（机械制造及其自动化专业论文）螺旋搅拌桨五坐标数控加工技术的应用研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 螺旋搅拌桨是搅拌釜式结晶器的关键部件， 搅拌槽内整体流 动形式与搅拌桨叶片曲面形状及叶片的几何尺寸参数密切相关。 传统搅拌桨设计制造过程中存在设计手段落后、加工方法落后、 信息共享程度低、设计制造周期长、质量难以保证等问题。本文 针对搅拌桨 c a d参数化建模技术的理论和方法，工艺规划方法 以及搅拌桨数控加工技术进行了研究和探索，并在此基础上开发 了搅拌桨 c a d参数化建模系统， 并在 d mc 2 6 0 0 型五坐标数控机 床上完成了螺旋搅拌桨的数控加工。全文主要研究内容可概括如 下: 1综述搅拌桨设计制造技术、c a d / c a m 技术以及自由曲面 数控加工技术的国内外研究现状和发展趋势，阐述了课题的主要 研究内容和意义。 2研究了五轴数控加工中心的曲面加工刀具位置的计算、 加 工误差分析及误差补偿方法。 3 研究了搅拌桨 c a d参数化建模技术， 基于商用 c a d / c a m 系统u n i g r a p h i c s 的 二次开发技术， 用v c 十 十 和u g g r i p 语言实 现 螺旋搅拌桨 c a d参数化建模技术， 为c a m 的实现提供了数据模 型。 4研究了螺旋搅拌桨在五轴数控加工过程中的工艺规划问 题，给出了毛坯的制备、刀具的选取、加工区域的划分、桨叶的 刀具轨迹规划、刀轴倾角的确定及优化、切削步长和行距的计算 方法和刀具直径的计算方法。 5在d mc 2 6 0 0 s h五轴数控机床上实现了(d 1 3 0 0 m m的螺旋搅拌 桨的c a m数控加工， 得到了合格产品， 为新型工业结晶成套设备装 置产业化提供了保障。 关键词:螺旋搅拌桨 c a d / c a m 参数化建模数控加工 刀具轨迹规划 天津大学硕士学位论文 abs tract p r o p e l l e r d i me n s i o n o f i s a c r it i c a l p a rt o f c ry s t a l l wh i c h d e t e r mi n e t h e fl o w 些r , n ei u t h e i n g e o m e t ry s h a p e t h e c rys t a l l i z e r . t r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n g m e t h o d o f p r o p e l l e r s i s o p e r a t i o n s r e q u i r i n g c o n s i d e r a b l e s k i l l , t i m e a n d e f f o rt . b a s i c a l l y t h e r e f o r e , t h e c a d / c a m t e c h n o l o g i e s f o r m a n u f a c t u r i n g p r o p e l l e r a r e i n v e s t i g a t e d i n t h i s r e s e a r c h . t h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e t h e o r i e s a n d m e t h o d o f c a d p a r a m e t e r m o d e l in g , t h e p r o c e s s p l a n n in g a n d n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n g t e c h n o l o g y o f p r o p e l l e r . o n t h e b a s i s o f a f o r e m e n t i o n e d s t u d y t h e c a d p a r a m e t e r m o d e l i n g s y s t e m f o r p r o p e l l e r i s d e v e l o p e d , a n d c o m p l e t e d n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n g f o r p r o p e l l e r i n t h e t y p e o f d m c 2 6 0 0 f iv e - a x i s n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n e t o o l . t h e m a j o r c o n t e n t o f t h i s u mme d a s f o l l o w: s p a p e r i s 1 . t h e p r e s e n t s t a t u s a n d t r e n d s in d e s i g n a n d m a n u f a c t u r e o f p r o p e l l e r , t e c h n o l o g y o f c a d / c a m a n d n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n g t e c h n o l o g y o f fr e e - f o r m s u r f a c e a r e r e v i e w e d . t h e c o n t e n t s a n d g o a l s o f t h e p r o j e c t a r e p u t f o r w a r d . 