1 目 錄 1 前言 1 1.1 選題的依據(jù)及意義 1 1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 1 1.3研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案 3 1.4論文主要工作 3 2 自由曲面零件五坐標(biāo)數(shù)控加工基礎(chǔ) 4 2.1 基本概念 4 2.2 自由曲面五坐標(biāo)數(shù)控加工的刀軸控制方式 5 2.3 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的成型方式 6 3 螺旋槳數(shù)控加工工藝分析 7 3.1.選擇材料和確定毛坯 7 3.2 選擇定位基準(zhǔn) 7 3.3 擬定加工路線 7 3.4 確定工序具體內(nèi)容 8 3.5 確定加工坐標(biāo)系 9 3.6 刀具類型及參數(shù) 10 3.7 切削參數(shù) 14 4 螺旋槳加工刀具軌跡規(guī)劃和刀路模擬 16 4.1 螺旋槳粗加工刀位計(jì)算方法與刀具路徑規(guī)劃 16 4.2 螺旋槳精加工研究及刀路軌跡規(guī) 劃 20 4.2.1 螺旋槳槳葉精加工刀位規(guī)劃 21 4.2.2 輪轂加工的刀位規(guī)劃 24 4.3 螺旋槳加工刀路的模擬 25 4.4 螺旋槳葉片加工的數(shù)控程序 29 5 總結(jié)與展望 33 參考文獻(xiàn) 34 2 1 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)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 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、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，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。 GeoffreyW Vickers3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。 Xiuzi Ye4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 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 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研究內(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)控加工也是主要從這幾方面來進(jìn)行，主要研究了船用螺旋槳的曲面粗加工刀軌的生成方法，精加工刀位的計(jì)算方法及刀具路徑的規(guī)劃。 1.4 論文主要 內(nèi)容 1.對(duì)螺旋槳數(shù)控加工進(jìn)行工藝分析 2.研究螺旋槳數(shù)控加工刀具軌跡進(jìn)行規(guī)劃 3.在 UG的 VARIABLE-CONTOUR中，生成螺旋槳的刀具軌跡 4.在 UG中進(jìn)行螺旋槳模擬加工 2 自由曲面零件五坐標(biāo)數(shù)控加工基礎(chǔ) 5 與三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工曲面相比，五坐標(biāo)機(jī)床由于具有五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，因而它有足夠的自由度逼近任意工件曲面，使得在五坐標(biāo)機(jī)床上能夠采用球頭銑刀、端面銑刀、棒形銑刀等各種刀具進(jìn)行加工。因此五坐標(biāo)數(shù)控加工在質(zhì)量和效率方面具有顯著的優(yōu)勢 .本章從五坐標(biāo)數(shù)控加工的基礎(chǔ)知識(shí)、多坐標(biāo)數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃方法、自由曲面的粗精加工方法等方面入手，詳細(xì)地介紹、分析了五坐標(biāo)數(shù)控加工的研究現(xiàn) 狀。 2.1 基本概念 1)切觸點(diǎn) (cutting contact point)指刀具在加工過程中與被加工零件曲面的理論接觸點(diǎn)。對(duì)于曲面加工，不論采用什么刀具，從幾何學(xué)的角度來看，刀具與被加工曲面的接觸關(guān)系均為點(diǎn)接觸。圖 2-1 給出了幾種不同刀具在不同加工方式下的接觸點(diǎn)。 2)切觸點(diǎn)曲線 (cutting contact curve)指刀具在加工過程中由切觸點(diǎn)構(gòu)成的曲線。切觸點(diǎn)曲線是生成刀具軌跡的基本要素，既可以顯式地定義在加工曲面上，如曲面的等參數(shù)線、兩曲面的交線等，也可以隱式定義，使其滿足一些約束條件，如約束 刀具沿導(dǎo)動(dòng)線運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)動(dòng)線的投影可以定義刀具在加工曲面上的切觸點(diǎn)，還可以定義刀具中心軌跡，切觸點(diǎn)曲線由刀具中心軌跡隱式定義。這就是說，切觸點(diǎn)曲線可以是曲面上實(shí)在的曲線，也可以是對(duì)切觸點(diǎn)的約束條件所隱含的“虛擬”曲線。 3)刀位點(diǎn)數(shù)據(jù) (cutter location data，簡稱為 CLData)指準(zhǔn)確確定刀具在加工過程中每一位置所需的數(shù)據(jù)。