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叶轮五坐标数控铣削CAM和CNC关键技术的研究

梁全  
【摘要】: 叶轮类零件是航空、航天和能源等工业领域中的关键部件,其结构复杂、加工精度高,是公认的难加工复杂曲面零件。 本课题针对现有商用CAD/CAM软件在刀具轨迹规划方面能力的不足,研究了专门针对叶轮类零件的刀具轨迹规划策略和加工工艺方法,以期提升叶轮的加工制造效率和表面光洁度。基于这些算法开发了叶轮专用CAD/CAM软件和CNC样条插补器,为工程应用打下了良好的基础。 本文首先介绍了复杂曲面加工技术国内外的研究现状,重点阐述了直纹面侧铣和自由曲面点铣加工的研究成果,列举了国内外在数控系统曲线曲面加工方面的研究成果,尤其深入介绍了学术界在样条曲线加工方面的研究进展情况。另外,还介绍了五坐标干涉检查及四元数理论和应用的最新研究成果。 由于直纹面叶轮在工程中应用广泛,所有首先研究了直纹面叶轮加工刀具轨迹规划算法,包括构造非线性方程组求解侧铣加工刀轴矢量,将自由曲面切分成三角片来计算刀心点,利用辅助曲面进行整体叶轮加工的刀具轨迹规划。另外,针对特定条件的直纹面叶轮,提出了五坐标插铣粗加工工艺方法,介绍了利用四元数插值法计算插铣加工的刀轴矢量,根据插铣加工的几何模型,构造了非线性方程求解插铣加工中的行距和步距。为直纹面叶轮的粗加工提供了一种新的解决方案。 除了直纹面叶轮以外,随着流体力学计算方法的进步,自由曲面形式的叶轮也越来越多的出现在机械设备中。本文以一个工程中实际应用的轴流式自由曲面叶轮为研究对象,对其CAD造型和CAM刀具轨迹规划进行了研究。在CAD造型方面,利用B样条曲线的局部特性,提高了自由曲面和轮毂面求交点的计算效率;在CAM方面,将参数筛选法应用到轴流式叶轮自由曲面叶片的端铣加工中,缩短了刀具路径的长度,提高了加工效率。 闭式叶轮是叶轮类零件铣削加工中刀具轨迹规划最为复杂的一种,其难加工性主要体现在易出现干涉和碰撞现象。针对封闭流道加工中存在的干涉和碰撞问题,本文提出了一种干涉碰撞的修正算法,主要包括封闭流道的边界提取、配置空间映射算法、避让几何规划、配置空间到三维空间的逆映射等关键算法和技术。这些算法是闭式叶轮刀具轨迹规划算法的核心,并在此基础上,形成了一套“避让几何规划”算法。为了验证算法的可行性,针对某闭式叶轮的封闭流道规划了刀具轨迹,证明应用本算法确实可以避免刀具和工件之间的碰撞。 在数控系统样条插补方面,针对目前较少公开发表的五坐标样条插补器进行了研究。依据旋转矢量的特殊性质,提出用四元数对五坐标中的旋转矢量进行描述,扩展了ISO的G代码,在开放式数控系统中开发了五坐标样条插补器,并对该样条插补器进行了性能分析,利用该样条插补器进行了叶轮类零件的加工试验。 最后,本文通过仿真和实际切削实验,验证了本文推导的刀具轨迹规划方法的正确性和可行性,包括直纹面叶轮的侧铣加工、叶轮零件的插铣粗加工、自由曲面叶轮的点铣加工和五坐标样条插补器对叶轮的开槽加工和叶片精加工。从加工结果观察,开发的算法可以完成多种形式叶轮的加工,提出的五坐标插铣加工也是一种可行的叶轮粗加工新工艺,由五坐标样条插补器完成的叶片精加工效果也要好于传统的五坐标直线插补器加工效果。证明了五坐标样条插补器具有一定的工程实用价值。


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