2 . t h i s a r t i c l e s t u d i e s t h e c a l c u l a t i o n o f t o o l p a t h o n c u r v e d f a c e ,t h e a n a l y s i s o f p r o c e s s e r r o r a n d t h e m e t h o d s o f e r r o r r e p a i r i n fi v e - a x i s n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n g . 3 . g i v e s a s t u d y o f c a d p a r a m e t e r m o d e l i n g t e c h n i q u e , b a s in g o n t h e t w i c e d e v e l o p m e n t t e c h n i q u e f o r c a d / c a m b u s i n e s s s y s t e m - - - u n i g r a p h i c s , u s i n g t h e v c + a n d t h e l a n g u a g e o f u g g r ip r e a l i z e s w i t h c a d p a r a m e t e r m o d e l i n g t e c h n i q u e , r e a l i z e s t o p r o v i d e t h e d a t a mo d e l f o r t h e cam . 4 . s t u d i e s t h e p r o b l e m o f t h e c r a ft p r o g r a m m i n g t o p r o c e s s f o r p r o p e l l e r i n fi v e - a x i s n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n g , g iv i n g t h e m a n u f a c t u r e o f t h e s e m i - fi n i s h e d p r o d u c t , t h e c h o i c e o f t h e k n i f e , t h e c a r v e o f m a c h i n i n g a r e a , t h e k n i f e t r a c k p r o g r a m m i n g o f p r o p e l l e r l e a f ,t h e c o n f i r m a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n o f k n i f e - a x i s o b l i q u i t y ,t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f c u t t i n g l e n g t h p e r s t e p a n d r o w s p a c i n g a n d k n i f e d i a m e t r a l . 5 . a c h i e v e s t h e c a m n u m e r i c - c o n t r o l p r o c e s s f o r t h e 0 1 3 0 0 m m p r o p e l l e r i n t h e t y p e o f d mc 2 6 0 0 s h fi v e - a x i s n u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n e t o o l , g e t t i n g t h e q u a l i f i e d p r o d u c t , f o r n e w i n d u s t ry c ry s t a l e q u ip m e n t s i n d u s t r i a l i z a t i o n p r o v i d e s t o g u a r a n t e e . k e y w o r d s : p r o p e l l e r ,c a d / c