螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划论文

1 目 录 1 前言 1 1.1 选题的依据及意义 1 1.2国内外研究概况及发展趋势 1 1.3研究内容及实验方案 3 1.4论文主要工作 3 2 自由曲面零件五坐标数控加工基础 4 2.1 基本概念 4 2.2 自由曲面五坐标数控加工的刀轴控制方式 5 2.3 五坐标联动数控加工的成型方式 6 3 螺旋桨数控加工工艺分析 7 3.1.选择材料和确定毛坯 7 3.2 选择定位基准 7 3.3 拟定加工路线 7 3.4 确定工序具体内容 8 3.5 确定加工坐标系 9 3.6 刀具类型及参数 10 3.7 切削参数 14 4 螺旋桨加工刀具轨迹规划和刀路模拟 16 4.1 螺旋桨粗加工刀位计算方法与刀具路径规划 16 4.2 螺旋桨精加工研究及刀路轨迹规 划 20 4.2.1 螺旋桨桨叶精加工刀位规划 21 4.2.2 轮毂加工的刀位规划 24 4.3 螺旋桨加工刀路的模拟 25 4.4 螺旋桨叶片加工的数控程序 29 5 总结与展望 33 参考文献 34 2 1 前言 1.1 选题的依据及意义 螺旋桨是一类典型的自由曲面零件， 螺旋桨是 推进器中效率比较高，应用最广的一种，其主要功用是使 机器 前进和后退，有时也协助 机器 回转。 它的曲面形状和制造精度直接决定了推进效率和噪音的大小，而加工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率。传统的螺旋桨加工方法是通过普通铣床粗加工 ，加 上大量的人工修磨来完成的，此方法费时费力，且精度难以保证。随着数控技术的发展，目前的螺旋桨大多数采用数控加工中心来制造，所用的刀具通常为球头刀和平头刀，但加工精度和效率仍然不够理想。如何充分发挥五坐 标加工中心的潜能，采用非球头形式的刀具侧铣加工该类自由曲面，以提高螺旋桨的加工精度和效率，是目前数控加工的一个研究重点。螺旋桨的数控加工提高了生产力，促进了国民经济的发展。 1.2国内外研究概况及发展趋势 螺旋桨是一种典型的自由曲面零件，螺旋桨的加工实际上就是对自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是机械加工领域的难点，自由曲面是不能由初等解析曲面组成，而是以复杂方式自由变化的曲面，用数控机床加工曲面类零件，一般是在三轴数控铣床上进行，但对于形状非常复杂的曲面零件，仅用三轴数控铣床是无法加工的，鉴于此，很自然地 想到采用多坐标形式机床，一般采用四坐标或五坐标联动加工中心。采用五坐标机床，由于机床自由度的增加，可根据工 件表面状况确定出最合理的刀具空间姿态。因此，除了球头到外，还可 用其它形式的刀具来改善加工精度和效率，这便是线接触加工问题。 过去螺旋桨的粗加工大多是采用普通铣床进行，而精加工通常采用手工砂轮打磨和模板 测量，反复交替进行，最后再用手工布轮抛光，加工精度和生产效率都 低，工人的劳动环境和条件较差，而且这样的加工手段需要工人具有熟练的技术和丰富的经验。随着数控机床和计算机技术的发展，目前螺旋桨的加工大多 数 采用数 控机床来完成，然后 抛光至满意的精度 1。由于无法得到大量的分析数据，刀具尺寸、加工步长、行距等参数通常参照以前的加工经验 2。 针对螺旋桨的曲面造型和数控加工，国内外学者进行了大量的研究。 GeoffreyW Vickers3早在 70年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的螺旋桨。他首次提出用计算机辅助计算螺旋桨的表面，螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端上显示出，而且可以交互修改。螺旋桨加工主要采用数控铣床进行铣削加工，最后再采用少量的手工修整。 Xiuzi Ye4提出了结合物理约束主要 包括曲面法矢来设计螺旋桨曲面，最终曲面是一个完整的非均匀 B样 3 条曲面，该曲面是用最小二乘法拟合给定的数据点及这些点上面的法矢得到的。这种设计螺旋桨桨叶曲面的方法是结合对螺旋桨流体动力学的分析进行的。他这种方法主要是考虑到工程中对几何实体的评价主要是其物理功能的实现，而不是其几何外形的美观。 Hsing-Chia5结合螺旋桨曲面建模的结果，利用微分几何的相关原理，分析了该曲面的曲率、主方向等几何性质，并在此基础上，把桨叶区域分为椭圆点区域和双曲点区域。在不同区域上，给出了球头刀和端铣刀的刀位计算方法。而且给出 了控制直线插补误差和刀轨间残留误差的方法。韩国人 JAE-WOONGYOUN6在五坐标机床上采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨加工分成三步完成 :粗加 工、半精加工和精加工。为生成精确的精加工刀轨，首先计算检查向量，来决定刀轨上每个刀位处的两个极限角度，它们是由刀具尺寸和加工带宽决定的。最终的刀具方向矢量是根据经验按照一定的比例得到的。 