一般來說，刀具在工件坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置可以用刀具中心點(diǎn)和刀軸矢量來進(jìn)行描述，其中刀具中心點(diǎn)可以是刀心點(diǎn)，也可以是刀尖點(diǎn)，視具體情況而定，如圖 2-1 所示 . 4)刀具軌跡曲線 指在加工過程中由刀位點(diǎn)構(gòu)成的曲線，即曲線上的每卜一個(gè)點(diǎn)包含一 個(gè)刀軸矢量。刀具軌跡曲線一般是由切觸點(diǎn)曲線定義刀具偏置計(jì)算得到， 計(jì)算結(jié)束存放于刀位文件 (CLData file)之中。 5)導(dǎo)動(dòng)規(guī)則指曲面上切觸點(diǎn)曲線的生成方法 (如參數(shù)線法、截平面法 )及一些有關(guān)加工精度的參數(shù)，如步長、行距、兩切削行間的殘留高度、曲面加工的欠切誤差 (outer tolerance)和過切誤差 (inner tolerance)等。 6)刀具偏置 (tool offset)指由切觸點(diǎn)生成刀位點(diǎn)的計(jì)算過程。 6 圖 2-1 切觸點(diǎn) 2.2 自由 曲面五坐標(biāo)數(shù)控加工的刀軸控制方式 五坐標(biāo)機(jī)床在三個(gè)平動(dòng)軸基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，不僅可使刀具擺放在工件的任意位置，而且可使刀具軸線在一定范圍內(nèi)相對(duì)于工件任意可調(diào)。五坐標(biāo)加工與三坐標(biāo)加工的本質(zhì)區(qū)別在于 :在三坐標(biāo)加工中，刀具軸線始終平行于 Z 軸 ;而在五軸加工中，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中的方向一般是不斷變化的。那么走刀過程中刀具軸線方向如何控制就是一個(gè)要解決的問題，即刀軸控制方式問題。常用的刀軸控制方式有以下幾種 1)垂直于表面方式 垂直于表面方式是使刀具軸線始終平行于各切削點(diǎn)處的表面法矢。由于刀具底面緊貼加工表面， 從而對(duì)切削行之間的殘余高度作最大限度地抑制，這樣就減少走刀次數(shù)而獲得較高的生產(chǎn)效率。這種方式一般用于大型平坦的無干涉凸曲面的端銑加工。 2)平行于表面方式 平行于表面方式是指刀具軸線或母線始終處于各切削點(diǎn)的切平面內(nèi)，所對(duì)應(yīng)的加工方式一般為側(cè)銑。這種方式的主要應(yīng)用于直紋面的加工，用圓柱或圓錐形刀具側(cè)刃與直紋面母線接觸，可以一刀加工成型，效率高而且表面質(zhì)量好。 3)傾斜于表面方式 該方式由刀軸矢量 i 在局部坐標(biāo)系中與坐標(biāo)軸和坐標(biāo)平面所成的兩個(gè)角度 a 和 定義，如圖 2.2 所示。圖中， n 為曲面上切削點(diǎn)處單位法矢， t 為曲面上切削點(diǎn)處沿進(jìn)給方向單位切矢， v=t x n , (t,n,v)為曲面在切削點(diǎn)處的局部坐標(biāo)系， a 為前傾角，即刀軸矢量與垂直于進(jìn)給方向的平面所成的角度，可在端銑加工凹面時(shí)防止千涉 ; 為傾斜船用螺旋槳曲面造型及五軸數(shù)控加工刀位規(guī)劃角，是指刀軸與曲面法矢的夾角，不屬某個(gè)截面，位于以法矢為軸線，丫為頂角的圓錐上，但可由 a 角及指定沿走刀方向 7 的左右側(cè)來確定刀軸的空間方向。傾斜方式是五坐標(biāo)加工的一般控制方式，垂直于 表面方式和平行于面方式均可看作它的特殊情況。例如， 垂直于表面方式即等價(jià)于 a= =0 圖 2.2 相對(duì)于曲面的刀軸控制 2.3 五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的成型方式 在五坐標(biāo)數(shù)控加工編程中，刀位數(shù)據(jù)的生成、干涉或碰撞問題的解決都與所用刀具的形狀有關(guān)。根據(jù)曲面加工過程中的成型方式，五軸加工分為 :點(diǎn)接觸式、面接觸式、線接觸式三種方式。 點(diǎn)接觸式加工是指在加工過程中以點(diǎn)接觸成型的加工方式，如球頭銑刀加工、球形砂輪磨削等。這種加工方式的主要特點(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 ;其編程簡單、計(jì)算量較小 ;并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑就可避免干涉，因而它適合任意曲面的加工。但是切削條件差，加工精度和效率低。 面接觸式加工是指以面接觸成型的加工方式，如端面銑削 (磨削 )加工。這種加工方式的主要特點(diǎn)是 :由于切削點(diǎn)有較高的切削速度，周期進(jìn)給量大，因而它具有較高的加工效率和精度。但由于受成型方式和刀具形狀的影響，它主要適于中凸曲率變化較平坦的曲面的加工。 線接觸式加工是指加工過程中以線接觸成型的加工方式，例如 圓柱周銑、圓錐周銑、棒形磨削及砂帶磨削等。這種加工 方式的特點(diǎn)是 :由于切削點(diǎn)處切削速度高，因而可獲得較高的加工精度，同時(shí)，由于是線接觸成型，因而具有較高的加工效率。這是五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工當(dāng)前和今后研究的重點(diǎn)。目前己經(jīng)發(fā)展到對(duì)任意曲面線接觸加工的研究。 8 3 螺旋槳數(shù)控加工工藝分析 3.1 選擇材料和確定毛坯 傳統(tǒng)的螺旋槳材料主要有耐海水腐蝕性能比較高的錳黃銅系和耐海水腐蝕性能較高、抗空泡腐蝕性能優(yōu)良的鋁青銅 11,12。隨后又出現(xiàn)了用 N Al 青銅材料、鈦合金、 MCRS 不銹鋼、高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼、碳纖維環(huán)氧材料和一些復(fù)合材料制成的螺旋槳 13。 