a m, p a r a m e t e r m o d e l i n g , n u m e r i c - c o n t r o l ma c h i n i n g , t o o l t o o l p a t h p l a n n i n g 天津大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 2进幽经色或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 种林全签 字 日 期 : 2 0 0 4年0 7 月 0 7 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解 玉 主型数 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 适生. 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国 家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 占丫|、 左 了乃于 2、卜v 学 位 论 文 作 者 签 名 : 种振金导师签名: 签字日 期:2 0 0 4 年0 7月 0 7日签字日期:2 0 0 4年 0 7月 0 7日 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 1 . 1 c a d / c a m技术发展概述 近年来， 机械制造业正经历着一个从大批量生产到中小批量及单件生产的转 变过程， 亦即将连续生产同一个产品改变为生产批量不同、 种类繁多的 大量产品， 以适应国内外市场需求迅速变化的要求。 这一转变使传统的设计与制造手段己 经 不能完全适应当前技术革命迅速发展的形势。数控 ( n c )技术及计算机辅助设 计与制造 ( c a d / c a m)技术的迅速发展，正在使传统的机械设计与制造方式发 生根本性的变化。 计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本思想是指产品设计和制造技术人 员 在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计和制造的 一项技 术，也是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。 c a d / c a m技术是上世纪6 0 年代初发展起来的使工程技术产生巨 大变革的 一门新兴技术， c a d / c a m技术本身是一项综合性的、 技术复杂的系统工程， 涉 及许多学科领域， 如计算机科学和工程、 计算数学、 几何造型、 计算机图形显示、 数据结构和数据库、 仿真、 数控、 机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计 和制造有关的专业知识等。c a d / c a m技术具有自己的特点和发展规律，而且， 随着电子科学技术的发展和不断地向前发展， 需要人们不断地去探索和研究， 使 其更加完善。 目 前，在工业发达的国家中，不仅将 c a d / c a m 技术广泛用于宇航、电子 和机械制造等工程和产品生产领域， 而且逐渐发展到服装、 装饰、 家具和制鞋等 领 域 1 l 仁 ， 。 另 外， 该 技 术 是 计 算 机集 成 化 制 造系 统 一 一 一 i m s 的 技 术 基 础 之 一， 所以，当今世界上许多国家与有关部门都十分重视对该技术的投资。 总之， c a d / c a m技术的 普及应用不仅对传统产业的改造、 新兴产业的发展、 劳动生产率的 提高、 材料消耗的降 低、 国际竞争能力的增强均有巨 大的带头作用， 而且 c a d / c a m 技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代化和工业 现代化水平的重要标志之一。 1 . 2 螺旋桨c a d / c a m技术 1 .2 . 1 螺旋搅拌桨的应用 搅拌操作是工业反应过程的重要环节， 广泛应用于化工、 食品、医药、 发酵 等领域， 通过搅拌可以加快两种或两种以上具有不同性质的物质相互间的分散速 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 1 . 1 c a d / c a m技术发展概述 近年来， 机械制造业正经历着一个从大批量生产到中小批量及单件生产的转 变过程， 亦即将连续生产同一个产品改变为生产批量不同、 种类繁多的 大量产品， 以适应国内外市场需求迅速变化的要求。 这一转变使传统的设计与制造手段己 经 不能完全适应当前技术革命迅速发展的形势。数控 ( n c )技术及计算机辅助设 计与制造 ( c a d / c a m)技术的迅速发展，正在使传统的机械设计与制造方式发 生根本性的变化。 计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本思想是指产品设计和制造技术人 员 在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计和制造的 一项技 术，也是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。 