哈尔滨工业大学的任秉银 7,8采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨桨叶工作面分为标准螺旋面和流线型曲面两部分，提出对螺旋面部分建立解析方程，导出刀具参数和加工参数的计算表达式。利 用微分几何中关于法曲率和主曲率的理论，通过计算曲面上任意点处的主曲率，找出最大主曲率，求出叶片压力面数控加工用的最大允许球刀半径。螺旋浆叶面的加工路径一般 取浆叶上等半径上的螺旋线。球头刀的中心位于螺旋面的法向等距面上， 刀心轨迹线是在等距面上与刀触点轨迹线法向等距的曲线。求出刀具沿轨迹线运动时形成的包络面，相邻两包络面的交线便是实得曲面的特征线 ，这条曲线与设计曲面的距离便是几何残留误差。天津农学院的李艳聪 9充分利用了 UG软件的建模与加工模块，先建立螺旋桨几何模型，然后生成数控加工程序。 文献 7,8虽 然提出把螺旋桨桨叶分成两个部分，但是如何严格地划分桨叶工作面的两个部分，以及两部分曲面如何拼接等问题没有解决 .文献 9充分利用了现有软件，但是，对于形状较复杂的螺旋桨，通常所给的设计数据很少，难以用 UG软件建出精确的模型，因此需要对仅有的数据点进行加密才能得到足够多的数据点。然后对这些数据点拟合，得到所需的桨叶曲面。而且， UG软件针对三轴的加工模块功能非常强大，而针对五轴的加工模块功能还不是很完善。但对于桨叶较多的螺旋桨，仅三轴机床很难加工，甚至不能加工。所以对于桨叶较多，一般五叶以上的螺旋桨，仅依靠 UG的加工模块，还是有很大的局限性。以上所述的文献中，所提及的加工螺旋桨的方法都是采用的球头刀，加工方式为点接触，即刀具曲面与被加工曲面之间为点接触。为了保证桨叶的加工精度，加工行距不可能太大，因而效率较低。并且这种方法具有很大的局限性，它只适用于加工盘面比较小的螺旋桨，当盘面比较大时，相邻的桨叶相互重 4 叠，重叠部分很难加工 .而五坐标数控机床由于增加了两个转动轴，可以采用不同形状的刀具和不同的接触方式进行加工，从而能有效地解决上述问题。 1.3研究内容及实验方案 本论文在深入分析螺旋桨曲面成型原理的基础上，将设计 时给定的桨叶曲面的切面数据转化为笛卡尔坐标系中的坐标，利用 B样条方法对截面数据点插值并加密，得到足够的数据点，进而利用最小乘法拟合出桨叶曲面，通过调整偏离权和光顺权得到了理想的二阶连续的桨叶曲面。针对圆柱棒料毛坯，提出了了采用类似型腔加工 的 加工方法，前一种方法能精确地控制加工区域，同样可应用于精加工；方法计算简单、易于编程。利用微分几何学知识，分析了螺旋桨桨叶曲面的局部特征，在研究圆柱刀二阶密切法规划刀位的基础上，探讨了圆锥刀圆环刀的二阶密切刀位计算方法，采用二阶密切法规刀位可以显著地提高加工精度。提出了基 于二阶密切法的加工路径规划方法，采用该方法可以在保证精度的前提下使加工带宽明显增大，提高加工效率。充分利用 UG等软件的建模和仿真功能，对螺旋桨的曲面造型和数控加工方法的正确性进行了验证。自由曲面零件数控加工技术的关键是研究如何构造被加工曲面、刀具路径的规划及数控加工过程的动态仿真。本文对螺旋桨的数控加工也是主要从这几方面来进行，主要研究了船用螺旋桨的曲面粗加工刀轨的生成方法，精加工刀位的计算方法及刀具路径的规划。 1.4 论文主要 内容 1.对螺旋桨数控加工进行工艺分析 2.研究螺旋桨数控加工刀具轨迹进行规划 3.在 UG的 VARIABLE-CONTOUR中，生成螺旋桨的刀具轨迹 4.在 UG中进行螺旋桨模拟加工 2 自由曲面零件五坐标数控加工基础 5 与三坐标数控机床加工曲面相比，五坐标机床由于具有五个运动轴，因而它有足够的自由度逼近任意工件曲面，使得在五坐标机床上能够采用球头铣刀、端面铣刀、棒形铣刀等各种刀具进行加工。因此五坐标数控加工在质量和效率方面具有显著的优势 .本章从五坐标数控加工的基础知识、多坐标数控加工刀具路径规划方法、自由曲面的粗精加工方法等方面入手，详细地介绍、分析了五坐标数控加工的研究现 状。 2.1 基本概念 1)切触点 (cutting contact point)指刀具在加工过程中与被加工零件曲面的理论接触点。对于曲面加工，不论采用什么刀具，从几何学的角度来看，刀具与被加工曲面的接触关系均为点接触。图 2-1 给出了几种不同刀具在不同加工方式下的接触点。 2)切触点曲线 (cutting contact curve)指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。切触点曲线是生成刀具轨迹的基本要素，既可以显式地定义在加工曲面上，如曲面的等参数线、两曲面的交线等，也可以隐式定义，使其满足一些约束条件，如约束 刀具沿导动线运动，而导动线的投影可以定义刀具在加工曲面上的切触点，还可以定义刀具中心轨迹，切触点曲线由刀具中心轨迹隐式定义。这就是说，切触点曲线可以是曲面上实在的曲线，也可以是对切触点的约束条件所隐含的“虚拟”曲线。 3)刀位点数据 (cutter location data，简称为 CLData)指准确确定刀具在加工过程中每一位置所需的数据。一般来说，刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀轴矢量来进行描述，其中刀具中心点可以是刀心点，也可以是刀尖点，视具体情况而定，如图 2-1 所示 . 