葉輪五坐標(biāo)數(shù)控銑削CAM和CNC關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、葉輪類零件是航空、航天和能源等工業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，是公認(rèn)的難加工復(fù)雜曲面零件。
　　本課題針對現(xiàn)有商用CAD/CAM軟件在刀具軌跡規(guī)劃方面能力的不足，研究了專門針對葉輪類零件的刀具軌跡規(guī)劃策略和加工工藝方法，以期提升葉輪的加工制造效率和表面光潔度。基于這些算法開發(fā)了葉輪專用CAD/CAM軟件和CNC樣條插補(bǔ)器，為工程應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
　　本文首先介紹了復(fù)雜曲面加工技術(shù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，重點闡述

2、了直紋面?zhèn)茹姾妥杂汕纥c銑加工的研究成果，列舉了國內(nèi)外在數(shù)控系統(tǒng)曲線曲面加工方面的研究成果，尤其深入介紹了學(xué)術(shù)界在樣條曲線加工方面的研究進(jìn)展情況。另外，還介紹了五坐標(biāo)干涉檢查及四元數(shù)理論和應(yīng)用的最新研究成果。
　　由于直紋面葉輪在工程中應(yīng)用廣泛，所有首先研究了直紋面葉輪加工刀具軌跡規(guī)劃算法，包括構(gòu)造非線性方程組求解側(cè)銑加工刀軸矢量，將自由曲面切分成三角片來計算刀心點，利用輔助曲面進(jìn)行整體葉輪加工的刀具軌跡規(guī)劃。另外，針對特定條件的

3、直紋面葉輪，提出了五坐標(biāo)插銑粗加工工藝方法，介紹了利用四元數(shù)插值法計算插銑加工的刀軸矢量，根據(jù)插銑加工的幾何模型，構(gòu)造了非線性方程求解插銑加工中的行距和步距。為直紋面葉輪的粗加工提供了一種新的解決方案。
　　除了直紋面葉輪以外，隨著流體力學(xué)計算方法的進(jìn)步，自由曲面形式的葉輪也越來越多的出現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備中。本文以一個工程中實際應(yīng)用的軸流式自由曲面葉輪為研究對象，對其CAD造型和CAM刀具軌跡規(guī)劃進(jìn)行了研究。在CAD造型方面，利用B樣條

4、曲線的局部特性，提高了自由曲面和輪轂面求交點的計算效率；在CAM方面，將參數(shù)篩選法應(yīng)用到軸流式葉輪自由曲面葉片的端銑加工中，縮短了刀具路徑的長度，提高了加工效率。
　　閉式葉輪是葉輪類零件銑削加工中刀具軌跡規(guī)劃最為復(fù)雜的一種，其難加工性主要體現(xiàn)在易出現(xiàn)干涉和碰撞現(xiàn)象。針對封閉流道加工中存在的干涉和碰撞問題，本文提出了一種干涉碰撞的修正算法，主要包括封閉流道的邊界提取、配置空間映射算法、避讓幾何規(guī)劃、配置空間到三維空間的逆映射等關(guān)鍵

5、算法和技術(shù)。這些算法是閉式葉輪刀具軌跡規(guī)劃算法的核心，并在此基礎(chǔ)上，形成了一套“避讓幾何規(guī)劃”算法。為了驗證算法的可行性，針對某閉式葉輪的封閉流道規(guī)劃了刀具軌跡，證明應(yīng)用本算法確實可以避免刀具和工件之間的碰撞。
　　在數(shù)控系統(tǒng)樣條插補(bǔ)方面，針對目前較少公開發(fā)表的五坐標(biāo)樣條插補(bǔ)器進(jìn)行了研究。依據(jù)旋轉(zhuǎn)矢量的特殊性質(zhì)，提出用四元數(shù)對五坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)矢量進(jìn)行描述，擴(kuò)展了ISO的G代碼，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了五坐標(biāo)樣條插補(bǔ)器，并對該樣條插補(bǔ)

6、器進(jìn)行了性能分析，利用該樣條插補(bǔ)器進(jìn)行了葉輪類零件的加工試驗。
　　最后，本文通過仿真和實際切削實驗，驗證了本文推導(dǎo)的刀具軌跡規(guī)劃方法的正確性和可行性，包括直紋面葉輪的側(cè)銑加工、葉輪零件的插銑粗加工、自由曲面葉輪的點銑加工和五坐標(biāo)樣條插補(bǔ)器對葉輪的開槽加工和葉片精加工。從加工結(jié)果觀察，開發(fā)的算法可以完成多種形式葉輪的加工，提出的五坐標(biāo)插銑加工也是一種可行的葉輪粗加工新工藝，由五坐標(biāo)樣條插補(bǔ)器完成的葉片精加工效果也要好于傳統(tǒng)的五坐標(biāo)