c a d / c a m技术是上世纪6 0 年代初发展起来的使工程技术产生巨 大变革的 一门新兴技术， c a d / c a m技术本身是一项综合性的、 技术复杂的系统工程， 涉 及许多学科领域， 如计算机科学和工程、 计算数学、 几何造型、 计算机图形显示、 数据结构和数据库、 仿真、 数控、 机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计 和制造有关的专业知识等。c a d / c a m技术具有自己的特点和发展规律，而且， 随着电子科学技术的发展和不断地向前发展， 需要人们不断地去探索和研究， 使 其更加完善。 目 前，在工业发达的国家中，不仅将 c a d / c a m 技术广泛用于宇航、电子 和机械制造等工程和产品生产领域， 而且逐渐发展到服装、 装饰、 家具和制鞋等 领 域 1 l 仁 ， 。 另 外， 该 技 术 是 计 算 机集 成 化 制 造系 统 一 一 一 i m s 的 技 术 基 础 之 一， 所以，当今世界上许多国家与有关部门都十分重视对该技术的投资。 总之， c a d / c a m技术的 普及应用不仅对传统产业的改造、 新兴产业的发展、 劳动生产率的 提高、 材料消耗的降 低、 国际竞争能力的增强均有巨 大的带头作用， 而且 c a d / c a m 技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代化和工业 现代化水平的重要标志之一。 1 . 2 螺旋桨c a d / c a m技术 1 .2 . 1 螺旋搅拌桨的应用 搅拌操作是工业反应过程的重要环节， 广泛应用于化工、 食品、医药、 发酵 等领域， 通过搅拌可以加快两种或两种以上具有不同性质的物质相互间的分散速 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 度， 从而达到快速均匀混合的目 的。 因此搅拌设备在传质及传热过程中有着广泛 的 用 途 胡2 1搅 拌 效 果 关 系 到 过 程 的 结 果 和 产 品 的 成 本。 1 .2 . 2 搅拌浆的 分类 按叶片搅拌液流的特征可分为径流式和轴流式。 径流式叶 轮产生的流体流动 基本轨迹是沿直径方向 ( 图 1 - 1 ) , 存在能 耗高、嗓声大、 剪切力过强和设备大型 化困难等缺点。 轴流式叶轮产生的流体流动基本轨迹是 沿搅拌轴的 方向 ( 图1 - 2 ) , 平行于搅拌轴。 这类叶轮产生的流型在轴向 有很大的排出 流量， 所以 液体的循环 性能 较 好， 剪切作 用较小 d 3 1 3 1 a 结晶 过 程中 常 采用轴流 式搅拌 浆 图1 - 1圆盘涡轮桨流型图 1 一 轴流桨流 目 前轴流式桨型已占 据了主导地位。 其中 有两种类型搅拌效率较高， 分别为 仿船用螺旋桨和翼型桨。 国外近几年推出了多种轴流性能好、 低功耗、 高泵送能力的高效轴流式搅拌 器， 如美国r o c h e s t e r 混合设 备公司 研制的i i g h t i n a 3 1 5 桨， 德国的e k a t o 公司研 制的h n t e m i g 桨和法国r o b i n 公司的h p m桨。目 前国内 生产的轴流式搅拌器主 要 有折叶桨和螺旋桨。 折叶 桨的 制造简单， 但轴流性能差、 搅拌效率低、 功耗较 大。 为提高搅拌桨的性能， 通常仿船用螺旋桨进行设计， 但是设计困难、 制造成 本高。 1 .2 . 3 螺旋桨设计 1 . 图谱设计法 图 谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进 行设计。 虽然此种方法没有理论设计法先进， 但用图谱设计螺旋桨不仅计算方便， 而且易于为人们所掌握。 如果选用图谱适宜， 其结果也较为满意， 成功率高， 是 目 前 我 国 应 用 较 广 的 一 种 设 计 方 法 。 随 着 此 类 资 料的日 益 丰 富 2 4 1 4 3 ， 已 能 够 包 括一般常用螺旋桨的类型。 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 度， 从而达到快速均匀混合的目 的。 因此搅拌设备在传质及传热过程中有着广泛 的 用 途 胡2 1搅 拌 效 果 关 系 到 过 程 的 结 果 和 产 品 的 成 本。 1 .2 . 2 搅拌浆的 分类 按叶片搅拌液流的特征可分为径流式和轴流式。 径流式叶 轮产生的流体流动 基本轨迹是沿直径方向 ( 图 1 - 1 ) , 存在能 耗高、嗓声大、 剪切力过强和设备大型 化困难等缺点。 轴流式叶轮产生的流体流动基本轨迹是 沿搅拌轴的 方向 ( 图1 - 2 ) , 平行于搅拌轴。 这类叶轮产生的流型在轴向 有很大的排出 流量， 所以 液体的循环 性能 较 好， 剪切作 用较小 d 3 1 3 1 a 结晶 过 程中 常 采用轴流 式搅拌 浆 图1 - 1圆盘涡轮桨流型图 1 一 轴流桨流 目 前轴流式桨型已占 据了主导地位。 其中 有两种类型搅拌效率较高， 分别为 仿船用螺旋桨和翼型桨。 