4)刀具轨迹曲线 指在加工过程中由刀位点构成的曲线，即曲线上的每卜一个点包含一 个刀轴矢量。刀具轨迹曲线一般是由切触点曲线定义刀具偏置计算得到， 计算结束存放于刀位文件 (CLData file)之中。 5)导动规则指曲面上切触点曲线的生成方法 (如参数线法、截平面法 )及一些有关加工精度的参数，如步长、行距、两切削行间的残留高度、曲面加工的欠切误差 (outer tolerance)和过切误差 (inner tolerance)等。 6)刀具偏置 (tool offset)指由切触点生成刀位点的计算过程。 6 图 2-1 切触点 2.2 自由 曲面五坐标数控加工的刀轴控制方式 五坐标机床在三个平动轴基础上增加了两个转动轴，不仅可使刀具摆放在工件的任意位置，而且可使刀具轴线在一定范围内相对于工件任意可调。五坐标加工与三坐标加工的本质区别在于 :在三坐标加工中，刀具轴线始终平行于 Z 轴 ;而在五轴加工中，刀具轴线在工件坐标系中的方向一般是不断变化的。那么走刀过程中刀具轴线方向如何控制就是一个要解决的问题，即刀轴控制方式问题。常用的刀轴控制方式有以下几种 1)垂直于表面方式 垂直于表面方式是使刀具轴线始终平行于各切削点处的表面法矢。由于刀具底面紧贴加工表面， 从而对切削行之间的残余高度作最大限度地抑制，这样就减少走刀次数而获得较高的生产效率。这种方式一般用于大型平坦的无干涉凸曲面的端铣加工。 2)平行于表面方式 平行于表面方式是指刀具轴线或母线始终处于各切削点的切平面内，所对应的加工方式一般为侧铣。这种方式的主要应用于直纹面的加工，用圆柱或圆锥形刀具侧刃与直纹面母线接触，可以一刀加工成型，效率高而且表面质量好。 3)倾斜于表面方式 该方式由刀轴矢量 i 在局部坐标系中与坐标轴和坐标平面所成的两个角度 a 和 定义，如图 2.2 所示。图中， n 为曲面上切削点处单位法矢， t 为曲面上切削点处沿进给方向单位切矢， v=t x n , (t,n,v)为曲面在切削点处的局部坐标系， a 为前倾角，即刀轴矢量与垂直于进给方向的平面所成的角度，可在端铣加工凹面时防止千涉 ; 为倾斜船用螺旋桨曲面造型及五轴数控加工刀位规划角，是指刀轴与曲面法矢的夹角，不属某个截面，位于以法矢为轴线，丫为顶角的圆锥上，但可由 a 角及指定沿走刀方向 7 的左右侧来确定刀轴的空间方向。倾斜方式是五坐标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况。例如， 垂直于表面方式即等价于 a= =0 图 2.2 相对于曲面的刀轴控制 2.3 五坐标联动数控加工的成型方式 在五坐标数控加工编程中，刀位数据的生成、干涉或碰撞问题的解决都与所用刀具的形状有关。根据曲面加工过程中的成型方式，五轴加工分为 :点接触式、面接触式、线接触式三种方式。 点接触式加工是指在加工过程中以点接触成型的加工方式，如球头铣刀加工、球形砂轮磨削等。这种加工方式的主要特点是 :球形表面法矢指向全空间，加 工时对曲面法矢有自适应能力 ;其编程简单、计算量较小 ;并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半径就可避免干涉，因而它适合任意曲面的加工。但是切削条件差，加工精度和效率低。 面接触式加工是指以面接触成型的加工方式，如端面铣削 (磨削 )加工。这种加工方式的主要特点是 :由于切削点有较高的切削速度，周期进给量大，因而它具有较高的加工效率和精度。但由于受成型方式和刀具形状的影响，它主要适于中凸曲率变化较平坦的曲面的加工。 线接触式加工是指加工过程中以线接触成型的加工方式，例如 圆柱周铣、圆锥周铣、棒形磨削及砂带磨削等。这种加工 方式的特点是 :由于切削点处切削速度高，因而可获得较高的加工精度，同时，由于是线接触成型，因而具有较高的加工效率。这是五坐标联动数控加工当前和今后研究的重点。目前己经发展到对任意曲面线接触加工的研究。 8 3 螺旋桨数控加工工艺分析 3.1 选择材料和确定毛坯 传统的螺旋桨材料主要有耐海水腐蚀性能比较高的锰黄铜系和耐海水腐蚀性能较高、抗空泡腐蚀性能优良的铝青铜 11,12。随后又出现了用 N Al 青铜材料、钛合金、 MCRS 不锈钢、高强度马氏体不锈钢、碳纤维环氧材料和一些复合材料制成的螺旋桨 13。 螺旋桨毛坯通常 有铸件和圆柱棒料两种类型。对于铸造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀轨。根据零件表面的曲面方程，求出曲面在切触点的法矢量，然后沿法矢量偏置一个刀具半径，就得到刀具的刀心位置。如果采用圆柱棒料作为毛坯，就要采用层切法进行粗加工。粗加工的目的就是去除相邻桨叶间的多余材料，得到螺旋桨的大致形状。本文采用后者，圆柱棒料类型毛坯。如图 3-1 所示。 图 3-1 螺旋桨圆柱棒料毛坯 3.2 选择定位基准 考虑到螺旋桨为中心对称零件，螺旋桨加工时要准确定位。选择定位基准为：孔+面，用桨背面的那一侧的桨毂端面作为轴向定位基准，用 桨毂端面水平分布的直径为 5mm 的销孔作为周向定位基准。螺旋桨加工时，把螺旋桨毛坯安装在夹具的心轴上，然后在上端压紧。 