的正确性是迫切需要的。特别是,如果能将仿真软件直接嵌入到实际的加工系统中使其成为实际加工的支撑环境,将具有更为重要的意义。

3.1.1主要技术功能有:

(1)数控车床加工过程动态仿真

支持车床及车削中心的建模,工件和刀具的建模;

加工过程中机床和刀具的运动及切削过程的仿真;

刀具与工件、卡盘、尾架等之间的碰撞干涉检验;

(2)镗铣加工中心动态仿真

支持镗铣加工中心的建模,工件和刀具的建模;

点位加工中机床和刀具的运动仿真;

刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验;

(3)数控铣多轴加工动态仿真

支持镗铣加工中心的建模,工件和刀具的建模;

多轴加工中曲面加工的动态显示;

刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验;

(4)先进性

强调数控加工环境的详细描述,提供加工环境的建模手段;

加工过程由NC代码直接驱动,支持手工修改的NC代码;

在较精确的形体表示下,实现快速的三维图形显示加工过程动画。

(5)实用性和经济性

用三维图形直观展示加工环境及加工的各种设置;支持手工及半手工编程的NC代码;可部分承担NC编程和操作员的培训工作。

由于实现了数控加工过程仿真,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,在数控加工行业推广,可产生巨大的经济和社会效益。

3.1.2 数控仿真主要研究和解决了以下关键技术:

(1)几何建模,用于对加工中心设备和被加工工件及其装夹方式进行几何定义;

(2)NC代码的翻译转换;

(3)加工过程快速动画仿真;

(4)加工过程中各种危险的检验。

3.2 后处理程序及数控码输出模块

一般的CAD/CAM系统使用后处理程序提供用户化的数控码输出,使用户能够灵活地使用不同的数控装置。

(1)提供的后处理和程序。一般包括车床、线切割、电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序;

(2)后处理程序能细调,以使数控输出符合用户的要求;

(3)能将NC程序反向处理,显示刀具路径。

4 常见的基于微机的CAD/CAM软件

(1)UG Unigraphics(UG)是美国EDS公司发布的CAD/CAE/CAM一体化软件。广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域。国内外已有许多科研院所和厂家选择了UG作为企业的CAD/CAM系统。UG可运行于Windows?NT平台,无论装配图还是零件图设计,都从三维实体造型开始,可视化程度很高。三维实体生成后,可自动生成二维视图,如三视图、轴侧图、剖视图等。其三维CAD是参数化的,一个零件尺寸修改,可致使相关零件的变化。该软件还具有人机交互方式下的有限元解算程序,可以进行应变、应力及位移分析。UG的CAM模块提供了一种产生精确刀具路径的方法,该模块允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀轨,如延伸、修剪等,其所带的后处理程序支持多种数控机床。UG具有多种图形文件接口,可用于复杂形体的造型设计,特别适合大型企业和研究所使用。

(2)Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER是美国参数技术公司(PTC)开发的CAD/CAM软件,在我国也有较多用户。它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术,为三维实体造型提供了一个优良的平台。其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件,当原始造型被修改后,具有自动更新的功能。其MOLDESIGN模块用于建立几何外形,产生模具的模芯和腔体,产生精加工零件和完善的模具装配文件。新近发布的20.0版本,提供最佳加工路径控制和智能化加工路径创建,允许NC编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。该软件还支持高速加工和多轴加工,带有多种图形文件接口。

(3)Master CAM由于价格便宜,Master CAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件,由美国CNC Software公司开发,V5.0以上运行于Windows或Windows NT。该软件三维造型功能稍差,但操作简便实用,容易学习。新的加工任选项使用户具有更大的灵活性,如多曲面径向切削和将刀具轨迹投影到数量不限的曲面上等功能。这个软件还包括新的C轴编程功能,可顺利将铣削和车削结合。其它功能,如直径和端面切削、自动C轴横向钻孔、自动切削与刀具平面设定等,有助于高效的零件生产。其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工。另外,Master CAM提供多种图形文件接口,如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL以及STL等。