国外近几年推出了多种轴流性能好、 低功耗、 高泵送能力的高效轴流式搅拌 器， 如美国r o c h e s t e r 混合设 备公司 研制的i i g h t i n a 3 1 5 桨， 德国的e k a t o 公司研 制的h n t e m i g 桨和法国r o b i n 公司的h p m桨。目 前国内 生产的轴流式搅拌器主 要 有折叶桨和螺旋桨。 折叶 桨的 制造简单， 但轴流性能差、 搅拌效率低、 功耗较 大。 为提高搅拌桨的性能， 通常仿船用螺旋桨进行设计， 但是设计困难、 制造成 本高。 1 .2 . 3 螺旋桨设计 1 . 图谱设计法 图 谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进 行设计。 虽然此种方法没有理论设计法先进， 但用图谱设计螺旋桨不仅计算方便， 而且易于为人们所掌握。 如果选用图谱适宜， 其结果也较为满意， 成功率高， 是 目 前 我 国 应 用 较 广 的 一 种 设 计 方 法 。 随 着 此 类 资 料的日 益 丰 富 2 4 1 4 3 ， 已 能 够 包 括一般常用螺旋桨的类型。 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 度， 从而达到快速均匀混合的目 的。 因此搅拌设备在传质及传热过程中有着广泛 的 用 途 胡2 1搅 拌 效 果 关 系 到 过 程 的 结 果 和 产 品 的 成 本。 1 .2 . 2 搅拌浆的 分类 按叶片搅拌液流的特征可分为径流式和轴流式。 径流式叶 轮产生的流体流动 基本轨迹是沿直径方向 ( 图 1 - 1 ) , 存在能 耗高、嗓声大、 剪切力过强和设备大型 化困难等缺点。 轴流式叶轮产生的流体流动基本轨迹是 沿搅拌轴的 方向 ( 图1 - 2 ) , 平行于搅拌轴。 这类叶轮产生的流型在轴向 有很大的排出 流量， 所以 液体的循环 性能 较 好， 剪切作 用较小 d 3 1 3 1 a 结晶 过 程中 常 采用轴流 式搅拌 浆 图1 - 1圆盘涡轮桨流型图 1 一 轴流桨流 目 前轴流式桨型已占 据了主导地位。 其中 有两种类型搅拌效率较高， 分别为 仿船用螺旋桨和翼型桨。 国外近几年推出了多种轴流性能好、 低功耗、 高泵送能力的高效轴流式搅拌 器， 如美国r o c h e s t e r 混合设 备公司 研制的i i g h t i n a 3 1 5 桨， 德国的e k a t o 公司研 制的h n t e m i g 桨和法国r o b i n 公司的h p m桨。目 前国内 生产的轴流式搅拌器主 要 有折叶桨和螺旋桨。 折叶 桨的 制造简单， 但轴流性能差、 搅拌效率低、 功耗较 大。 为提高搅拌桨的性能， 通常仿船用螺旋桨进行设计， 但是设计困难、 制造成 本高。 1 .2 . 3 螺旋桨设计 1 . 图谱设计法 图 谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进 行设计。 虽然此种方法没有理论设计法先进， 但用图谱设计螺旋桨不仅计算方便， 而且易于为人们所掌握。 如果选用图谱适宜， 其结果也较为满意， 成功率高， 是 目 前 我 国 应 用 较 广 的 一 种 设 计 方 法 。 随 着 此 类 资 料的日 益 丰 富 2 4 1 4 3 ， 已 能 够 包 括一般常用螺旋桨的类型。 第一章 螺旋桨数控加工技术 综述 目 前各国己发表的螺旋桨设计图谱较多， 有的只是表达形式不同而试验资料 相同， 有的则是螺旋桨形式不同。 因此在进行螺旋桨设计时， 必须选用合适的螺 旋桨图谱。 在普通螺旋桨设计中以 荷兰的楚思德b型螺旋桨和日 本a u型螺旋桨 应用最为广泛。 2 . 螺旋桨计算机辅助设计 螺旋桨的设计是一个难度比 较大的工作， 即使是较简便的图 谱设计法也需一 定的工作量。 一个有经验的螺旋桨设计工作者， 设计一只螺旋桨的计算时间约需 六个小时。 倘若在设计螺旋桨时再进行各种图谱和多种方案的比 较， 则计算工作 量就更大了。 计算机的应用不仅把传统的船舶螺旋桨设计和绘图由手工变为计算 机和绘图机进行， 而且将传统的设计扩大为分析设计， 并诞生了新的设计观点和 方法，使设计更合理、优化、科学。 1 .2 . 4 螺旋桨的加工 螺旋桨多数为铸造桨， 少数采用锻造成型工艺。 锻造桨重i轻， 刚度强度高， 且密度均匀， 易于实现动平衡， 故机械效率高。 但锻造桨需设计制造模具， 不适 合多品种小批量生产。 桨的制造工艺不成熟， 质量优劣完全取决于工人的技术水 平 和 经 验c s lt a 5 铸造桨的加工工艺有两种:l )手工磨光，反复测量，检查公差和反复再磨 光。该方法要求设备简单、 成本低， 但精度低、对工人技术和经验要求较高， 适 合于普通精度要求螺旋桨的加工;2 ) 采用数控铣削后再由 钳工进行修磨来满足 使用要求。该方法可满足高精度要求的螺旋桨加工，但设备昂贵，成本高。 螺旋桨设计建模困难， 而桨叶这种自由曲 面的数控加工也一直是制造业的难 点。 高 连吉 a 6 6 1设 计了 经 济 性 数 控螺 旋桨 铣 床， 利 用二 次曲 线 插 补 提 高了 加 工 精度。 但缺点是步 进电 机开环控制，无法加工大中型螺旋桨，且难于进行刀补， 加 工 的 表 面 粗 糙 度 差。 郭 顺 福 a 7 17 1研 究了 螺 旋 桨 快 速 加 工的 定 位 方 法 。 