3.3 拟定加工路线 随着数控加工技术的发展，在不同设备和技术条件下，同一个零件的加工工艺路线会有较大的差别。但关键的都是从现有加工条件出发，根据工件形状结构特点合理选择加工方法、划分加工工序、确定加工路线和工件各个表面的加工顺序，协调数控铣削工序和其他工序之间的关系以及考虑整个工艺方案的经济性等。 加工方法的选择 9 （ 1） 平面加工方法的选择 在数控铣床上加工平面主要采取端铣刀和立铣刀加工。当 零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。 （ 2） 平面轮廓加工方法的选择 通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。 （ 3） 固定斜角平面加工方法的选择 当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工。当零件尺寸很大，斜面斜度又较小时，常用行切法加工，但加工后，会在加工面留下残留面积，需要用钳修方法加以清除，用三坐标数控立铣加工飞机整体壁板零件时常用此法。 （ 4） 曲面轮廓加工方法的选择 立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状以及精度要求采用不同的铣削加工方法，如两轴半、三轴、四轴及五轴等联动加工。 图 3-2 拟定加工路线 通常 为防止 加工时叶片变形，改进切削工艺，高速铣切削能够有效的降低叶片弹塑性变形，提高切削速度，降低切削区域温度，改变了切屑成形原理和去除机理，降低切削力，减少了变形；改进工艺方案，采用辅助机械增加刚度，在叶片弹性变形较大区域填充松香、石膏、蜡，或增加支撑杆，能够将弹性变形控制在一定范围内；改进工艺路线，先加工刚性薄弱的叶尖部位，后加工叶根部位；改进工艺参数，降低精加工切削量，使用锋利的刀具，多轴加工中增大后跟角等。拟定的加工路线如图 3-2所示 。 3.4 确定工序具体内容 根据零件的加工工艺要求，进行工序的划分，内容包括确定走刀次数和加工余量，不同的加工工序，其加工余量、精度和表面粗糙度是不一样的。 UG/CAM 默认划分三个工序：粗加工、半精加工和精加工。 将本文中的螺旋桨零件加工划分为粗加工、半精加工和精加工三个工序。 粗加工螺旋桨叶面精铣 螺旋桨叶背粗铣 螺旋桨叶面粗铣 螺旋桨叶背精铣 螺旋桨轮毂精铣 毛坯开粗 二次装夹（以螺旋桨叶面一侧的轮毂端面孔为基准） 螺旋桨轮毂粗铣 10 选择型腔铣加工，就是沿轴向（ z 向）不同深度的 XY 平面内生成粗加工刀轨。首先给定一个 z 值，确定出该 z 值处的 xy 平面，求出该平面与相邻桨叶等距面（偏置距离粗加工余量）的交线；求出相邻桨叶的 2D 边界线；然后由边界线，相交线，螺旋桨桨毂 及毛坯确定出每层的加工区域。最后，用 zig-zag 模式把预定义的刀位连接起来，形成粗加工刀轨。轮毂的 半精加工和桨叶的 精加工选择 UG 多轴铣削模板，螺旋桨的叶面基本上是一个螺旋面，而背面是一个自由曲面。桨叶曲面是以 u， v 为参数拟合出来的 B 样条曲面，可以对桨叶进行变轴铣削加工。各工序内容如表 3.1 所示。 表 3.1 各工序内容 序号 方法 加工内容 操作方式 刀具 主轴转速S 进给F 跨距 切深 余量 1 粗加工 毛坯开粗 型腔铣 端铣刀R12 2500 1200 70% 6 1 2 半精加工 叶面及叶背外形 固 定轴轮廓铣 球头刀R5 3000 900 40% 0.8 0.25 3 半精加工 轮毂 可变轴曲面轮廓铣 球头刀R5 3000 900 0.8 0.25 4 精加工 叶面及叶背外形 可变轴曲面轮廓铣 球头刀R5 5000 400 0.3 0 5 精加工 轮毂 可变轴曲面轮廓铣 球头刀R5 5000 400 0.3 0 3.5 确定加工坐标系 生成刀具轨迹前，必须要确定刀具轨迹所在的坐标系，这个坐标系就是加工坐标系（ MCS），加工坐标系与机床坐标系有着密切的关系。因为用于零件加工装夹的夹具的中心线 与主轴中心线、转台的回转中心线相重合，所以设定 MCS 的三个轴和机床坐标系的三个轴相对应，坐标原点就是对刀点。 本文中设定螺旋桨轮毂面中心为加工坐标系原点。如图 3-4 所示。 图 3-4 加工坐标系 11 3.6 刀具类型及参数 要实现数控加工的高速、高精与高效，一个重要因素就是如何根据加工对象选用合适的刀具。 （ 1）铣刀的材料及结构 刀具工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在刀具、切屑、工件相互接触表面间产生的强烈摩擦，使刀具切屑上产生很高的温度和受到很大的应力，在这种情况下，刀具会迅速磨 损或破损。因此刀具材料必须具备高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，红硬性和良好的工艺性。 铣削时对刀具的刚性刀有严格的要求，刀体伸出刀柄愈长，刀具的刚性愈差，铣削时愈容易产生振动，影响零件的表面质量，还容易断刀。 