（机械电子工程专业论文）鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 鼓风机轴流式叶片是一类典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定 了鼓风机的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。传统的轴流式叶片加工方法是通过普通铣床租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，目前的轴流式叶片大 多采用数控铣床来制造，所用的刀具通常为球头刀，但加工精度和效率仍然不够理想。 如何充分发挥数控加工的潜能，采用盘铣刀加工该类自由曲面，以提高轴流式叶片的加 工精度和效率，是当前数控加工的一个研究重点本文提出的盘铣刀包络方法加工成功 地解决了此类问题。 几何造型和刀具运动轨迹的生成是实施数控加工的两大关键技术，其中几何造型是 数控刀具轨迹的基础，而零件数控加工的准确性则只能在合理的刀具轨迹的前提下才能 予以保证。本论文在深入分析轴流式叶片曲面成型原理的基础上，利用三次样条方法拟 合出轴流式叶片曲面，在研究盘铣刀包络加工原理的基础上，通过对叶片常规加工过 程的描述和加工工艺的理论分析，针对点位加工、侧铣、螺旋铣等几种常用叶片数控加 工方法进行了质量和效率的对比，提出了叶片数控加工方法的评价方法，分析了各种加 工方案的优缺点，探讨了最小有向距离刀位计算方法，对加工路径进行规划，并且运用 c 什b i u l d e r 研制开发了叶片盘铣刀包络方法加工专用数控软件，自动生成了n c 程序代 码。 本文利用螺旋铣削加工方法有效地解决了叶片数控加工中效率低的问题，采用三次 样条法建立了叶片的几何模型，并详细规划了叶片螺旋铣四坐标加工的工艺过程和轨迹 生成算法，计算出高质量的多坐标加工刀位轨迹。经实例仿真验证，本文所完成的叶片 多轴数控高速螺旋铣加工方法取得了良好的效果 关键词：盘铣刀，包络法，轴流式叶片，数控加工 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 s t u d yo f m a c h i n i n gm e d o f b l o w e rv a n ew i md i s c a lc 删- e r a b s t r a c t a x i s f i o wb i o w e rb l a d ei sa 锣p eo ff 把ef | o ms i l r f h c ep a r t i t s 酬m i c cs h a p ea n d m a n u 蠡l c t u r ep r e c i s i o nd c c i d ct l l em o w 盯t st h n l s te m c i c ya n d i s t h er e s 龇ha b o m m 锄1 1 6 | c t u 陀删地o d 嘶uh e l pt oi 瑚p r o v c 也c 删删砌c t i 玳p f e c i s i o na i l de 蚯c i 既c yo ft h i s t ) ，p eo f p a r t 1 k 仃a d i t i 伽- a lm 锄l 面c t i 鹏m e i l l o do f t i l ea x i sn o w b l a d ei sb yr o l l g h 伽t 砌1 掣m e l a li n i l l i n gm 瓤岫p l u s am a 辩o fm 托t l a lp o l i s h ni sl a l 姗o u sa l l dt i m e - w a s d n gm l d t h e 畔i s i o n 啪tb eg i 埝瑚n t e e d w i t ht l l ed e v e l o p n l e n to fn ct c c l l l l o l o g y ，a lp 他s 咖，t h e