任 秉 银 a 8 18 1 等 对 螺 旋 桨 叶 片 曲 面 数 控 加 工 几 何 模 型 进 行 了 分 析。 # 孝 春 a 9 9 1 等 创 建 了 桨 叶 加 工计 算 机 辅 助 工 艺 生 成 系 统。 张 和 明 眯1 q 10 1 等 研 究了 复 杂曲 面 五 坐 标 数控加工的干涉检查。 1 .2 .5 . 螺旋桨的数控加工技术现状 随着数控技术的发展，现在大多螺旋桨都采用数字控制( n q技术进行加工 ， 然后经人工打磨进行抛光， 加工后的型面与设计型面的一致性得到了 提高。 关于 螺 旋 桨的 数 控加 工， 最 早 的 文 献 z 1 1 1 ,1 1 1 出 现 在1 9 7 7 年， 通 过将 叶 面 偏置 的 表 面 点 输入穿 孔纸带， 驱 动 数 控 机 床 进 行加工。 在文 献卜 1 娜12 1 中 ， 针 对目 前 在螺 旋 桨叶片曲面数控加工中， 普遍存在着加工参数的选择依赖过去经验的状况， 给出 第一章 螺旋桨数控加工技术 综述 目 前各国己发表的螺旋桨设计图谱较多， 有的只是表达形式不同而试验资料 相同， 有的则是螺旋桨形式不同。 因此在进行螺旋桨设计时， 必须选用合适的螺 旋桨图谱。 在普通螺旋桨设计中以 荷兰的楚思德b型螺旋桨和日 本a u型螺旋桨 应用最为广泛。 2 . 螺旋桨计算机辅助设计 螺旋桨的设计是一个难度比 较大的工作， 即使是较简便的图 谱设计法也需一 定的工作量。 一个有经验的螺旋桨设计工作者， 设计一只螺旋桨的计算时间约需 六个小时。 倘若在设计螺旋桨时再进行各种图谱和多种方案的比 较， 则计算工作 量就更大了。 计算机的应用不仅把传统的船舶螺旋桨设计和绘图由手工变为计算 机和绘图机进行， 而且将传统的设计扩大为分析设计， 并诞生了新的设计观点和 方法，使设计更合理、优化、科学。 1 .2 . 4 螺旋桨的加工 螺旋桨多数为铸造桨， 少数采用锻造成型工艺。 锻造桨重i轻， 刚度强度高， 且密度均匀， 易于实现动平衡， 故机械效率高。 但锻造桨需设计制造模具， 不适 合多品种小批量生产。 桨的制造工艺不成熟， 质量优劣完全取决于工人的技术水 平 和 经 验c s lt a 5 铸造桨的加工工艺有两种:l )手工磨光，反复测量，检查公差和反复再磨 光。该方法要求设备简单、 成本低， 但精度低、对工人技术和经验要求较高， 适 合于普通精度要求螺旋桨的加工;2 ) 采用数控铣削后再由 钳工进行修磨来满足 使用要求。该方法可满足高精度要求的螺旋桨加工，但设备昂贵，成本高。 螺旋桨设计建模困难， 而桨叶这种自由曲 面的数控加工也一直是制造业的难 点。 高 连吉 a 6 6 1设 计了 经 济 性 数 控螺 旋桨 铣 床， 利 用二 次曲 线 插 补 提 高了 加 工 精度。 但缺点是步 进电 机开环控制，无法加工大中型螺旋桨，且难于进行刀补， 加 工 的 表 面 粗 糙 度 差。 郭 顺 福 a 7 17 1研 究了 螺 旋 桨 快 速 加 工的 定 位 方 法 。 任 秉 银 a 8 18 1 等 对 螺 旋 桨 叶 片 曲 面 数 控 加 工 几 何 模 型 进 行 了 分 析。 # 孝 春 a 9 9 1 等 创 建 了 桨 叶 加 工计 算 机 辅 助 工 艺 生 成 系 统。 张 和 明 眯1 q 10 1 等 研 究了 复 杂曲 面 五 坐 标 数控加工的干涉检查。 1 .2 .5 . 螺旋桨的数控加工技术现状 随着数控技术的发展，现在大多螺旋桨都采用数字控制( n q技术进行加工 ， 然后经人工打磨进行抛光， 加工后的型面与设计型面的一致性得到了 提高。 关于 螺 旋 桨的 数 控加 工， 最 早 的 文 献 z 1 1 1 ,1 1 1 出 现 在1 9 7 7 年， 通 过将 叶 面 偏置 的 表 面 点 输入穿 孔纸带， 驱 动 数 控 机 床 进 行加工。 在文 献卜 1 娜12 1 中 ， 针 对目 前 在螺 旋 桨叶片曲面数控加工中， 普遍存在着加工参数的选择依赖过去经验的状况， 给出 第一章 螺旋桨数控加工技术 综述 目 前各国己发表的螺旋桨设计图谱较多， 有的只是表达形式不同而试验资料 相同， 有的则是螺旋桨形式不同。 因此在进行螺旋桨设计时， 必须选用合适的螺 旋桨图谱。 在普通螺旋桨设计中以 荷兰的楚思德b型螺旋桨和日 本a u型螺旋桨 应用最为广泛。 2 . 螺旋桨计算机辅助设计 螺旋桨的设计是一个难度比 较大的工作， 即使是较简便的图 谱设计法也需一 定的工作量。 一个有经验的螺旋桨设计工作者， 设计一只螺旋桨的计算时间约需 六个小时。 倘若在设计螺旋桨时再进行各种图谱和多种方案的比 较， 则计算工作 量就更大了。 计算机的应用不仅把传统的船舶螺旋桨设计和绘图由手工变为计算 机和绘图机进行， 而且将传统的设计扩大为分析设计， 并诞生了新的设计观点和 方法，使设计更合理、优化、科学。 1 .2 . 4 螺旋桨的加工 螺旋桨多数为铸造桨， 少数采用锻造成型工艺。 锻造桨重i轻， 刚度强度高， 且密度均匀， 易于实现动平衡， 故机械效率高。 但锻造桨需设计制造模具， 不适 合多品种小批量生产。 桨的制造工艺不成熟， 质量优劣完全取决于工人的技术水 平 和 经 验c s lt a 5 铸造桨的加工工艺有两种:l )手工磨光，反复测量，检查公差和反复再磨 光。