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钢和硬质合金钢两种，其它非金属材料的有陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。高速钢具有较高的强度和韧性，具有一定的硬度和耐磨性，适用于制造各种复杂刀具。高速钢刀具制造工艺简单，成本较低；硬质合金的硬度、耐磨度、耐热度很高，因此，硬质合金的切削性能比高速钢 高得多，当刀具耐磨度相同时，切削速度可提高 4 10 倍，所以在高速铣削中常用硬质合金。但是硬质合金制造工艺复杂、价格较高 14。本文选用了高速钢刀具。 铣刀的主要结构参数包括直径和齿数的选择 15。铣刀直径的选择应首先考虑零件加工部位的几何尺寸与形状，在保证铣刀有足够的强度和刚度、减少走刀次数、提高生产效率的前提下，应尽可能选择直径较大的铣刀。铣刀切削刃长度只要能保证将零件铣出即可，当 D/L0.4 时铣刀刚性差；当 D/L0.5 时 ，刚性较好。铣刀端刃圆角半径 r 的大小应与零件尺寸要求一致，但粗加工中铣刀尚末 切削到零件的最终轮廓， r可选得小一些。铣刀刀齿数的选择应考虑到刀具材料的刚度、耐磨性、精度的要求，一般刀齿数愈多，心部实体直径增大，刚性提高，但排屑性能差，所以刀齿数多、螺旋角大的立铣刀适宜精加工、半精加工，反之则用在粗加工。直刃立铣刀加工时，切削刃全部同时切入工件，同时离开工件，这样反复作用加工容易引起振动缺损，加工表面质量不佳，作用在刀刃上的切削力作用在同一方向上，使刀具弯曲，故曲面加工精度较差。螺旋刃立铣刀加工切入工件时，刀刃上某点其受力位置随刀具回转而变化。结构上难以引起振动，作用在刀刃上的切削力垂 直于螺旋角方向，并分解为垂直分力与进给分力，使刀具弯曲的进给分力减小了，故曲面加工精度较好。螺旋角的选择与切削振动、磨损、加工精度有关，一般选择大的螺旋角，其理由是螺旋角越大参与切削长度越长、切削力在长切刃上被分散，如图 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，就不适合加工刚性差的工件。还有切屑排出性也变差了。 图 3-5 螺旋角大小与受力力情况 碳素钢、合金钢、铸铁、铝合金、纯铜和塑料等加工可以选用 45螺旋角和 30螺旋 角。钛合金、镍合金、 不锈钢等难切削材料和高硬度钢等加工选用 60螺旋角。 （ 2）刀具的类型 数控加工中常用的刀具主要有平底铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀。下面依次分析其各自的铣削特点和应用场合。 1）平底立铣刀 平底立铣刀主要以周边切削刃进行切削，切削性能好，是铣削加工的主要刀具。它主要用于平面铣削（如凸台、凹槽以及平底开腔等）、二维零件的周边轮廓铣削、立体轮廓粗加工和多坐标精加工，而且也可应用于立体轮廓的三坐标精加工。 在多坐标加工情况下，平底立铣刀的应用有侧铣和端铣两种方式。侧铣方式主要是 应用于直纹面的加工，由立铣刀周边切削刃一次成形，加工效率高，并可有效保证型面质量。端铣方式主要应用于不适合侧铣加工的其他情况，它采用一行一行的行切方式加工。这种方式在保证刀具不与被加工曲面干涉的前提下，尽可能使平底立铣刀底部贴近被加工表面，这样切削条件好，并有效抑制切削行间的残余高度，从而减少走刀次数。 2）端铣刀 端铣刀在圆周面及端面均有切削刃，主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓（如大型叶片、螺旋桨、模具等）的多坐标铣削，以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量。 3）球头刀 球头刀主要用于三维立 体轮廓的三坐标加工，在五坐标加工中也能用到。球头刀对于加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工过程中，越接近球头的底部其切削条件越差（切削速度低、容屑空间小等）。因此，在需要刀具底 13 部切削（如型面平坦部位的加工等）的情况下，加工效率难以提高且刀具容易磨损。另外，球头刀加工时的走刀行距一般也比相同直径的其他刀具加工时小，因此效率较低。 4）环形刀 环形刀是在周边切削刃与底面切削刃之间以一段小圆弧过渡，主要用于凹槽、平底型腔等平面铣削和立体轮廓的加工，其工艺特点与平底立铣刀类似，切削性能好。而且 与平底立铣刀相比，由于环形刀的切削部位是圆环面，切削刃强度较好且不易磨损。 5）鼓形刀 鼓形刀多应 用于一般表面的多坐标侧铣 加工 。由于它在包含轴线的截面内的形状是曲线， 所以它比圆柱面或圆锥面侧铣的适应能力强。但是， 鼓形刀的缺点是刃磨较困难，切削条件较差，而且不适于加工内缘表面。 6）锥形刀 锥形刀刃磨容易，切削条件好，能够获得高的加工效率，特别是对于底部狭窄的通道零件的加工，如叶轮的侧铣加工。采用锥形刀可以介入通道底部，在满足结构空间限制的情况下增加刀具的刚度，避免了刀具的振动，从而提高加工效率与精度。 在编 程之前，首先确定要使用的刀具。在 UG/CAM 中，通过专门刀具创建操作来确定刀具。在 UG 中确定刀具的方式有两种：用户自定义刀具和从刀具库获取刀具。 