螺旋槳毛坯通常 有鑄件和圓柱棒料兩種類型。對(duì)于鑄造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀軌。根據(jù)零件表面的曲面方程，求出曲面在切觸點(diǎn)的法矢量，然后沿法矢量偏置一個(gè)刀具半徑，就得到刀具的刀心位置。如果采用圓柱棒料作為毛坯，就要采用層切法進(jìn)行粗加工。粗加工的目的就是去除相鄰槳葉間的多余材料，得到螺旋槳的大致形狀。本文采用后者，圓柱棒料類型毛坯。如圖 3-1 所示。 圖 3-1 螺旋槳圓柱棒料毛坯 3.2 選擇定位基準(zhǔn) 考慮到螺旋槳為中心對(duì)稱零件，螺旋槳加工時(shí)要準(zhǔn)確定位。選擇定位基準(zhǔn)為：孔+面，用槳背面的那一側(cè)的槳轂端面作為軸向定位基準(zhǔn)，用 槳轂端面水平分布的直徑為 5mm 的銷孔作為周向定位基準(zhǔn)。螺旋槳加工時(shí)，把螺旋槳毛坯安裝在夾具的心軸上，然后在上端壓緊。 3.3 擬定加工路線 隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，在不同設(shè)備和技術(shù)條件下，同一個(gè)零件的加工工藝路線會(huì)有較大的差別。但關(guān)鍵的都是從現(xiàn)有加工條件出發(fā)，根據(jù)工件形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理選擇加工方法、劃分加工工序、確定加工路線和工件各個(gè)表面的加工順序，協(xié)調(diào)數(shù)控銑削工序和其他工序之間的關(guān)系以及考慮整個(gè)工藝方案的經(jīng)濟(jì)性等。 加工方法的選擇 9 （ 1） 平面加工方法的選擇 在數(shù)控銑床上加工平面主要采取端銑刀和立銑刀加工。當(dāng) 零件表面粗糙度要求較高時(shí)，應(yīng)采用順銑方式。 （ 2） 平面輪廓加工方法的選擇 通常采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行兩軸半坐標(biāo)加工。 （ 3） 固定斜角平面加工方法的選擇 當(dāng)零件尺寸不大時(shí)，可用斜墊板墊平后加工。當(dāng)零件尺寸很大，斜面斜度又較小時(shí)，常用行切法加工，但加工后，會(huì)在加工面留下殘留面積，需要用鉗修方法加以清除，用三坐標(biāo)數(shù)控立銑加工飛機(jī)整體壁板零件時(shí)常用此法。 （ 4） 曲面輪廓加工方法的選擇 立體曲面的加工應(yīng)根據(jù)曲面形狀、刀具形狀以及精度要求采用不同的銑削加工方法，如兩軸半、三軸、四軸及五軸等聯(lián)動(dòng)加工。 圖 3-2 擬定加工路線 通常 為防止 加工時(shí)葉片變形，改進(jìn)切削工藝，高速銑切削能夠有效的降低葉片彈塑性變形，提高切削速度，降低切削區(qū)域溫度，改變了切屑成形原理和去除機(jī)理，降低切削力，減少了變形；改進(jìn)工藝方案，采用輔助機(jī)械增加剛度，在葉片彈性變形較大區(qū)域填充松香、石膏、蠟，或增加支撐桿，能夠?qū)椥宰冃慰刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)；改進(jìn)工藝路線，先加工剛性薄弱的葉尖部位，后加工葉根部位；改進(jìn)工藝參數(shù)，降低精加工切削量，使用鋒利的刀具，多軸加工中增大后跟角等。擬定的加工路線如圖 3-2所示 。 3.4 確定工序具體內(nèi)容 根據(jù)零件的加工工藝要求，進(jìn)行工序的劃分，內(nèi)容包括確定走刀次數(shù)和加工余量，不同的加工工序，其加工余量、精度和表面粗糙度是不一樣的。 UG/CAM 默認(rèn)劃分三個(gè)工序：粗加工、半精加工和精加工。 將本文中的螺旋槳零件加工劃分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)工序。 粗加工螺旋槳葉面精銑 螺旋槳葉背粗銑 螺旋槳葉面粗銑 螺旋槳葉背精銑 螺旋槳輪轂精銑 毛坯開粗 二次裝夾（以螺旋槳葉面一側(cè)的輪轂端面孔為基準(zhǔn)） 螺旋槳輪轂粗銑 10 選擇型腔銑加工，就是沿軸向（ z 向）不同深度的 XY 平面內(nèi)生成粗加工刀軌。首先給定一個(gè) z 值，確定出該 z 值處的 xy 平面，求出該平面與相鄰槳葉等距面（偏置距離粗加工余量）的交線；求出相鄰槳葉的 2D 邊界線；然后由邊界線，相交線，螺旋槳槳轂 及毛坯確定出每層的加工區(qū)域。最后，用 zig-zag 模式把預(yù)定義的刀位連接起來，形成粗加工刀軌。輪轂的 半精加工和槳葉的 精加工選擇 UG 多軸銑削模板，螺旋槳的葉面基本上是一個(gè)螺旋面，而背面是一個(gè)自由曲面。槳葉曲面是以 u， v 為參數(shù)擬合出來的 B 樣條曲面，可以對(duì)槳葉進(jìn)行變軸銑削加工。各工序內(nèi)容如表 3.1 所示。 表 3.1 各工序內(nèi)容 序號(hào) 方法 加工內(nèi)容 操作方式 刀具 主軸轉(zhuǎn)速S 進(jìn)給F 跨距 切深 余量 1 粗加工 毛坯開粗 型腔銑 端銑刀R12 2500 1200 70% 6 1 2 半精加工 葉面及葉背外形 固 定軸輪廓銑 球頭刀R5 3000 900 40% 0.8 0.25 3 半精加工 輪轂 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 3000 900 0.8 0.25 4 精加工 葉面及葉背外形 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 5000 400 0.3 0 5 精加工 輪轂 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 5000 400 0.3 0 3.5 確定加工坐標(biāo)系 生成刀具軌跡前，必須要確定刀具軌跡所在的坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系就是加工坐標(biāo)系（ MCS），加工坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系有著密切的關(guān)系。