该方法要求设备简单、 成本低， 但精度低、对工人技术和经验要求较高， 适 合于普通精度要求螺旋桨的加工;2 ) 采用数控铣削后再由 钳工进行修磨来满足 使用要求。该方法可满足高精度要求的螺旋桨加工，但设备昂贵，成本高。 螺旋桨设计建模困难， 而桨叶这种自由曲 面的数控加工也一直是制造业的难 点。 高 连吉 a 6 6 1设 计了 经 济 性 数 控螺 旋桨 铣 床， 利 用二 次曲 线 插 补 提 高了 加 工 精度。 但缺点是步 进电 机开环控制，无法加工大中型螺旋桨，且难于进行刀补， 加 工 的 表 面 粗 糙 度 差。 郭 顺 福 a 7 17 1研 究了 螺 旋 桨 快 速 加 工的 定 位 方 法 。 任 秉 银 a 8 18 1 等 对 螺 旋 桨 叶 片 曲 面 数 控 加 工 几 何 模 型 进 行 了 分 析。 # 孝 春 a 9 9 1 等 创 建 了 桨 叶 加 工计 算 机 辅 助 工 艺 生 成 系 统。 张 和 明 眯1 q 10 1 等 研 究了 复 杂曲 面 五 坐 标 数控加工的干涉检查。 1 .2 .5 . 螺旋桨的数控加工技术现状 随着数控技术的发展，现在大多螺旋桨都采用数字控制( n q技术进行加工 ， 然后经人工打磨进行抛光， 加工后的型面与设计型面的一致性得到了 提高。 关于 螺 旋 桨的 数 控加 工， 最 早 的 文 献 z 1 1 1 ,1 1 1 出 现 在1 9 7 7 年， 通 过将 叶 面 偏置 的 表 面 点 输入穿 孔纸带， 驱 动 数 控 机 床 进 行加工。 在文 献卜 1 娜12 1 中 ， 针 对目 前 在螺 旋 桨叶片曲面数控加工中， 普遍存在着加工参数的选择依赖过去经验的状况， 给出 第一章螺旋桨数控加工技术综述 一般螺旋桨叶片工作面的方程， 并应用微分几何理论推导出数控加工所用球头铣 刀的最大允许半径计算公式、 走刀步长以及切削行距的计算公式， 根据刀具运动 包络面计算实际加工误差。 有关研究表明， 在选择铣削刀具时， 随着螺旋桨直径 的加大， 表面法向曲 率会减小， 在五轴加工和粗加工中 采用端铣刀比 采用球头刀 更能提高加工效率和加工质量， 但对于曲率变化较大的地方， 只能用球头刀。 鲁 开 讲 在 位 1 3 文 献 1 13 中 指出 用端 铣 刀加 工 渐开 线 螺 旋 桨 应 在 各型 面 线的 法 截 面内 计算， 加工时先加工最外侧的一条型面线， 加工完后， 沿径向移动一个行距， 直 到 最内 侧的 一 条型 面 线 加 工完 成。 在z 1 叼 文 献 叫中 作 者提出 ， 叶 片 形 状由 一 系 列半径不同的同轴圆柱面与桨叶相交所得到的截面来表示， 并经过推导得出了计 算螺旋桨型面坐标， 将得出的型面值输入数控机床进行加工， 经实体加工后的表 面光滑，打磨余量小， 可以 大大提高加工效率。 在 a 1 5 1 文献中 根据螺放桨桨叶 加工工艺过程的要求， 编制了计算机辅助工艺生成程序， 实现了工艺参数的计算 机自 动生成， 用优化方法求取了桨叶加工过程的最小打磨量， 并根据工艺要求生 成 各 种 形 式 的 报 表， 也大 大 提 高 加 工 过 程 的 效 率 。 在 a 1 6 文 献 1 5 的 研 究 中 ， 作 者导出了平头立铣刀的有效切削半径的一种计算方法， 给出了自 适应走刀算法和 切削行距的计算公式， 给出了无干涉刀位计算方法， 并应用公式于螺旋桨曲面的 加 工 ， 验 证了 方 法 和 公 式 的 有 效 性。 易 先中 在 a 1 7 文 献 16 中 根 据自 由 曲 面 造 型 的扫描生成原理， 给出了螺旋曲面的 广义表达方程， 讨论了 刀具接触点和刀位点 数据。 采用计算机交互式设计技术， 研制了一个小型的螺旋曲 面计算机辅助图形 数控铣削加工自 动编程的前处理系统， 能有效切削各种复杂截面的圆柱螺旋曲 面 外 表 面。 h s in g - c h ia ， k u o , w e i- y u a n d z a n a 1 8 1 17 针 对 螺 旋 桨的 加 工 参 数 的 选 择 主要参考以前的经验数据的问题， 研究了浆叶曲面的不同半径处的法向曲 率、 主 曲率、 第一主方向和第二主方向， 建立了平端铣刀参数、 步距、 行距的数学模型。 1 .3复杂曲面加工轨迹的生成方法 包含自由曲面的零件一般应用3 轴或5 轴数控机床完成型面的加工。 自由曲 面数控加工编程的主要任务是计算加工走刀过程中无干涉过切刀位点。 多轴加工 时还要给出刀铀矢量。 刀 具 轨 迹 生 成 过 程 可 划分 为 三 个 阶 段 z 1 9 1 1s . a .在给定的零件几何模型和加工要求下规划刀具路径; b .刀具干涉检查; c 生成适合特定机床的g代码。 自 由 曲 面 数 控 加 工 刀 位 轨 迹 生 成 算 法 回。 户9 1 2 0 3 , z ) 1 首 先 根 据 型 面 数 据 规 划刀触点轨迹，然后偏置刀触点获得刀位点，由刀位点的有序集构成刀位轨迹。 第一章螺旋桨数控加工技术综述 一般螺旋桨叶片工作面的方程， 并应用微分几何理论推导出数控加工所用球头铣 刀的最大允许半径计算公式、 走刀步长以及切削行距的计算公式， 根据刀具运动 包络面计算实际加工误差。 有关研究表明， 在选择铣削刀具时， 随着螺旋桨直径 的加大， 表面法向曲 率会减小， 在五轴加工和粗加工中 采用端铣刀比 采用球头刀 更能提高加工效率和加工质量， 但对于曲率变化较大的地方， 只能用球头刀。 