本文在对螺旋桨零件进行粗加工时选用了 12mm 的端铣刀，刃齿数为 2，刀具长度 40mm，刃长 22mm，刀柄直径为 50mm，长度为 20mm。由于螺旋桨零件的桨叶面积较大而且具有较为平坦的立体轮廓，粗加工过程中采用层切法进行铣削，所以选取 端铣刀可以减少走刀次数，提高加工效率与表面质量 。半精加工和精加工时选用了5mm 的球头刀，刃齿数为 2， 刀具长度 40mm，刃长 6mm，刀柄直 径为 30mm，长度为 20mm。由于在多坐标加工中，球头刀 对于加工对象的适应能力很强，而且编程与使用也较方便，所以本文选取了球头铣刀。参数设置 如图 3-6 和图 3-7 所示。 14 图 3-6 12mm 平铣刀参数 图 3-7 5mm 球铣刀参数 15 3.7 切削参数 切削参数主要包括主轴转速、进给速度、背吃刀量和切削宽度等。 （ 1）主轴转速 n 主轴转速的选取应根据所采用的机床功率、刀具材料和尺寸、被加工零件的切削性能和加工余量来综合 确定。 1000dnv （ m/min） （ 3.1） 式中 d 铣刀的直径（ mm） n 主轴转速（ r/min） （ 2）进给速度fV进给速度是切削用量的主要参数，要根据零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、机床的性能和工件材料选取。所谓进给速度是指加工过程中，切削刃选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。对于铣削而言，铣刀的每个齿就相当于一个切削刃。在复杂形状零件的加工中特别是多坐标加工，如果进给速度是恒定的，材料切除率常常波动并且可能超过刀具强度的极限，而导致刀具折断，机床各运动轴的速度和加速度也可能超出允许的范围。 进给速度fV和每齿进给量 zf 有关，粗加工时，每齿进给量 zf 的选取主要决定于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀类型。工件材料强度和硬度越高，选 取的 zf 越小，反之则越大；同一类型的铣 刀，采用硬质合金材料的每齿进给量应大于高速钢铣刀；而对于面铣刀、圆柱铣刀、立铣刀，由于它们刀齿强度不同，其每齿进给量 zf 值的选取按面铣刀圆柱铣刀立铣刀的排列顺序依次递减。 在精加工时，每齿进给量 zf 的选取要结合工件表面粗糙度的要求来考虑，表面粗糙度值越小，每齿进给量 zf 就越小。一般情况下，每齿进给量 zf 和切削速度fV，可从有关金属切削工艺册中查出。 在确定了进给速度后，就可以以此为标准确定一些非切削运动的速度，包括快速进刀 /退刀、趋近速度、横越速度以及第一刀进给速度。前面的速度可以根据机床的性能取到最大，而第一刀进给速度，应该比正常的进给速度小很多，对于铸铁和钢件而言，一般为正常进给速度的 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间的垂直距离。在机床动力足够和工艺系统刚度许可的条件下，应选取尽可能大的背吃刀量。一般情况下，在留出精铣和半精铣的余量 0.5 2mm 后，其余的余量可以作为粗 铣的背吃刀量，尽量一次切 16 除。半精铣背吃刀量可选为 0.5 1.5mm，精铣背吃刀量可选为 0.2 0.5mm。 （ 4）切削宽度 在复杂曲面的铣削加工中，切削宽度的确定就是走刀行距的确定。相邻两条估计轨迹线上对应刀位点之间的距离称为走刀行距，其大小是影响曲面加工精度和效率的重要因素。由于球头刀加工会在走刀方向上形成走刀步长残留，同时在相邻走刀行之间形成行距间残留 16,17,18，行距过大得到的残留高度就大，相应的表面粗糙度就会增大，后续处理加工量加大；行距过小将使加工时间成倍增加，同时还导致编程效率的下降以及 零件加工程序行的成倍增加。因此，为了既满足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有较高的生产效率，必须合理确定行距。在一些比较成熟的 CAD/CAM 编程模块中都提供了较有效的刀具轨迹规划算法和相关的步距确定方法。 一般情况下，在粗加工中，为了能够大量且有效的去除毛坯材料，对表面粗糙度的要求不是很高，所以可以选择比较大的切削宽度，在曲面型腔铣或型芯铣的粗加工中，就可采用直径比较大的平底铣刀，所选取的切削宽度为刀具直径的 2/3，同时也要考虑刀具的强度和耐用度，适当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，所以在加工过程中采用小直径的球头铣刀，所选择的步距就应该比较小，一般可选择 0.1 0.3mm 左右。 在确定切削用量参数时要根据机床说明书的要求和刀具的耐用度去选择和计算，当然也可以结合实践经验，采用类比法去确定。确定切削条件的目标是要生成具有最大材料切除率 NC 程序，同时保持稳定的切削状态与要求的加工精度。在影响铣削过程切除率的参数中，轴向与径向切削深度必须在刀具轨迹生成时确定，而进给速度与切削速度则可以以其后进行调节。因此，首先就确定轴向与径向切削深度以获得最大的材料切除率，然后再考虑切削力的 限制与刀具承受力对进给速度进行选择。 