三元整體葉輪的五軸加工刀具軌跡規(guī)劃論文.doc

南昌航空大學科技學院學士學位論文11前言1.1論文背景隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈，產(chǎn)品更新越來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費品生產(chǎn)的高速增長，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求也越來越高；此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工求。因此，近幾十年來，能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件加工問題的數(shù)控(NC)加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。努力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，并向高層次的自動化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進，是當前機械制造業(yè)發(fā)展的方向。數(shù)控技術(shù)是機械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實現(xiàn)對各種復(fù)雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實行計算機管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少、節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用，使機械加工的大量前期準備工作與機械加工過程聯(lián)為一體，使零件的計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計算機輔助制造(CAM)的一體化成為現(xiàn)實，使機械加工的柔性自動化水平不斷提高。與此同時，數(shù)控加工技術(shù)也成為發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。美國與西方各國在高檔數(shù)控機床與加工技術(shù)方面，一直對我國進行封鎖限制。因為許多先進武器裝備的制造，如飛機、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機床的加工。我國的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引進了一批五坐標機床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其利用受到國外的監(jiān)控和限制，不準用于軍事用途的零件加工。這一切均說明數(shù)控加工技術(shù)在國防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。1.2選題背景葉輪機械廣泛地用于能源動力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)，在國民經(jīng)濟和國防事業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。據(jù)原機械工業(yè)部統(tǒng)計資料表明，壓縮機、鼓南昌航空大學科技學院學士學位論文2風機、通風機和水泵在各行業(yè)的裝機容量占全國發(fā)電總量的三分之一葉輪機械是一個綜合性很強的學科，涉及到氣動、加工、強度、振動等方面，范圍廣，內(nèi)容多。近幾十年來，隨著計算機及數(shù)值計算理論的發(fā)展，葉輪的設(shè)計理論取得了可喜的成績。采用三元葉輪設(shè)計理論使得內(nèi)部流動更加符合流體的實際流動過程，性能得到大幅度的提高。與之相適應(yīng)，三元葉輪由于空間形狀的復(fù)雜性以及對強度的高要求使其對加工制造提出了更高的要求。三元葉輪的葉片通常為復(fù)雜曲面，輪盤和輪蓋為回轉(zhuǎn)面，是一類幾何特征明顯，在生產(chǎn)實際中有一定代表性的零件。它的設(shè)計與制造相對于常規(guī)機械零件復(fù)雜得多。設(shè)計葉輪時，要對葉輪內(nèi)部流動進行分析和控制，設(shè)計指標能否得到滿足，需要制造環(huán)節(jié)來保證。如果制造技術(shù)薄弱，葉輪的整體性能必將受到影響。因此葉輪的設(shè)計與制造密不可分。隨著制造業(yè)在全球范圍內(nèi)競爭的激烈，越來越多的制造企業(yè)裝備了先進的多坐標數(shù)控機床，尤其是五坐標機床逐漸裝備到企業(yè)中。五坐標機床功能強大、加工效率高、質(zhì)量好，受到制造業(yè)內(nèi)人士的青睞。由于五坐標機床刀具運動的復(fù)雜性，數(shù)控編程也較為困難。因此，復(fù)雜曲面的五坐標加工技術(shù)一直是數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外學者的研究熱點之一。根據(jù)葉片的幾何形狀，可將葉輪分為具有直紋面葉片的葉輪和具有任意曲面葉片的葉輪。對于曲面加工，最早是采用放樣法，這種古老的方法速度慢，精度低，需要熟練的技工完成。采用毛坯鑄造，葉片的厚度不能太薄，且精度很難保證，葉輪動平衡性能差。電火花加工技術(shù)也可用于葉輪的加工，但是其成本高。利用CAD/CAM技術(shù)，在數(shù)控機床上加工被認為是加工葉輪的最好方法。整體葉輪的數(shù)控加工離不開自動編程，在自動編程方面，整體葉輪的刀具路徑的規(guī)劃是個關(guān)鍵，刀具軌跡的生成能力直接決定數(shù)控編程系統(tǒng)的功能及所生成的加工程序質(zhì)量。能否生成有效的刀具軌跡直接決定了加工的可能性、質(zhì)量與效率。