南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11前言1.1論文背景隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈，產(chǎn)品更新越來(lái)越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時(shí)，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費(fèi)品生產(chǎn)的高速增長(zhǎng)，復(fù)雜形狀的零件越來(lái)越多，精度要求也越來(lái)越高；此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)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(lái)，能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件加工問(wèn)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(dòng)化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進(jìn)，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的方向。數(shù)控技術(shù)是機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜精密零件的自動(dòng)化加工，易于在工廠或車間實(shí)行計(jì)算機(jī)管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少、節(jié)省人力、改善勞動(dòng)條件，有利于加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)械加工的大量前期準(zhǔn)備工作與機(jī)械加工過(guò)程聯(lián)為一體，使零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的一體化成為現(xiàn)實(shí)，使機(jī)械加工的柔性自動(dòng)化水平不斷提高。與此同時(shí)，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(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。美國(guó)與西方各國(guó)在高檔數(shù)控機(jī)床與加工技術(shù)方面，一直對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖限制。因?yàn)樵S多先進(jìn)武器裝備的制造，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開(kāi)高性能數(shù)控機(jī)床的加工。我國(guó)的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引進(jìn)了一批五坐標(biāo)機(jī)床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其利用受到國(guó)外的監(jiān)控和限制，不準(zhǔn)用于軍事用途的零件加工。這一切均說(shuō)明數(shù)控加工技術(shù)在國(guó)防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。1.2選題背景葉輪機(jī)械廣泛地用于能源動(dòng)力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防事業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。據(jù)原機(jī)械工業(yè)部統(tǒng)計(jì)資料表明，壓縮機(jī)、鼓南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和水泵在各行業(yè)的裝機(jī)容量占全國(guó)發(fā)電總量的三分之一葉輪機(jī)械是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及到氣動(dòng)、加工、強(qiáng)度、振動(dòng)等方面，范圍廣，內(nèi)容多。近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，葉輪的設(shè)計(jì)理論取得了可喜的成績(jī)。采用三元葉輪設(shè)計(jì)理論使得內(nèi)部流動(dòng)更加符合流體的實(shí)際流動(dòng)過(guò)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(duì)強(qiáng)度的高要求使其對(duì)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(shí)際中有一定代表性的零件。它的設(shè)計(jì)與制造相對(duì)于常規(guī)機(jī)械零件復(fù)雜得多。設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，要對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分析和控制，設(shè)計(jì)指標(biāo)能否得到滿足，需要制造環(huán)節(jié)來(lái)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(jì)與制造密不可分。隨著制造業(yè)在全球范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，越來(lái)越多的制造企業(yè)裝備了先進(jìn)的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，尤其是五坐標(biāo)機(jī)床逐漸裝備到企業(yè)中。五坐標(biāo)機(jī)床功能強(qiáng)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(biāo)機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)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(biāo)加工技術(shù)一直是數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)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(duì)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(dòng)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(jī)床上加工被認(rèn)為是加工葉輪的最好方法。整體葉輪的數(shù)控加工離不開(kāi)自動(dòng)編程，在自動(dòng)編程方面，整體葉輪的刀具路徑的規(guī)劃是個(gè)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(guó)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(lái)看，都有必要對(duì)葉輪以及復(fù)雜曲面的五坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行深入研究，以縮短我國(guó)葉輪數(shù)控加工、CAM軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，提高我國(guó)流體機(jī)械行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的竟?fàn)幠芰Α?.3文獻(xiàn)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(dòng)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(dòng)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3機(jī)上的整體葉輪、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器葉輪、水泵及壓縮機(jī)葉輪等。這類零件形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計(jì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對(duì)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(jì)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(guò)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(dòng)平衡性能差。此外，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。隨著透平機(jī)械的發(fā)展，葉輪的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，鑄造材料強(qiáng)度較低的弱點(diǎn)也日益顯露出來(lái)，這就迫使人們開(kāi)始考慮采用其他的方法加工葉輪。隨著數(shù)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床被廣泛有效的用于葉輪加工中。用數(shù)控機(jī)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(biāo)數(shù)控銑床上用球頭刀采用行切法進(jìn)行的，當(dāng)毛坯為六面體時(shí)，可用平面分層加工方法；當(dāng)毛坯為鑄造或模鍛件時(shí)，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(diǎn)是:球形表面法矢指向全空間，加工時(shí)對(duì)曲面法矢有自適應(yīng)能力，可以減少機(jī)床運(yùn)動(dòng)周期；編程簡(jiǎn)單，計(jì)算量相對(duì)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(diǎn)接觸，加工精度和效率都較低。此外，三坐標(biāo)數(shù)控加工具有控制運(yùn)動(dòng)軸數(shù)小、編程簡(jiǎn)單、加工范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在加工質(zhì)量差、加工效率低、應(yīng)用場(chǎng)合有限等致命缺點(diǎn)。而五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，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(lái)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(diǎn)。1989年G.w.vickers2教授將分別采用球形刀和立銑刀進(jìn)行曲面加工的結(jié)果進(jìn)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(zhǎng)。1994年，華中理工大學(xué)的全榮博士1研究了五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)及其在汽輪機(jī)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(jì)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(diǎn)偏置法和雙點(diǎn)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(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4對(duì)值最小的方向，并用二階離差來(lái)計(jì)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(guó)學(xué)者Yuan-ShinLee4對(duì)環(huán)形刀具加工自由曲面的局部干涉和全局干涉問(wèn)題進(jìn)行了較全面的析，并給出了無(wú)干涉刀位算法。同年，以色列學(xué)者GElber和美國(guó)猶太大學(xué)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(jī)床線接觸法可加工的曲面由凸曲面擴(kuò)展到鞍形曲面而不產(chǎn)生干涉。1998年，Yuan-ShinLee運(yùn)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(jìn)行。2000年，西安交通大學(xué)的陳麗萍博士6將五坐標(biāo)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(guò)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(biāo)和調(diào)整角。同年，上海交通大學(xué)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(diǎn)，從宏觀范圍考察瞬時(shí)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(duì)刀位進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實(shí)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(jì)算方法等為核心內(nèi)容，基于UG/CAM對(duì)整體葉輪的五軸數(shù)控加工刀具加工路徑進(jìn)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(biāo)數(shù)