17 4 螺旋桨数控加工刀具轨迹规划 及 模拟加工 4.1 螺旋桨粗加工刀位计算方法与刀具路径 螺旋桨毛坯通常有铸件和圆柱棒料两种类型。对于铸造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀轨。根据零件表面的曲面方程，求出曲面在切触点的法矢量，然后沿法矢偏置一个刀具半径，就得到刀具的刀心位置。如果采用圆柱棒料作为毛坯，就要采用层切法进行粗加工。粗加工的目的就是去除相邻桨叶间的多余材料，得到螺旋桨的大致形状。 类似型腔加工 算法的核心思想就是在沿轴向 (z 向 )不同深度的 xy 平面内生成粗加工刀轨。首先给定一个 z 值，确定出该 z 值处的 xY 平面，求出该平面与相邻桨叶等距面 (偏置距离为粗加工余量 )的交线 ;求出相邻桨叶的 2D 边界线 ;然后由边界线，相交线，螺旋桨 轮毂 及毛坯确定出每层的加工区域。最后，用 zigzag 模式把预定义的刀位连接起来就形成了粗加工刀轨。具体过程如下 : 1.给定一个 z 值，求出该 z 值的 xy 平面与桨叶曲面等距面的交线 由螺旋桨的造型可知，螺旋桨桨叶曲面是根据已知数据点拟合出的均匀 B 样条曲面，它是由三次均匀 B 样条曲面片连接而成的。曲面片的连接是二阶 连续的，参数为 U， V。 用数值方法求平面与曲面的交线实际上是求一些离散的点。而求平面与曲面的交点实际就是固定一个参数 u，得到的一系列的 v 线，然后求 v 线与平面的交点。而每一条 v 线是由多段三次 B 样条曲线光滑连接而成的，这就需要判断出是 v 曲线的哪一段 B 样条曲线与曲面相交。先计算出每一条 v 曲线上所有 B 样条曲线段的两个端点值，如果某个 B 样条曲线段两端点 z 值正好分布在平面的两侧，则说明该曲线段与曲面相交的，然后再求出该 B 样条曲线段与平面的交点。 我们采用二分法求曲线与平面的交点。设该 B样条曲线段的起点对 应的 Z值为SZ终点对应的 z 值为eZ，平面对应的 z 值为0Z。由于 v 曲线的均匀 B 样条曲线段起始点的参数 0SV ，终点的参数 1eV，先令， ( ) / 2seV V V，计算该 v 值对应的曲线上点的 Z 值，然后判断式子00( ) ( )sZ Z Z Z 的值。如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，说明 V 值对应点与 B 样条曲线段的起点在平面的两侧，因此 Vs 不变，而令eVV;如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，说明 v 值对应点与 B 样条曲线段的起点在平面的同侧，因此eV不变，而令 Vs=V 。然后再令 ( ) / 2seV V V， 重复刚才的过程，直到0zz为止 (这里 为设定的精度 )，此时所得参数值 v 对应的曲线上点就是所求的交点。 18 2.求出相邻桨叶的 2D 边界线及等距线 因为给定的螺旋桨桨叶设计数据中包含有桨叶边界线上的离散点，假定参数为 U采用三次均匀 B 样条曲线拟合这些边界点，得到桨叶的边界线。边界线在切削层上的投影就是 2D 边界线。 然后再计算 2D 边界线的等距线。首先计算 2D 边界线对参数 u 的切矢量并单位化，得到单位切矢量 t。由于是平面曲线，把矢量 t 顺时针旋转 900，就会得到 2D 边界线的法矢量 n。设曲线上的点矢量为 P，等距线上对应的点矢量为 /p ，则可得/p p n r ，这里 r 是偏置距离，一般为需要留出的精加工余量。 3.求出 轮毂 与平面的交线的等距线 轮毂 一般为圆锥体，它与平面的交线为圆，因此其等距线可按照上面的方法求出。这样由切削层平面与相邻桨叶曲面等距面的交线，相邻桨叶的 2D 边界线的等距线，平面与 轮毂 的交线的等距线及毛坯的最外边缘 ，便确定出每层的加工区域。这里的加工区域是指切触点区域，还需要根据切触点计算出刀心刀心的计算方法视刀具类型而定。如图 4-1 所示，如果采用的是球头刀，切削速度随刀刃上切触点位置的不同而变化，球形刀端点与加工表面切触时切削速度为零。因此一般要避免用端点作为切触点。在切触点处，沿曲面的法矢量偏置刀具半径 r 就可得到刀心点 C(如图 4-1);如果采用圆环刀，由于刀具底面中心一般没有刀刃，为避免刀具底面中心与加工表面接触及切削刃与加工表面发生千涉，应将刀轴置于加工表面法向矢量与进给方向切向矢量所在的平面内，此平面即为环形 刀端铣加工的摆刀平面，同时使刀具底面的刀刃圆环面与加工表面接触，且将刀轴沿进给方向与加工表面法向矢量倾斜一个角度 ， 角称为后跟角，如图 4-2 所示，其中 R 为环形刀刀具半径， r 为环形刀刃半径(1 s i n )eR R r 为环形刀端铣加工的有效切削刀具半径。 图 4-1 球头刀与加工表面 图 4-2 圆环形刀与加工表面 19 这种刀位计算方法的核心就是先通过几何运算，确定出每层的加工区域，即刀触点区域，然后根据不同的刀具计算出相应的刀位。这种方法要涉及到平面与曲面的求交问题，计算比较复杂。但是也有其优点，在确定好加工区域后，能够严格地在加工区域里控制走刀。 经过上述方法对毛坯进行粗加工轨迹规划， 单击创建工具栏上的创建操作图标，系统弹出“创建操作”对话框，如图 4-3 所示。 