因此，從我國葉輪數(shù)控加工的現(xiàn)狀以及曲面數(shù)控加工的理論研究等方面來看，都有必要對葉輪以及復(fù)雜曲面的五坐標數(shù)控加工技術(shù)進行深入研究，以縮短我國葉輪數(shù)控加工、CAM軟件開發(fā)技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家的差距，提高我國流體機械行業(yè)在國際市場的竟爭能力。1.3文獻綜述葉輪類零件是一類具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復(fù)雜零件，它在能源動力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)中均有廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動南昌航空大學科技學院學士學位論文3機上的整體葉輪、坦克發(fā)動機增壓器葉輪、水泵及壓縮機葉輪等。這類零件形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對其性能參數(shù)都有很大影響。傳統(tǒng)的葉輪生產(chǎn)一般采用鑄造成型后修光的方法，但是隨著設(shè)計理論的發(fā)展如三元流技術(shù)等)，葉輪類零件工作面形狀日趨復(fù)雜，模具制造的難度比較大，工藝過程復(fù)雜，制造成本高，葉片精度難以保證，而且葉片的表面光潔度差，容易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生氣蝕，葉輪的動平衡性能差。此外，工人的勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)周期長。隨著透平機械的發(fā)展，葉輪的轉(zhuǎn)速越來越高，鑄造材料強度較低的弱點也日益顯露出來，這就迫使人們開始考慮采用其他的方法加工葉輪。隨著數(shù)控技術(shù)及計算機輔助設(shè)計和制造(CAD/CAM)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床被廣泛有效的用于葉輪加工中。用數(shù)控機床加工葉輪類等復(fù)雜曲面零件，傳統(tǒng)的方法一般是在三坐標數(shù)控銑床上用球頭刀采用行切法進行的，當毛坯為六面體時，可用平面分層加工方法；當毛坯為鑄造或模鍛件時，加工余量比較均勻，采用等距面分層加工方法。采用球頭刀的優(yōu)點是:球形表面法矢指向全空間，加工時對曲面法矢有自適應(yīng)能力，可以減少機床運動周期；編程簡單，計算量相對其他方法要少；并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑便可避免干涉現(xiàn)象。然而，用球形刀具加工曲面存在缺陷，從幾何上講，它屬于雙參數(shù)球面族的包絡(luò)，刀具與被加工曲面間為點接觸，加工精度和效率都較低。此外，三坐標數(shù)控加工具有控制運動軸數(shù)小、編程簡單、加工范圍廣等優(yōu)點的同時也存在加工質(zhì)量差、加工效率低、應(yīng)用場合有限等致命缺點。而五軸聯(lián)動機床可以采用非球頭刀銑削加工，顯著改善了切削狀態(tài)，提高了進給速度，因而加工效率可明顯提高，在質(zhì)量和效率方面具有三軸加工無法比擬的優(yōu)勢，且可以采用球形刀、立銑刀、環(huán)形立銑刀等多種刀具，擺脫了刀具種類的限制，近年來葉輪類等自由曲面零件的多軸數(shù)控加工尤其是五軸加工理論和加工方法己成為該領(lǐng)域的研究熱點。1989年G.w.vickers2教授將分別采用球形刀和立銑刀進行曲面加工的結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)立銑刀能更好的與曲面的幾何特性相匹配，因而可以減少走刀次數(shù)，切削效率高，且刀具使用壽命長。1994年，華中理工大學的全榮博士1研究了五坐標聯(lián)動數(shù)控技術(shù)及其在汽輪機葉片砂帶磨削加工中的應(yīng)用，提出了用均勻雙一次B樣條曲面去逼近葉片型面，并計算出其刀位數(shù)據(jù)。1995年，劉雄偉3提出了圓柱形銑刀加工自由曲面的單點偏置法和雙點偏置法，其基本原理是將刀具軸線選在曲面上比較平坦的方向，即法曲率絕南昌航空大學科技學院學士學位論文4對值最小的方向，并用二階離差來計算擬合誤差，為直紋面型葉輪的刀位規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。1997年，美國學者Yuan-ShinLee4對環(huán)形刀具加工自由曲面的局部干涉和全局干涉問題進行了較全面的析，并給出了無干涉刀位算法。同年，以色列學者GElber和美國猶太大學的R.Fish5提出了用直紋面片逼近自由曲面的方法，并將五軸數(shù)控機床線接觸法可加工的曲面由凸曲面擴展到鞍形曲面而不產(chǎn)生干涉。1998年，Yuan-ShinLee運用橢圓偏置方法分析了圓柱形刀具粗加工直紋凹坑曲面的方法，使粗加工后的曲面更接近理論曲面，便于精加工的進行。2000年，西安交通大學的陳麗萍博士6將五坐標精加工側(cè)銑刀具的刀軸矢量選在曲面的最小法曲率方向，通過調(diào)整刀軸使其與刀具表面上的切觸曲線段平行的方法，得到刀具的刀心坐標和調(diào)整角。同年，上海交通大學的倪炎榕7等探討了用圓環(huán)形的刀具加工復(fù)雜曲面的優(yōu)化算法，該算法把曲面離散為點，從宏觀范圍考察瞬時刀位下刀具和型面的接觸誤差分布，并按宏觀曲率吻合原則對刀位進行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)了寬形線接觸加工。多軸尤其是五軸數(shù)控加工理論的發(fā)展為整體葉輪的數(shù)控加工提供了可能。1.4論文的主要研究工作本論文以三元整體葉輪五軸數(shù)控加工的刀位規(guī)劃、刀位計算方法等為核心內(nèi)容，基于UG/CAM對整體葉輪的五軸數(shù)控加工刀具加工路徑進行研究，主要內(nèi)容包括:1.三元整體葉輪的數(shù)控加工工藝分析2.研究多坐標數(shù)