国内外大量的经验表明,CAD系统的效益往往不是从其本身,而是通过CAM和PPC系统体现出来;反过来,CAM系统如果没有CAD系统的支持,花巨资引进的设备往往很难得到有效地利用;PPC系统如果没有CAD和CAM的支持,既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据,订出的计划也较难贯彻执行,所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此,人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起,从而消除“自动化孤岛”,取得最佳的效益。

5 结语

CAD/CAM软件,将微机与CNC机床组成面向车间的系统,将大大提高设计效率和设计质量,充分发挥数控机床的优越性,提高整体生产水平,实现系统集成和设计制造一体化集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC(生产计划与控制)等各种功能不同的软件有机地结合起来,用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理,保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。

参考文献

[1] 易际明.pro/engineerwildfire磨具设计与数控加工,2003.

[2] 宁汝新,徐弘山.机械制造中的CAD/CAM技术[M].北京:北京理工大学出版社,1991.

[3] 戴同,冯辛安主编.CAD/CAPP/CAM基础教程[M].北京:机械工业出版社,1997.

[4] 唐荣锡.CAD/CAM技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.

[5] 赵汝嘉.CAD/CAM在机械工业中的应用[M].西安:西安交通大学出版社,1993.

①作者简介:谭洪,男,1977,工学学士,实验师。从事现代制造技术教学与实践。

作者：谭洪

有限元分析的数控加工论文 篇3：

航天薄壁结构件数控加工变形控制研究

摘 要：随着我国科学技术不断发展，也带动了我国航天事业迈向了新的台阶。在航天薄壁结构件数控加工过程中，由于薄壁金属内应力不足，在加工过程中容易出现变形情况，严重影响结构件的生产质量。基于此，本文重点探究航天薄壁结构数控加工变形控制的方法。

关键词：航天薄壁；结构件；变形控制；方法

卫星推力装置用于卫星的姿态或轨道控制任务，是航天设备中的重要组成部分，在制造过程中对自身重量要求非常高，这也导致了薄壁结构件成为了必然趋势，通过公析数控加工技术现状可以发现，影响加工精度的因素非常多，并且这些因素之间相互作用，相互影响。为了能够满足高性能的推动效率以及结构刚度，需要全面利用卫星内部空间，尽量采用整体、网状及复杂薄壁结构等特点的零件，采用车、铣及电火花加工，但由于薄壁结构件刚性等问题影响，在生产中变形问题也较为严重，无法保证加工精度。这就需要加强对工艺方法进行优化，减小薄壁结构件在加工过程中变形的几率，保证航天设备制造质量。

1、航天薄壁结构件数控加工中的变形控制

现如今，通过有限元分析技术对结构件数控加工过程进行分析可以发现，通常都是采用ANSYS软件控制，对薄壁结构件变形系数、应力系数、应变幅度进行全面评估的效果较好。通过调查结果表明，导致数控加工变形的因素包括：（1）对不同切削量、速度、进给量、参与应力等进行分析，找出这些数据和加工变形数据间的关系以及变化影响，从而设定更加合适的切削参数，这样即可保证结构件的加工精度，并提高加工效率；（2）科学改进装夹方案。重点考虑压板位置与数量、定位元件结构与位置、夹紧力大小等因素，如果某个因素产生了变化问题，都会给整个元分析模型带来直接的影响，从而造成结构件变化问题。这就需要结合最终得出的改进策略，如改变弧形件定位孔的位置与数量、压板位置、夹紧力等；（3）零件加工前材料的弯曲、热处理等方面，评估零件加工中的残余应力分布情况，也可以采用切削加工方法计算出不同材料的残余力变化情况。通常情况下，结构较为复杂的零件内部应力都不均匀，采用元分析技术可以讓零件热处理变得更加简单，再融入ANSYS软件，即可得出结构件内部温度差以及应力分布状态。