因?yàn)橛糜诹慵庸ぱb夾的夾具的中心線 與主軸中心線、轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心線相重合，所以設(shè)定 MCS 的三個(gè)軸和機(jī)床坐標(biāo)系的三個(gè)軸相對(duì)應(yīng)，坐標(biāo)原點(diǎn)就是對(duì)刀點(diǎn)。 本文中設(shè)定螺旋槳輪轂面中心為加工坐標(biāo)系原點(diǎn)。如圖 3-4 所示。 圖 3-4 加工坐標(biāo)系 11 3.6 刀具類型及參數(shù) 要實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的高速、高精與高效，一個(gè)重要因素就是如何根據(jù)加工對(duì)象選用合適的刀具。 （ 1）銑刀的材料及結(jié)構(gòu) 刀具工作時(shí)，要承受很大的壓力。同時(shí)，由于切削時(shí)產(chǎn)生的金屬塑性變形以及在刀具、切屑、工件相互接觸表面間產(chǎn)生的強(qiáng)烈摩擦，使刀具切屑上產(chǎn)生很高的溫度和受到很大的應(yīng)力，在這種情況下，刀具會(huì)迅速磨 損或破損。因此刀具材料必須具備高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性，紅硬性和良好的工藝性。 銑削時(shí)對(duì)刀具的剛性刀有嚴(yán)格的要求，刀體伸出刀柄愈長，刀具的剛性愈差，銑削時(shí)愈容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響零件的表面質(zhì)量，還容易斷刀。 刀具材料主要涉及到刀具材料的硬度，一般常用的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金鋼兩種，其它非金屬材料的有陶瓷、金剛石、立方氮化硼等。高速鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，具有一定的硬度和耐磨性，適用于制造各種復(fù)雜刀具。高速鋼刀具制造工藝簡單，成本較低；硬質(zhì)合金的硬度、耐磨度、耐熱度很高，因此，硬質(zhì)合金的切削性能比高速鋼 高得多，當(dāng)?shù)毒吣湍ザ认嗤瑫r(shí)，切削速度可提高 4 10 倍，所以在高速銑削中常用硬質(zhì)合金。但是硬質(zhì)合金制造工藝復(fù)雜、價(jià)格較高 14。本文選用了高速鋼刀具。 銑刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑和齒數(shù)的選擇 15。銑刀直徑的選擇應(yīng)首先考慮零件加工部位的幾何尺寸與形狀，在保證銑刀有足夠的強(qiáng)度和剛度、減少走刀次數(shù)、提高生產(chǎn)效率的前提下，應(yīng)盡可能選擇直徑較大的銑刀。銑刀切削刃長度只要能保證將零件銑出即可，當(dāng) D/L0.4 時(shí)銑刀剛性差；當(dāng) D/L0.5 時(shí) ，剛性較好。銑刀端刃圓角半徑 r 的大小應(yīng)與零件尺寸要求一致，但粗加工中銑刀尚末 切削到零件的最終輪廓， r可選得小一些。銑刀刀齒數(shù)的選擇應(yīng)考慮到刀具材料的剛度、耐磨性、精度的要求，一般刀齒數(shù)愈多，心部實(shí)體直徑增大，剛性提高，但排屑性能差，所以刀齒數(shù)多、螺旋角大的立銑刀適宜精加工、半精加工，反之則用在粗加工。直刃立銑刀加工時(shí)，切削刃全部同時(shí)切入工件，同時(shí)離開工件，這樣反復(fù)作用加工容易引起振動(dòng)缺損，加工表面質(zhì)量不佳，作用在刀刃上的切削力作用在同一方向上，使刀具彎曲，故曲面加工精度較差。螺旋刃立銑刀加工切入工件時(shí)，刀刃上某點(diǎn)其受力位置隨刀具回轉(zhuǎn)而變化。結(jié)構(gòu)上難以引起振動(dòng)，作用在刀刃上的切削力垂 直于螺旋角方向，并分解為垂直分力與進(jìn)給分力，使刀具彎曲的進(jìn)給分力減小了，故曲面加工精度較好。螺旋角的選擇與切削振動(dòng)、磨損、加工精度有關(guān)，一般選擇大的螺旋角，其理由是螺旋角越大參與切削長度越長、切削力在長切刃上被分散，如圖 2-5 所示。但是螺旋角也不是越大越好， 12 螺旋角越大，垂直于刀具分力就越大，就不適合加工剛性差的工件。還有切屑排出性也變差了。 圖 3-5 螺旋角大小與受力力情況 碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金、純銅和塑料等加工可以選用 45螺旋角和 30螺旋 角。鈦合金、鎳合金、 不銹鋼等難切削材料和高硬度鋼等加工選用 60螺旋角。 （ 2）刀具的類型 數(shù)控加工中常用的刀具主要有平底銑刀、端銑刀、球頭刀、環(huán)形刀、鼓形刀和錐形刀。下面依次分析其各自的銑削特點(diǎn)和應(yīng)用場合。 1）平底立銑刀 平底立銑刀主要以周邊切削刃進(jìn)行切削，切削性能好，是銑削加工的主要刀具。它主要用于平面銑削（如凸臺(tái)、凹槽以及平底開腔等）、二維零件的周邊輪廓銑削、立體輪廓粗加工和多坐標(biāo)精加工，而且也可應(yīng)用于立體輪廓的三坐標(biāo)精加工。 在多坐標(biāo)加工情況下，平底立銑刀的應(yīng)用有側(cè)銑和端銑兩種方式。側(cè)銑方式主要是 應(yīng)用于直紋面的加工，由立銑刀周邊切削刃一次成形，加工效率高，并可有效保證型面質(zhì)量。