m 醯l i n go f 也ea x i sn o wb l a d ei so f i e nf i i l i s h e db yan cm a c h i l l i n gw i l l lb a l l e n dc 删【c r u s u a l l y b u tt l l em a c l l i l l i n gp r e c i s i o ni s tp c d 酏ty 眈h o wt ot a k cf i i na d v 柚t a g eo ft h e p o 呦t i a l o f n c 删曲i i l i n g 蛆d h o w t om i l l 仕屺丘优如眦鼠曲c e w i t hd i a lc 珊【c r t o i m p r o v e t h em 枷a c t i l r cp r ；e c i s i o n 锄de f n c 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c s ni sv a l i d a t e dt h a tt h e s p i m im 解t i i n ei saf h v o m b l et e c t i l l i c a lm 翻s i l k e yw o r d 曩：d 缸c a lc u t t e r e 们e l o p e a 幽玎o b l 蝴e ，n cm _ c h i n i n g i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 躲埤魄掣f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：套缉导师签名：泣l 日期：刑 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及背景 随着机械工业的不断发展，各种拥有复杂的非周期细长曲面的机械零件得到了越来 越广泛的应用，如汽轮机叶片、鼓风机叶片等【复杂曲面的形成原理复杂，加工困难， 加工精度不易保证。加工叶片的刀具比一般机械加工选用刀具要考虑更多的因素。首先， 采用的铣刀刀盘几何形状要适合曲面加工，要具有良好的切削性能及排屑和断屑性能， 并不仅要适应于凸曲面，而且还要适合凹曲面。对于鼓风机轴流式叶片的加工，在国内 大部分厂家采用球头刀加工，采用球头刀进行三轴或五轴加工，加工效率却很低，且刀 具加工状态不好。这样不但影响加工周期、加工质量，而且增加刀具费用和占用机床时 间。为解决上述问题，必须根据曲面的特点，研究一种全新的加工方案，以达到既能在 无干涉过切的状态下完成曲面的加工，又能实现高质量高效率加工的目的这就是本课 题要研究的主要问题。基于此，本文提出了在四坐标铣床上采用盘铣刀对非周期细长轴 流式叶片进行加工目前国内对于轴流式叶片的加工技术尚不完善，因此，本课题的研 究在非周期细长自由曲面铣削方面有着极其重要的现实意义 1 2 鼓风机 1 2 1 鼓风机的基本结构，工作原理及其特点 鼓风机是利用旋转叶片与气体的相互作用来压缩与输送气体的机械，鼓风机转子按 叶轮的头数有两叶和三叶之分，按叶轮形状有直叶和扭叶之分。鼓风机在国民经济中占 有重要的地位，被誉为国民经济的“呼吸系统”【2 】利用鼓风机生成的气流，可以完成 物料输送、通气换气，清洗、分离、加热烘干、降温除尘等多种工作因此，鼓风机被 广泛应用于石油、化工、化肥、冶金、煤炭、电力、城建、制药等国民经济支柱产业， 并且是极为关键的设备。鼓风机是一种转子压缩机械，转子由叶轮与轴组合而成，叶轮 转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间具有微小的间隙，以避免相互接触，转子通过一 对同步齿轮驱动，完成吸气、压缩和排气过程。