螺旋槳的五軸NC加工刀位軌跡規(guī)劃畢業(yè)論文.doc

南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1目錄1前言11.1選題的依據(jù)及意義11.2國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)11.3研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案31.4論文主要工作32自由曲面零件五坐標(biāo)數(shù)控加工基礎(chǔ)42.1基本概念42.2自由曲面五坐標(biāo)數(shù)控加工的刀軸控制方式52.3五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的成型方式63螺旋槳數(shù)控加工工藝分析73.1.選擇材料和確定毛坯73.2選擇定位基準(zhǔn)73.3擬定加工路線73.4確定工序具體內(nèi)容83.5確定加工坐標(biāo)系93.6刀具類型及參數(shù)103.7切削參數(shù)144螺旋槳加工刀具軌跡規(guī)劃和刀路模擬164.1螺旋槳粗加工刀位計(jì)算方法與刀具路徑規(guī)劃164.2螺旋槳精加工研究及刀路軌跡規(guī)劃204.2.1螺旋槳槳葉精加工刀位規(guī)劃214.2.2輪轂加工的刀位規(guī)劃244.3螺旋槳加工刀路的模擬254.4螺旋槳葉片加工的數(shù)控程序295總結(jié)與展望33參考文獻(xiàn)34南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21前言1.1選題的依據(jù)及意義螺旋槳是一類典型的自由曲面零件，螺旋槳是推進(jìn)器中效率比較高，應(yīng)用最廣的一種，其主要功用是使機(jī)器前進(jìn)和后退，有時(shí)也協(xié)助機(jī)器回轉(zhuǎn)。它的曲面形狀和制造精度直接決定了推進(jìn)效率和噪音的大小，而加工方法的研究將有助于提高該類零件的加工精度和效率。傳統(tǒng)的螺旋槳加工方法是通過普通銑床粗加工，加上大量的人工修磨來完成的，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度難以保證。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，目前的螺旋槳大多數(shù)采用數(shù)控加工中心來制造，所用的刀具通常為球頭刀和平頭刀，但加工精度和效率仍然不夠理想。如何充分發(fā)揮五坐標(biāo)加工中心的潛能，采用非球頭形式的刀具側(cè)銑加工該類自由曲面，以提高螺旋槳的加工精度和效率，是目前數(shù)控加工的一個(gè)研究重點(diǎn)。螺旋槳的數(shù)控加工提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，螺旋槳的加工實(shí)際上就是對(duì)自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是機(jī)械加工領(lǐng)域的難點(diǎn)，自由曲面是不能由初等解析曲面組成，而是以復(fù)雜方式自由變化的曲面，用數(shù)控機(jī)床加工曲面類零件，一般是在三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行，但對(duì)于形狀非常復(fù)雜的曲面零件，僅用三軸數(shù)控銑床是無法加工的，鑒于此，很自然地想到采用多坐標(biāo)形式機(jī)床，一般采用四坐標(biāo)或五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心。采用五坐標(biāo)機(jī)床，由于機(jī)床自由度的增加，可根據(jù)工件表面狀況確定出最合理的刀具空間姿態(tài)。因此，除了球頭到外，還可用其它形式的刀具來改善加工精度和效率，這便是線接觸加工問題。過去螺旋槳的粗加工大多是采用普通銑床進(jìn)行，而精加工通常采用手工砂輪打磨和模板測(cè)量，反復(fù)交替進(jìn)行，最后再用手工布輪拋光，加工精度和生產(chǎn)效率都低，工人的勞動(dòng)環(huán)境和條件較差，而且這樣的加工手段需要工人具有熟練的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著數(shù)控機(jī)床和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前螺旋槳的加工大多數(shù)采用數(shù)控機(jī)床來完成，然后拋光至滿意的精度1。由于無法得到大量的分析數(shù)據(jù)，刀具尺寸、加工步長(zhǎng)、行距等參數(shù)通常參照以前的加工經(jīng)驗(yàn)2。針對(duì)螺旋槳的曲面造型和數(shù)控加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。GeoffreyWVickers3早在70年代就研究了用數(shù)控機(jī)床采用球頭刀加工中等尺寸的螺旋槳。他首次提出用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算螺旋槳的表面，螺旋槳各部分曲面和各截面的圖形可在圖形終端上顯示出，而且可以交互修改。螺旋槳加工主要采用數(shù)控銑床進(jìn)行銑削加工，最后再采用少量的手工修整。XiuziYe4提出了結(jié)合物理約束主要包括曲面法矢來設(shè)計(jì)螺旋槳曲面，最終曲面是一個(gè)完整的非均勻B樣南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3條曲面，該曲面是用最小二乘法擬合給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)及這些點(diǎn)上面的法矢得到的。這種設(shè)計(jì)螺旋槳槳葉曲面的方法是結(jié)合對(duì)螺旋槳流體動(dòng)力學(xué)的分析進(jìn)行的。他這種方法主要是考慮到工程中對(duì)幾何實(shí)體的評(píng)價(jià)主要是其物理功能的實(shí)現(xiàn)，而不是其幾何外形的美觀。