端銑方式主要應(yīng)用于不適合側(cè)銑加工的其他情況，它采用一行一行的行切方式加工。這種方式在保證刀具不與被加工曲面干涉的前提下，盡可能使平底立銑刀底部貼近被加工表面，這樣切削條件好，并有效抑制切削行間的殘余高度，從而減少走刀次數(shù)。 2）端銑刀 端銑刀在圓周面及端面均有切削刃，主要用于面積較大的平面銑削和較平坦的立體輪廓（如大型葉片、螺旋槳、模具等）的多坐標(biāo)銑削，以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)量。 3）球頭刀 球頭刀主要用于三維立 體輪廓的三坐標(biāo)加工，在五坐標(biāo)加工中也能用到。球頭刀對(duì)于加工對(duì)象的適應(yīng)能力很強(qiáng)，且編程與使用也較方便，但球頭刀加工過程中，越接近球頭的底部其切削條件越差（切削速度低、容屑空間小等）。因此，在需要刀具底 13 部切削（如型面平坦部位的加工等）的情況下，加工效率難以提高且刀具容易磨損。另外，球頭刀加工時(shí)的走刀行距一般也比相同直徑的其他刀具加工時(shí)小，因此效率較低。 4）環(huán)形刀 環(huán)形刀是在周邊切削刃與底面切削刃之間以一段小圓弧過渡，主要用于凹槽、平底型腔等平面銑削和立體輪廓的加工，其工藝特點(diǎn)與平底立銑刀類似，切削性能好。而且 與平底立銑刀相比，由于環(huán)形刀的切削部位是圓環(huán)面，切削刃強(qiáng)度較好且不易磨損。 5）鼓形刀 鼓形刀多應(yīng) 用于一般表面的多坐標(biāo)側(cè)銑 加工 。由于它在包含軸線的截面內(nèi)的形狀是曲線， 所以它比圓柱面或圓錐面?zhèn)茹姷倪m應(yīng)能力強(qiáng)。但是， 鼓形刀的缺點(diǎn)是刃磨較困難，切削條件較差，而且不適于加工內(nèi)緣表面。 6）錐形刀 錐形刀刃磨容易，切削條件好，能夠獲得高的加工效率，特別是對(duì)于底部狹窄的通道零件的加工，如葉輪的側(cè)銑加工。采用錐形刀可以介入通道底部，在滿足結(jié)構(gòu)空間限制的情況下增加刀具的剛度，避免了刀具的振動(dòng)，從而提高加工效率與精度。 在編 程之前，首先確定要使用的刀具。在 UG/CAM 中，通過專門刀具創(chuàng)建操作來確定刀具。在 UG 中確定刀具的方式有兩種：用戶自定義刀具和從刀具庫獲取刀具。 本文在對(duì)螺旋槳零件進(jìn)行粗加工時(shí)選用了 12mm 的端銑刀，刃齒數(shù)為 2，刀具長度 40mm，刃長 22mm，刀柄直徑為 50mm，長度為 20mm。由于螺旋槳零件的槳葉面積較大而且具有較為平坦的立體輪廓，粗加工過程中采用層切法進(jìn)行銑削，所以選取 端銑刀可以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)量 。半精加工和精加工時(shí)選用了5mm 的球頭刀，刃齒數(shù)為 2， 刀具長度 40mm，刃長 6mm，刀柄直 徑為 30mm，長度為 20mm。由于在多坐標(biāo)加工中，球頭刀 對(duì)于加工對(duì)象的適應(yīng)能力很強(qiáng)，而且編程與使用也較方便，所以本文選取了球頭銑刀。參數(shù)設(shè)置 如圖 3-6 和圖 3-7 所示。 14 圖 3-6 12mm 平銑刀參數(shù) 圖 3-7 5mm 球銑刀參數(shù) 15 3.7 切削參數(shù) 切削參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、背吃刀量和切削寬度等。 （ 1）主軸轉(zhuǎn)速 n 主軸轉(zhuǎn)速的選取應(yīng)根據(jù)所采用的機(jī)床功率、刀具材料和尺寸、被加工零件的切削性能和加工余量來綜合 確定。 1000dnv （ m/min） （ 3.1） 式中 d 銑刀的直徑（ mm） n 主軸轉(zhuǎn)速（ r/min） （ 2）進(jìn)給速度fV進(jìn)給速度是切削用量的主要參數(shù)，要根據(jù)零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、機(jī)床的性能和工件材料選取。所謂進(jìn)給速度是指加工過程中，切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。對(duì)于銑削而言，銑刀的每個(gè)齒就相當(dāng)于一個(gè)切削刃。在復(fù)雜形狀零件的加工中特別是多坐標(biāo)加工，如果進(jìn)給速度是恒定的，材料切除率常常波動(dòng)并且可能超過刀具強(qiáng)度的極限，而導(dǎo)致刀具折斷，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的速度和加速度也可能超出允許的范圍。 進(jìn)給速度fV和每齒進(jìn)給量 zf 有關(guān)，粗加工時(shí)，每齒進(jìn)給量 zf 的選取主要決定于工件材料的力學(xué)性能、刀具材料和銑刀類型。工件材料強(qiáng)度和硬度越高，選 取的 zf 越小，反之則越大；同一類型的銑 刀，采用硬質(zhì)合金材料的每齒進(jìn)給量應(yīng)大于高速鋼銑刀；而對(duì)于面銑刀、圓柱銑刀、立銑刀，由于它們刀齒強(qiáng)度不同，其每齒進(jìn)給量 zf 值的選取按面銑刀圓柱銑刀立銑刀的排列順序依次遞減。 在精加工時(shí)，每齒進(jìn)給量 zf 的選取要結(jié)合工件表面粗糙度的要求來考慮，表面粗糙度值越小，每齒進(jìn)給量 zf 就越小。一般情況下，每齒進(jìn)給量 zf 和切削速度fV，可從有關(guān)金屬切削工藝冊(cè)中查出。 在確定了進(jìn)給速度后，就可以以此為標(biāo)準(zhǔn)確定一些非切削運(yùn)動(dòng)的速度，包括快速進(jìn)刀 /退刀、趨近速度、橫越速度以及第一刀進(jìn)給速度。