在“创建操作”对话框中各参数设置如下： “类型”选择 mill_contour “子类型”选择第一行第一个图形 ，设定为型腔铣 (cavity_mill)加工。 “程序”为 NC_PROGRAM “使用几何体”为 MILL_GEOM “使用刀具” 为 MILL_12 “使用方法”为 MILL_ROUGH “名称”输入对话框中输入操作名称 CAVITY_MILL 确认后，单击“确定”按钮，进入型腔铣加工的操作对话框，开始型腔铣加工操作的参数设置，设置用户参数，“削方式”选用跟随周边，在“步进”下拉列表框中选择“刀具直径”，“百分比”文本框内输入 50，“每一刀的全局深度”选项右侧的文本框内输入 2，如图 4-4 所示。 图 4-3 图 4-4 20 设置进刀 /退刀参数，在“传送方式”下拉列表框中选择“ 安全平面”，其余选项按默认值设置，图 4-5 所示 图 4-5 设置切削参数，“切削顺序”选择 |“深度优先”，“切削方向”选择“顺铣切削”其余选项按默认设置，图 4-6 所示 图 4-6 21 设置进给率，主轴转速 2500，进给 1200，完成所有的参数设置后，单击生成刀轨按钮生成刀具轨 迹，如图 4-7 和 4-8 所示 图 4-7 叶背粗铣刀轨 图 4-8 叶片粗铣刀轨 4.2 螺旋桨精加工研究 22 经过粗加工，得到了螺旋桨的大致轮廓，然后再进行 半 精加工 和精加工 。我们把螺旋桨的精加工分成三个部分 :叶 片 加工， 叶背 加工和 轮毂 加工。 4.2.1 螺旋桨桨叶精加工刀位规划 本文把加工螺旋桨桨叶 0. 2R 以外的部分称为桨叶加工。翻门采用二阶密切法计算刀位，首先分析了桨叶的几何特性，判断采用该方法的可行性。 1.桨叶的几何性质 我们知道螺旋桨桨叶的叶面基 本上是一个螺旋面，而背面是一个自由曲面。首先判断桨叶曲面上点的类型。桨叶曲面是以 u, v 为参数拟合出的 B 样条曲面，设方程为 r = r(u, v)，则根据公式 (4.3), (4.5)计算出曲面在某点处的第一、第二基本量然后根据公式 (4.7)计算出该点处曲面的主曲率 k1, k2，进而求出该点处曲面的高斯曲率12K K K。如果 K0，则该点为椭圆点 ;如果 K0，则该点为双曲点 ;若 K=0，则该点为抛物点。把双曲点用浅色显示，把椭圆点用深色显示，结果表明，桨叶上大分区域是双曲 点，只有边缘一小部分区域是椭圆点。这样用二阶密切法对桨叶进行侧铣，完可行的。 2 刀具轨迹的形成 经过上面对桨叶几何性质的分析，我们把螺旋桨桨叶分成了双曲点区域和椭圆点区域。在双曲点区域，满足二阶密切法的条件，于是按照二阶密切法的计算公式计算刀位。 当采用圆柱刀或圆锥刀时，根据公式 (4.2)， (4.3)计算出刀轴方向在密切平面的投影和密切方向。圆柱刀的刀轴矢量与其在密切平面内投影是一致的。而圆锥刀的刀轴矢量，可根据公式 (4.4)计算出，然后再根据公式 (4.5)计算出刀心的位置。 如果采用的刀具是圆环刀 ，则要根据公式 (4.3)， (4.5)计算出刀轴方向在密切平面的投影和密切方向，然后根据公式 (4.4)计算出刀轴矢量，最后根据公式 (4.5)计算出刀心的位置。 在椭圆点区域，如果采用圆柱刀或圆锥刀，只能实现近似密切，做法就是将刀具轴线摆放在该点处主曲率绝对值较小的主方向上，也就是沿曲面的平坦方向 :如果采用圆环刀，那么就能够实现密切，于是也按照二阶密切方法计算刀位。在理论上可以实现密切的曲面点上，也有可能因为刀具半径选择的不合适，而达不到密切。这就需要根据不同情况来调整刀具半径。 由于螺旋桨桨叶曲面是网 格比较规整的参数曲面，我们采用参数线法生成刀具轨迹，切削行沿 u 线分布，因此刀触点轨迹就是曲面的 u 线。走刀的步长采用等参数步 23 长法，即在条参数线上按等参数步长计算点位。参数步长 和加工误差没有确定的关系。先给定一个数步长，按照这个步长精度，计算刀位点。然后对编制的程序仿真检查，如果加工精度不能满足要求，则把 相应减小，再重复刚才过程，直到得到理想的步长。 半精加工过程分别选择固定轴曲面轮廓铣和可变轴曲面轮廓 铣对桨叶和轮毂侧铣削。在对桨叶进行固定轴轮廓铣参数设置时，选择区域铣削（ Area Milling）方式，切削角度选择沿 最长线进行切削。 单击创建工具栏上的创建操作图标，系统弹出“创建操作”对话框， 在“创建操作”对话框中各参数设置如下： “类型”选择 mill_mulit_axis “子类型”选择第一行第一个图形，设定为可变轴曲面轮廓铣（ mill_mulit-axis） “程序”为 NC_PROGRAM “使用几何体”为 MCS_1 “使用刀具”为 BALL_MILL_5 “使用方法”为 METHOD “名称”输入 对话框中输入操作名称 VARIABLE_CONTOUR 如图 4-9 所示 图 4-9 确认后，单击“确定”按钮，进入可变轴曲面轮廓铣加工的操作对话框，开始可变轴曲面轮廓铣加工操作的参数设置， 如图 4-10 所示， 设置用户参数，“驱动方式”选择曲面区域，编辑参数如图 4-11 示，“刀轴”选择指定点，编辑参数如图 4-12 示 ， renrendoc.c