随着旋转时所形成的工作室容积的减小， 气体受到压缩，最后从出口排出由于转子的外形具有特殊的曲线，在运动时，始终可 以保持微小闻隙，把进气与捧气空间相互隔绝，使捧出的气体尽量不返回进气室空间脚 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 鼓风机有如下特点：( 1 ) 由于是容积式鼓风机，因此具有强制输气特征。在转速一定 的条件下，流量也一定( 随压力的变化很小，而压力可根据用户要求在允许的范围内加 以调节) ，即使在小流量区域，也不像离心式鼓风机那样发生喘振现象，具有比较稳定 的工作特性：( 2 ) 作为回转式机械，没有往复运动机构，没有气阀，易损件少，因此使用 寿命长并且动力平衡性好，能以较高的速度运转，不需要重型基础。运转一周有多次 吸、排气，相对于活塞式压缩机而言，气流速度比较均匀，不必设置储气罐；( 3 ) 叶轮之 间、叶轮与机壳及墙板之间具有间隙，运转时不像螺杆式和滑片式压缩机那样需要注油 润滑，因此可以保证输送的气体不含油，也不需要使用气一油分离器等辅助设备。由于 存在间隙及没有气阀，输送含粉尘或带液滴的气体也比较安全；( 4 ) 无内压缩过程，理论 上比那些有内压缩过程的鼓风机要多耗压缩功。但除同步齿轮和轴承外，不存在其他的 机械摩擦，因此机械效率高。特别是大型罗茨鼓风机，容积效率高，全绝热效率也较高： ( 5 ) 泄漏损失小，使用可靠；( 6 ) 结构简单，制造维护方便，安装占地面积小旧因此从 2 0 世纪3 0 年代以来，应用逐渐广泛。 1 。2 2 鼓风机的发展概况 鼓风机是一种典型的气体增压与输送机械，具有工作稳定，机械效率高，结构简单， 操作方便等优点，被广泛应用于很多领域我国鼓风机的制造从五十年代的仿制阶段， 六十年代、七十年代的独立设计和行业联合设计阶段，到八十年代的引进吸收和创新阶 段，我国风机工业发生了深刻变化，先进技术得到了消化，形成了一定的生产能力进 入九十年代鼓风机技术开发活动更趋活跃【5 1 以长沙鼓风机厂为例，该厂先后开发出s r 系列三叶鼓风机、w r 系列水下鼓风机、瓜系列两叶成组和j s 系列三叶成组鼓风机， 并承担国家“八五”科技攻关任务，研制出r - c t 系列单级高压鼓风机和r - v t 系列单 级干式高负压真空泵，填补了国内空白。 国外生产鼓风机的著名厂家有日本的日立、三井、三菱、川崎、石川岛、茬原和神 钢；美国的德莱赛、英格索兰、德拉瓦、爱利奥特、库佩尔和阿里斯；德国的德马格、 g 咖和波尔齐格；以及意大利的新比隆公司；瑞士苏尔寿公司和俄罗斯涅瓦工厂阐。其 中鼓风机的年产量进入世界前三名的为美国德莱赛一兰德公司、德国德马格公司和意 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 大利新比隆公司。这些公司生产的鼓风机技术水平先进、性能可靠、产品质量好：结构 紧凑、占地面积小，运输、安装极为方便。但是，这些厂家的鼓风机产品价格也比较昂 贵。随着我国经济的迅速发展，为满足石油、化工、化肥，轻工、煤气、造纸及污水处 理等行业配套的需要，对鼓风机的需求呈扩大趋势。这对我国鼓风机行业的发展即是机 遇又是挑战。 我国鼓风机行业的设计制造水平，虽然经过多年的不断更新和发展，但是同国外著 名的厂家相比，许多方面仍然有差距r 刀。如现有的鼓风机高效基本级系列不全，效率较 低：加工水平落后，噪声较高等尤其是在鼓风机三元叶轮的加工方面，与国外的先进 加工工艺还存在很大的差距如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术，德国德马格公司 采用钎焊接技术，而国内还未将这些技术应用于生产；在五坐标铣制叶轮方面，国外先 进厂家的加工效率比国内高2 3 倍：在叶轮焊接方面，国外采用数控自动焊，而国内还 在沿用手工电弧焊的落后工艺方法嗍。因此，提高设计和制造水平，是推动我国鼓风机 行业腾飞的基础和关键。 1 2 3 鼓风机的发展趋势 鼓风机的发展趋势，主要是进步提高效率、降低噪声、增强可靠性及扩大应用范 围： ( 1 ) 提高效率。主要是优化叶轮型线改善叶轮。啮合”间隙的内密封效果；提高鼓 风机的制造精度，改善转子间隙的均匀程度，并使之尽可能缩小，从而减少气体泄漏， 提高容积效率。