前面的速度可以根據(jù)機(jī)床的性能取到最大，而第一刀進(jìn)給速度，應(yīng)該比正常的進(jìn)給速度小很多，對(duì)于鑄鐵和鋼件而言，一般為正常進(jìn)給速度的 30%。 （ 3）背吃刀量 背吃刀量，是指工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離。在機(jī)床動(dòng)力足夠和工藝系統(tǒng)剛度許可的條件下，應(yīng)選取盡可能大的背吃刀量。一般情況下，在留出精銑和半精銑的余量 0.5 2mm 后，其余的余量可以作為粗 銑的背吃刀量，盡量一次切 16 除。半精銑背吃刀量可選為 0.5 1.5mm，精銑背吃刀量可選為 0.2 0.5mm。 （ 4）切削寬度 在復(fù)雜曲面的銑削加工中，切削寬度的確定就是走刀行距的確定。相鄰兩條估計(jì)軌跡線上對(duì)應(yīng)刀位點(diǎn)之間的距離稱為走刀行距，其大小是影響曲面加工精度和效率的重要因素。由于球頭刀加工會(huì)在走刀方向上形成走刀步長殘留，同時(shí)在相鄰走刀行之間形成行距間殘留 16,17,18，行距過大得到的殘留高度就大，相應(yīng)的表面粗糙度就會(huì)增大，后續(xù)處理加工量加大；行距過小將使加工時(shí)間成倍增加，同時(shí)還導(dǎo)致編程效率的下降以及 零件加工程序行的成倍增加。因此，為了既滿足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有較高的生產(chǎn)效率，必須合理確定行距。在一些比較成熟的 CAD/CAM 編程模塊中都提供了較有效的刀具軌跡規(guī)劃算法和相關(guān)的步距確定方法。 一般情況下，在粗加工中，為了能夠大量且有效的去除毛坯材料，對(duì)表面粗糙度的要求不是很高，所以可以選擇比較大的切削寬度，在曲面型腔銑或型芯銑的粗加工中，就可采用直徑比較大的平底銑刀，所選取的切削寬度為刀具直徑的 2/3，同時(shí)也要考慮刀具的強(qiáng)度和耐用度，適當(dāng)修正前面的切削深度。在精加工中，由于加工的精度和表面粗糙 度都要求很高，所以在加工過程中采用小直徑的球頭銑刀，所選擇的步距就應(yīng)該比較小，一般可選擇 0.1 0.3mm 左右。 在確定切削用量參數(shù)時(shí)要根據(jù)機(jī)床說明書的要求和刀具的耐用度去選擇和計(jì)算，當(dāng)然也可以結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用類比法去確定。確定切削條件的目標(biāo)是要生成具有最大材料切除率 NC 程序，同時(shí)保持穩(wěn)定的切削狀態(tài)與要求的加工精度。在影響銑削過程切除率的參數(shù)中，軸向與徑向切削深度必須在刀具軌跡生成時(shí)確定，而進(jìn)給速度與切削速度則可以以其后進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，首先就確定軸向與徑向切削深度以獲得最大的材料切除率，然后再考慮切削力的 限制與刀具承受力對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行選擇。 17 4 螺旋槳數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃 及 模擬加工 4.1 螺旋槳粗加工刀位計(jì)算方法與刀具路徑 螺旋槳毛坯通常有鑄件和圓柱棒料兩種類型。對(duì)于鑄造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀軌。根據(jù)零件表面的曲面方程，求出曲面在切觸點(diǎn)的法矢量，然后沿法矢偏置一個(gè)刀具半徑，就得到刀具的刀心位置。如果采用圓柱棒料作為毛坯，就要采用層切法進(jìn)行粗加工。粗加工的目的就是去除相鄰槳葉間的多余材料，得到螺旋槳的大致形狀。 類似型腔加工 算法的核心思想就是在沿軸向 (z 向 )不同深度的 xy 平面內(nèi)生成粗加工刀軌。首先給定一個(gè) z 值，確定出該 z 值處的 xY 平面，求出該平面與相鄰槳葉等距面 (偏置距離為粗加工余量 )的交線 ;求出相鄰槳葉的 2D 邊界線 ;然后由邊界線，相交線，螺旋槳 輪轂 及毛坯確定出每層的加工區(qū)域。最后，用 zigzag 模式把預(yù)定義的刀位連接起來就形成了粗加工刀軌。具體過程如下 : 1.給定一個(gè) z 值，求出該 z 值的 xy 平面與槳葉曲面等距面的交線 由螺旋槳的造型可知，螺旋槳槳葉曲面是根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出的均勻 B 樣條曲面，它是由三次均勻 B 樣條曲面片連接而成的。曲面片的連接是二階 連續(xù)的，參數(shù)為 U， V。 用數(shù)值方法求平面與曲面的交線實(shí)際上是求一些離散的點(diǎn)。而求平面與曲面的交點(diǎn)實(shí)際就是固定一個(gè)參數(shù) u，得到的一系列的 v 線，然后求 v 線與平面的交點(diǎn)。而每一條 v 線是由多段三次 B 樣條曲線光滑連接而成的，這就需要判斷出是 v 曲線的哪一段 B 樣條曲線與曲面相交。先計(jì)算出每一條 v 曲線上所有 B 樣條曲線段的兩個(gè)端點(diǎn)值，如果某個(gè) B 樣條曲線段兩端點(diǎn) z 值正好分布在平面的兩側(cè)，則說明該曲線段與曲面相交的，然后再求出該 B 樣條曲線段與平面的交點(diǎn)。 我們采用二分法求曲線與平面的交點(diǎn)。設(shè)該 B樣條曲線段的起點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的 Z值為SZ終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 z 值為eZ，平面對(duì)應(yīng)的 z 值為0Z。