2、薄壁结构件件数控加工变形控制策略

2.1加工中的变形控制策略

在进行航天薄壁结构件加工当中，其加工中的变形情况更多是受到装夹力、切削力的影响，这些变形问题也被称之为弹性变形，通常是在卸载后即可恢复到正常情况。但如果加工当中出现了变形问题，道具依然是按照设定轨迹切割加工，则会造成切削量、位置偏移问题。这就需要从以下几点进行控制：

（1）优化数控加工切削参数

结合数控加工实际情况来看，需要选择合适的切削参数十分重要，设置参数合理、标准可以保障零部件加工质量，如果参数选择不符合标准，会造成切削过大、增加道具磨损、提高零件表面参与应力等各类问题，最终会影响加工质量、成本、效率。所以需要优化加工切削参数，这对加强航天薄壁结构件加工质量有着重要意义。想要优化切削参数可以采用基因算法，并且在方法在很多生产系统中都有不错的变现，是控制薄壁结构件变形的重要措施之一。

（2）优化零件夹装的方案

结合航天薄壁结构件数控加工的实际情况，不断优化零件装夹方案，这样即可提高工艺系统的刚性，也可以全面提高航天设备制造当中的结构性能，结合结构件的型号、种类，对零件夹装方案进行优化调整，从而加强结构件加工变形控制，保障零部件整体质量。

（3）制定合理的数控补偿措施

为了能够减少实际生产中的失误率，可以通过模拟技术对零部件加工进行模拟计算，采用相关数据设计更加合理的数控补偿程序，分析原有的道具加工痕迹，以及零件变形的偏移值，这样即可实现对结构件加工变形后的数控补偿，从而提高结构件的加工精度。

（4）运用高速切削技术

当今新型的加工技术层出不穷，而高速切削技术的出现，可以最大程度上减少加工时间，从而控制加工变形，减少加工中的各项因素所带来的变形问题。流入在高速切削作用下，可以将结构件的残余应力变得很小，同时也会减少机械应力和热应力效应。

2.2加工前后变形的控制策略

（1）热处理减少变形

通常情况下，合理的热处理工艺可以减少材料变形问题。首先，控温正火或等温退火，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小；其次，合理的冷却方法，采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法。

（2）结构件刚度与结构设计

例如在弧形结构件加工当中，要增设横杆支撑的方法，这样可以避免出现加工变形等问题，保证弧面加工质量。但是需要工作人员精准掌握结构件应力情况，并结合实际情况正确选择结构件刚度。工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称；厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。

（3）去除残余应力

结合结构件的设计标准，需要去除结构件内部的残余应力，提高结构件的设计水平，这对减少负面因素的影响和变形控制有着重要作用。如在设备矫正过程中，可以适当增加一些热处理工序，这样可以减少结构件的内应力，从而降低产生应力变形的几率。也可以采用豪克能技术，该技术是一种金属强化技术，提高金属耐磨性，而且加工过后可以预置残余压应力，减少微观缺口效应，增强疲劳强度，延长工件的使用寿命。

结束语

综上所述，随着我国航天事业不断发展，对薄壁结构件的生产要求越来越高。但是在薄壁结构件加工中，变形问题层出不穷，针对此类问题，必须要加强对数据加工变形的研究和分析，提出加工过程和加工后的变形控制，从而提高结构件的加工质量，保证结构件的整体性能。

参考文献：

[1]王运巧， 梅中义， 范玉青. 航天薄壁结构件数控加工变形控制研究[J]. 现代制造工程， 2015（1）：31-33.

[2]梅中义， 高红， 王运巧. 航天设备铝合金结构件数控加工变形分析与控制[J]. 北京航天航天大学学报， 2009， 35（2）：146-150.

[3]孙国智. 大型复杂薄壁结构件加工变形仿真与控制技术研究[D]. 北华航天工业学院， 2015.（2）：36-72.

作者：黄立新 胡强辉