鲁 开 讲 在 位 1 3 文 献 1 13 中 指出 用端 铣 刀加 工 渐开 线 螺 旋 桨 应 在 各型 面 线的 法 截 面内 计算， 加工时先加工最外侧的一条型面线， 加工完后， 沿径向移动一个行距， 直 到 最内 侧的 一 条型 面 线 加 工完 成。 在z 1 叼 文 献 叫中 作 者提出 ， 叶 片 形 状由 一 系 列半径不同的同轴圆柱面与桨叶相交所得到的截面来表示， 并经过推导得出了计 算螺旋桨型面坐标， 将得出的型面值输入数控机床进行加工， 经实体加工后的表 面光滑，打磨余量小， 可以 大大提高加工效率。 在 a 1 5 1 文献中 根据螺放桨桨叶 加工工艺过程的要求， 编制了计算机辅助工艺生成程序， 实现了工艺参数的计算 机自 动生成， 用优化方法求取了桨叶加工过程的最小打磨量， 并根据工艺要求生 成 各 种 形 式 的 报 表， 也大 大 提 高 加 工 过 程 的 效 率 。 在 a 1 6 文 献 1 5 的 研 究 中 ， 作 者导出了平头立铣刀的有效切削半径的一种计算方法， 给出了自 适应走刀算法和 切削行距的计算公式， 给出了无干涉刀位计算方法， 并应用公式于螺旋桨曲面的 加 工 ， 验 证了 方 法 和 公 式 的 有 效 性。 易 先中 在 a 1 7 文 献 16 中 根 据自 由 曲 面 造 型 的扫描生成原理， 给出了螺旋曲面的 广义表达方程， 讨论了 刀具接触点和刀位点 数据。 采用计算机交互式设计技术， 研制了一个小型的螺旋曲 面计算机辅助图形 数控铣削加工自 动编程的前处理系统， 能有效切削各种复杂截面的圆柱螺旋曲 面 外 表 面。 h s in g - c h ia ， k u o , w e i- y u a n d z a n a 1 8 1 17 针 对 螺 旋 桨的 加 工 参 数 的 选 择 主要参考以前的经验数据的问题， 研究了浆叶曲面的不同半径处的法向曲 率、 主 曲率、 第一主方向和第二主方向， 建立了平端铣刀参数、 步距、 行距的数学模型。 1 .3复杂曲面加工轨迹的生成方法 包含自由曲面的零件一般应用3 轴或5 轴数控机床完成型面的加工。 自由曲 面数控加工编程的主要任务是计算加工走刀过程中无干涉过切刀位点。 多轴加工 时还要给出刀铀矢量。 刀 具 轨 迹 生 成 过 程 可 划分 为 三 个 阶 段 z 1 9 1 1s . a .在给定的零件几何模型和加工要求下规划刀具路径; b .刀具干涉检查; c 生成适合特定机床的g代码。 自 由 曲 面 数 控 加 工 刀 位 轨 迹 生 成 算 法 回。 户9 1 2 0 3 , z ) 1 首 先 根 据 型 面 数 据 规 划刀触点轨迹，然后偏置刀触点获得刀位点，由刀位点的有序集构成刀位轨迹。 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 现有的c n c机床大都装备了线性插补器，因此刀具执迹通常由 小直线段近似。 刀位轨迹上的小直线段称为切削步长， 切削步长应满足弦高要求， 如图1 - 3 所示。 图1 - 3切削步长和弦高 1 .3 . 1 刀具轨迹的生成方法 i 、参数线法 曲面参数线加工方法是曲面加工刀具轨迹的主要方法。 它是根据贝塞尔曲面 的细分特性， 将加工曲面沿参数线方向进行细分， 分成的点作为加工时刀具与曲 面的刀触点 ( 其切削行沿曲 面的切削 行分布，即 取曲 面的u 向 或v 向 分布 ) ， 从而 生成刀位点数据和刀具轨迹。该方法适用于网络分布比较规整的参数曲 面的加 工。 为了提高计算效率， 参数线法主要控制刀具铣削的行距和步长， 决定行距的 主要因素是加工后零件表面的残留高度， 控制步长， 即控制相邻刀触点的横向距 离， 使得 勿 口 工误差小于给定的精度。 参数线法计算方法简单， 计算速度快， 且满 足零件的切削性能。 2 . 等 距面 ( i s o m e t ri c s u r f a c e ) 法 等距面法的基本思想来源于古典几何学。 由于球面具有法矢自 适应性- 一 一 球 面上任意一点的法矢与球心共线 一 这一特点， 因而一个球面体可以包络出任意 一个小于自 身曲率的曲面。 在包络过程中， 球心所走过的轨迹， 就是该曲 面的等 距面。 将 这一 思想运用于空间自 由 曲 面的 数 控编 程中 ， 称之为“ 等 距面” 法 z 2 2 c 2 1 1 在被加工曲面上构造一法向距离等于球面刀半径的曲面， 然后在该等距面上 规划刀具路径， 确定步长， 计算步距点。 等距面上的步距点就是球面刀的刀位点， 这些步距点的有序集就构成了球面刀在被加工曲面上的刀位轨迹。 3 、 刀 具 接 触点 法 ( c u t t e r c o tt t a c t) + 1 第一章 螺旋桨数控加工技术综述 现有的c n c机床大都装备了线性插补器，因此刀具执迹通常由 小直线段近似。 刀位轨迹上的小直线段称为切削步长， 切削步长应满足弦高要求， 如图1 - 3 所示。 图1 - 3切削步长和弦高 1 .3 . 1 刀具轨迹的生成方法 i 、参数线法 曲面参数线加工方法是曲面加工刀具轨迹的主要方法。 它是根据贝塞尔曲面 的细分特性， 将加工曲面沿参数线方向进行细分， 分成的点作为加工时刀具与曲 面的刀触点 ( 其切削行沿曲 面的切削