由于 v 曲線的均勻 B 樣條曲線段起始點(diǎn)的參數(shù) 0SV ，終點(diǎn)的參數(shù) 1eV，先令， ( ) / 2seV V V，計(jì)算該 v 值對(duì)應(yīng)的曲線上點(diǎn)的 Z 值，然后判斷式子00( ) ( )sZ Z Z Z 的值。如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，說明 V 值對(duì)應(yīng)點(diǎn)與 B 樣條曲線段的起點(diǎn)在平面的兩側(cè)，因此 Vs 不變，而令eVV;如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，說明 v 值對(duì)應(yīng)點(diǎn)與 B 樣條曲線段的起點(diǎn)在平面的同側(cè)，因此eV不變，而令 Vs=V 。然后再令 ( ) / 2seV V V， 重復(fù)剛才的過程，直到0zz為止 (這里 為設(shè)定的精度 )，此時(shí)所得參數(shù)值 v 對(duì)應(yīng)的曲線上點(diǎn)就是所求的交點(diǎn)。 18 2.求出相鄰槳葉的 2D 邊界線及等距線 因?yàn)榻o定的螺旋槳槳葉設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中包含有槳葉邊界線上的離散點(diǎn)，假定參數(shù)為 U采用三次均勻 B 樣條曲線擬合這些邊界點(diǎn)，得到槳葉的邊界線。邊界線在切削層上的投影就是 2D 邊界線。 然后再計(jì)算 2D 邊界線的等距線。首先計(jì)算 2D 邊界線對(duì)參數(shù) u 的切矢量并單位化，得到單位切矢量 t。由于是平面曲線，把矢量 t 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 900，就會(huì)得到 2D 邊界線的法矢量 n。設(shè)曲線上的點(diǎn)矢量為 P，等距線上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)矢量為 /p ，則可得/p p n r ，這里 r 是偏置距離，一般為需要留出的精加工余量。 3.求出 輪轂 與平面的交線的等距線 輪轂 一般為圓錐體，它與平面的交線為圓，因此其等距線可按照上面的方法求出。這樣由切削層平面與相鄰槳葉曲面等距面的交線，相鄰槳葉的 2D 邊界線的等距線，平面與 輪轂 的交線的等距線及毛坯的最外邊緣 ，便確定出每層的加工區(qū)域。這里的加工區(qū)域是指切觸點(diǎn)區(qū)域，還需要根據(jù)切觸點(diǎn)計(jì)算出刀心刀心的計(jì)算方法視刀具類型而定。如圖 4-1 所示，如果采用的是球頭刀，切削速度隨刀刃上切觸點(diǎn)位置的不同而變化，球形刀端點(diǎn)與加工表面切觸時(shí)切削速度為零。因此一般要避免用端點(diǎn)作為切觸點(diǎn)。在切觸點(diǎn)處，沿曲面的法矢量偏置刀具半徑 r 就可得到刀心點(diǎn) C(如圖 4-1);如果采用圓環(huán)刀，由于刀具底面中心一般沒有刀刃，為避免刀具底面中心與加工表面接觸及切削刃與加工表面發(fā)生千涉，應(yīng)將刀軸置于加工表面法向矢量與進(jìn)給方向切向矢量所在的平面內(nèi)，此平面即為環(huán)形 刀端銑加工的擺刀平面，同時(shí)使刀具底面的刀刃圓環(huán)面與加工表面接觸，且將刀軸沿進(jìn)給方向與加工表面法向矢量傾斜一個(gè)角度 ， 角稱為后跟角，如圖 4-2 所示，其中 R 為環(huán)形刀刀具半徑， r 為環(huán)形刀刃半徑(1 s i n )eR R r 為環(huán)形刀端銑加工的有效切削刀具半徑。 圖 4-1 球頭刀與加工表面 圖 4-2 圓環(huán)形刀與加工表面 19 這種刀位計(jì)算方法的核心就是先通過幾何運(yùn)算，確定出每層的加工區(qū)域，即刀觸點(diǎn)區(qū)域，然后根據(jù)不同的刀具計(jì)算出相應(yīng)的刀位。這種方法要涉及到平面與曲面的求交問題，計(jì)算比較復(fù)雜。但是也有其優(yōu)點(diǎn)，在確定好加工區(qū)域后，能夠嚴(yán)格地在加工區(qū)域里控制走刀。 經(jīng)過上述方法對(duì)毛坯進(jìn)行粗加工軌跡規(guī)劃， 單擊創(chuàng)建工具欄上的創(chuàng)建操作圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出“創(chuàng)建操作”對(duì)話框，如圖 4-3 所示。 在“創(chuàng)建操作”對(duì)話框中各參數(shù)設(shè)置如下： “類型”選擇 mill_contour “子類型”選擇第一行第一個(gè)圖形 ，設(shè)定為型腔銑 (cavity_mill)加工。 “程序”為 NC_PROGRAM “使用幾何體”為 MILL_GEOM “使用刀具” 為 MILL_12 “使用方法”為 MILL_ROUGH “名稱”輸入對(duì)話框中輸入操作名稱 CAVITY_MILL 確認(rèn)后，單擊“確定”按鈕，進(jìn)入型腔銑加工的操作對(duì)話框，開始型腔銑加工操作的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置用戶參數(shù)，“削方式”選用跟隨周邊，在“步進(jìn)”下拉列表框中選擇“刀具直徑”，“百分比”文本框內(nèi)輸入 50，“每一刀的全局深度”選項(xiàng)右側(cè)的文本框內(nèi)輸入 2，如圖 4-4 所示。 