Hsing-Chia5結(jié)合螺旋槳曲面建模的結(jié)果，利用微分幾何的相關(guān)原理，分析了該曲面的曲率、主方向等幾何性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上，把槳葉區(qū)域分為橢圓點(diǎn)區(qū)域和雙曲點(diǎn)區(qū)域。在不同區(qū)域上，給出了球頭刀和端銑刀的刀位計(jì)算方法。而且給出了控制直線插補(bǔ)誤差和刀軌間殘留誤差的方法。韓國(guó)人JAE-WOONGYOUN6在五坐標(biāo)機(jī)床上采用球頭刀加工螺旋槳。他把螺旋槳加工分成三步完成:粗加工、半精加工和精加工。為生成精確的精加工刀軌，首先計(jì)算檢查向量，來決定刀軌上每個(gè)刀位處的兩個(gè)極限角度，它們是由刀具尺寸和加工帶寬決定的。最終的刀具方向矢量是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照一定的比例得到的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任秉銀7,8采用球頭刀加工螺旋槳。他把螺旋槳槳葉工作面分為標(biāo)準(zhǔn)螺旋面和流線型曲面兩部分，提出對(duì)螺旋面部分建立解析方程，導(dǎo)出刀具參數(shù)和加工參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。利用微分幾何中關(guān)于法曲率和主曲率的理論，通過計(jì)算曲面上任意點(diǎn)處的主曲率，找出最大主曲率，求出葉片壓力面數(shù)控加工用的最大允許球刀半徑。螺旋漿葉面的加工路徑一般取漿葉上等半徑上的螺旋線。球頭刀的中心位于螺旋面的法向等距面上，刀心軌跡線是在等距面上與刀觸點(diǎn)軌跡線法向等距的曲線。求出刀具沿軌跡線運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的包絡(luò)面，相鄰兩包絡(luò)面的交線便是實(shí)得曲面的特征線，這條曲線與設(shè)計(jì)曲面的距離便是幾何殘留誤差。天津農(nóng)學(xué)院的李艷聰9充分利用了UG軟件的建模與加工模塊，先建立螺旋槳幾何模型，然后生成數(shù)控加工程序。文獻(xiàn)7,8雖然提出把螺旋槳槳葉分成兩個(gè)部分，但是如何嚴(yán)格地劃分槳葉工作面的兩個(gè)部分，以及兩部分曲面如何拼接等問題沒有解決.文獻(xiàn)9充分利用了現(xiàn)有軟件，但是，對(duì)于形狀較復(fù)雜的螺旋槳，通常所給的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)很少，難以用UG軟件建出精確的模型，因此需要對(duì)僅有的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行加密才能得到足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，得到所需的槳葉曲面。而且，UG軟件針對(duì)三軸的加工模塊功能非常強(qiáng)大，而針對(duì)五軸的加工模塊功能還不是很完善。但對(duì)于槳葉較多的螺旋槳，僅三軸機(jī)床很難加工，甚至不能加工。所以對(duì)于槳葉較多，一般五葉以上的螺旋槳，僅依靠UG的加工模塊，還是有很大的局限性。以上所述的文獻(xiàn)中，所提及的加工螺旋槳的方法都是采用的球頭刀，加工方式為點(diǎn)接觸，即刀具曲面與被加工曲面之間為點(diǎn)接觸。為了保證槳葉的加工精度，加工行距不可能太大，因而效率較低。并且這種方法具有很大的局限性，它只適用于加工盤面比較小的螺旋槳，當(dāng)盤面比較大時(shí)，相鄰的槳葉相互重南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4疊，重疊部分很難加工.而五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床由于增加了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以采用不同形狀的刀具和不同的接觸方式進(jìn)行加工，從而能有效地解決上述問題。1.3研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案本論文在深入分析螺旋槳曲面成型原理的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)時(shí)給定的槳葉曲面的切面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用B樣條方法對(duì)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)插值并加密，得到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而利用最小乘法擬合出槳葉曲面，通過調(diào)整偏離權(quán)和光順權(quán)得到了理想的二階連續(xù)的槳葉曲面。針對(duì)圓柱棒料毛坯，提出了了采用類似型腔加工的加工方法，前一種方法能精確地控制加工區(qū)域，同樣可應(yīng)用于精加工；方法計(jì)算簡(jiǎn)單、易于編程。利用微分幾何學(xué)知識(shí)，分析了螺旋槳槳葉曲面的局部特征，在研究圓柱刀二階密切法規(guī)劃刀位的基礎(chǔ)上，探討了圓錐刀圓環(huán)刀的二階密切刀位計(jì)算方法，采用二階密切法規(guī)刀位可以顯著地提高加工精度。提出了基于二階密切法的加工路徑規(guī)劃方法，采用該方法可以在保證精度的前提下使加工帶寬明顯增大，提高加工效率。充分利用UG等軟件的建模和仿真功能，對(duì)螺旋槳的曲面造型和數(shù)控加工方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。自由曲面零件數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵是研究如何構(gòu)造被加工曲面、刀具路徑的規(guī)劃及數(shù)控加工過程的動(dòng)態(tài)仿真。本文對(duì)螺旋槳的數(shù)控加工也是