圖 4-3 圖 4-4 20 設(shè)置進(jìn)刀 /退刀參數(shù)，在“傳送方式”下拉列表框中選擇“ 安全平面”，其余選項(xiàng)按默認(rèn)值設(shè)置，圖 4-5 所示 圖 4-5 設(shè)置切削參數(shù)，“切削順序”選擇 |“深度優(yōu)先”，“切削方向”選擇“順銑切削”其余選項(xiàng)按默認(rèn)設(shè)置，圖 4-6 所示 圖 4-6 21 設(shè)置進(jìn)給率，主軸轉(zhuǎn)速 2500，進(jìn)給 1200，完成所有的參數(shù)設(shè)置后，單擊生成刀軌按鈕生成刀具軌 跡，如圖 4-7 和 4-8 所示 圖 4-7 葉背粗銑刀軌 圖 4-8 葉片粗銑刀軌 4.2 螺旋槳精加工研究 22 經(jīng)過粗加工，得到了螺旋槳的大致輪廓，然后再進(jìn)行 半 精加工 和精加工 。我們把螺旋槳的精加工分成三個(gè)部分 :葉 片 加工， 葉背 加工和 輪轂 加工。 4.2.1 螺旋槳槳葉精加工刀位規(guī)劃 本文把加工螺旋槳槳葉 0. 2R 以外的部分稱為槳葉加工。翻門采用二階密切法計(jì)算刀位，首先分析了槳葉的幾何特性，判斷采用該方法的可行性。 1.槳葉的幾何性質(zhì) 我們知道螺旋槳槳葉的葉面基 本上是一個(gè)螺旋面，而背面是一個(gè)自由曲面。首先判斷槳葉曲面上點(diǎn)的類型。槳葉曲面是以 u, v 為參數(shù)擬合出的 B 樣條曲面，設(shè)方程為 r = r(u, v)，則根據(jù)公式 (4.3), (4.5)計(jì)算出曲面在某點(diǎn)處的第一、第二基本量然后根據(jù)公式 (4.7)計(jì)算出該點(diǎn)處曲面的主曲率 k1, k2，進(jìn)而求出該點(diǎn)處曲面的高斯曲率12K K K。如果 K0，則該點(diǎn)為橢圓點(diǎn) ;如果 K0，則該點(diǎn)為雙曲點(diǎn) ;若 K=0，則該點(diǎn)為拋物點(diǎn)。把雙曲點(diǎn)用淺色顯示，把橢圓點(diǎn)用深色顯示，結(jié)果表明，槳葉上大分區(qū)域是雙曲 點(diǎn)，只有邊緣一小部分區(qū)域是橢圓點(diǎn)。這樣用二階密切法對(duì)槳葉進(jìn)行側(cè)銑，完可行的。 2 刀具軌跡的形成 經(jīng)過上面對(duì)槳葉幾何性質(zhì)的分析，我們把螺旋槳槳葉分成了雙曲點(diǎn)區(qū)域和橢圓點(diǎn)區(qū)域。在雙曲點(diǎn)區(qū)域，滿足二階密切法的條件，于是按照二階密切法的計(jì)算公式計(jì)算刀位。 當(dāng)采用圓柱刀或圓錐刀時(shí)，根據(jù)公式 (4.2)， (4.3)計(jì)算出刀軸方向在密切平面的投影和密切方向。圓柱刀的刀軸矢量與其在密切平面內(nèi)投影是一致的。而圓錐刀的刀軸矢量，可根據(jù)公式 (4.4)計(jì)算出，然后再根據(jù)公式 (4.5)計(jì)算出刀心的位置。 如果采用的刀具是圓環(huán)刀 ，則要根據(jù)公式 (4.3)， (4.5)計(jì)算出刀軸方向在密切平面的投影和密切方向，然后根據(jù)公式 (4.4)計(jì)算出刀軸矢量，最后根據(jù)公式 (4.5)計(jì)算出刀心的位置。 在橢圓點(diǎn)區(qū)域，如果采用圓柱刀或圓錐刀，只能實(shí)現(xiàn)近似密切，做法就是將刀具軸線擺放在該點(diǎn)處主曲率絕對(duì)值較小的主方向上，也就是沿曲面的平坦方向 :如果采用圓環(huán)刀，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)密切，于是也按照二階密切方法計(jì)算刀位。在理論上可以實(shí)現(xiàn)密切的曲面點(diǎn)上，也有可能因?yàn)榈毒甙霃竭x擇的不合適，而達(dá)不到密切。這就需要根據(jù)不同情況來調(diào)整刀具半徑。 由于螺旋槳槳葉曲面是網(wǎng) 格比較規(guī)整的參數(shù)曲面，我們采用參數(shù)線法生成刀具軌跡，切削行沿 u 線分布，因此刀觸點(diǎn)軌跡就是曲面的 u 線。走刀的步長采用等參數(shù)步 23 長法，即在條參數(shù)線上按等參數(shù)步長計(jì)算點(diǎn)位。參數(shù)步長 和加工誤差沒有確定的關(guān)系。先給定一個(gè)數(shù)步長，按照這個(gè)步長精度，計(jì)算刀位點(diǎn)。然后對(duì)編制的程序仿真檢查，如果加工精度不能滿足要求，則把 相應(yīng)減小，再重復(fù)剛才過程，直到得到理想的步長。 半精加工過程分別選擇固定軸曲面輪廓銑和可變軸曲面輪廓 銑對(duì)槳葉和輪轂側(cè)銑削。在對(duì)槳葉進(jìn)行固定軸輪廓銑參數(shù)設(shè)置時(shí)，選擇區(qū)域銑削（ Area Milling）方式，切削角度選擇沿 最長線進(jìn)行切削。 單擊創(chuàng)建工具欄上的創(chuàng)建操作圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出“創(chuàng)建操作”對(duì)話框， 在“創(chuàng)建操作”對(duì)話框中各參數(shù)設(shè)置如下： “類型”選擇 mill_mulit_axis “子類型”選擇第一行第一個(gè)圖形，設(shè)定為可變軸曲面輪廓銑（ mill_mulit-axis） “程序”為 NC_PROGRAM “使用幾何體”為 MCS_1 “使用刀具”為 BALL_MILL_5 “使用方法”為 METHOD “名稱”輸入 對(duì)話框中輸入操作名稱 VARIABLE_CONTOUR 如圖 4-9 所示 圖 4-9 確認(rèn)后，單擊“確定”按鈕，進(jìn)入可變軸曲面輪廓銑加工的操作對(duì)話框，開始可變軸曲面輪廓銑加工操作的參數(shù)設(shè)置， 如圖 4-10 所示， 設(shè)置用戶參數(shù)，“驅(qū)動(dòng)方式”選擇曲面區(qū)域，編輯參數(shù)如圖 4-11 示，“刀軸”選擇指定點(diǎn)，編輯參數(shù)如圖 4-12 示 ， renrendoc.c