此外，要合理匹配电机，避免出现“大马拉小车”的情况网。 ( 2 ) 降低噪声。重点是进行低噪声技术开发，如：预进气结构设计、三叶扭叶转子加 工等，以减小气流脉动，降低气体动力性噪声同时应不断改善叶轮平衡品质，提高同 步齿轮制造精度，以减小振动，降低机械性噪声。大多数情况下。还需要采取消声和隔 声等辅助措施，控制噪声在传播途径中的辐射，以满足用户对低噪声的要求【咖 ( 3 ) 增强可靠性。一是改进产品实物质量，二是加强安全保护措施。为此，应注重低 压安全阀和逆止阀的研制与配置，并利用微机控制技术，对鼓风机的压力、油温、电流 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 等运行参数进行自动监测。通过联锁或报警等方式，对鼓风机起动、运行及停车过程进 行控制，使其处于安全、稳定、可靠的受控状态。 ( 4 ) 扩大应用范围。应注重密封技术与材料技术的应用研究，改进产品的密封性、耐 磨性，耐腐蚀性、阻燃防爆性等，以满足各种易燃、易爆、有毒、含尘及腐蚀性气体的 输送要求。也可针对高温、高压或高负压等特殊要求，开发适销对路的产品。以此扩大 罗茨鼓风机的应用范围，向其他类型鼓风机和真空泵的使用领域渗透。 1 3 鼓风机叶片加工的发展现状 ( 1 ) 仿形法( 靠模法) 采用仿形法加工鼓风机叶轮转子，其加工原理与其他仿形加工方法一样，首先要根 据鼓风机叶轮的型线方程来计算、设计和制造靠模板。然后以靠模板为基准运用仿形原 理，加工出符合要求的转子型线。在加工过程中，靠模板会发生磨损，而且靠模加工方 法本身的精度不是很高，这样导致加工后的转子型面误差较大，两转子在装配时往往无 法正确啮合。所以加工后一般都需要对转子成对进行人工刮研这样不仅不利于提高生 产率，而且无法实现转子在装配时的互换性这种方法是一种比较传统的加工方法。现 在这种加工方法的使用已经比较少，主要是在一些小型生产企业【1 1 1 ( 2 ) 范成法 范成法加工鼓风机叶轮转子是利用啮合原理进行的鼓风机工作时两转子相互“啮 合”，因此叶轮转子可以看作是齿数为2 或者3 的齿轮。机床强制工具齿轮( 刀具) 与转 子毛坯之阃作啮合运动，从而在转子毛坯上切出轮廓来。其中工具齿轮的节圆等于叶轮 的分度圆或基圆直径f 1 2 l 。 以上介绍的仿形法与范成法一般只能用于加工相对固定的叶轮型线，这对于目前多品 种小批量的产品很不适合，特别是三叶叶轮的加工，尤为不方便。相比之下，数控加工成 为叶轮舡改革的主要方向 ( 3 ) 数控加工方法 数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用它所具有的高精度、高柔 性、高效率等优点现在已被人们广泛认可随着数控技术在生产中的广泛应用，传统机 械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化。近年来，国内外已经有不少 沈阳工业大学硕士学位论文 厂家用数控刨床、数控铣床、数控车床等数控机床加工出多种型号的鼓风机叶轮转子。 数控加工的产品种类多、精度高，互换性好；同时加工效率高，操作简便。这些优点使 得数控加工方法成为罗茨鼓风机叶轮加工的必然趋势。更为重要的是：数控技术的应用， 为工作性能较好的三叶扭叶转子的加工提供了新的途径，使这种转予的批量生产成为可 能【1 3 1 。 目前市场上，鼓风机两叶转子已经实现了数控加工。但是，三叶转子，尤其是扭叶 转子的加工，所采用的方法非常有限，这类转子的产量也非常小1 1 4 j 。数控盘铣刀铣削加 工扭叶转子，具有工艺简单，加工效率高的优点。 因此，开发针对鼓风机扭叶转予数控铣削加工的专用系统，将会具有良好的经济效 益和广阔的市场前景。 1 。4 国内外加工复杂曲面和空间自由曲面的现状和发展趋势 非周期自由曲面作为自由曲面的特例，在研究它的加工前有必要对自由曲面的加工 技术作以了解和研究l l 孔。 自由曲面主要用于汽车拉伸模型、注模、轮机叶片、舰船螺旋桨及各种玩具成型塑 料模等，随着自由曲面应用的日益广泛，对自由曲面的设计、加工越来越受到人们的关 注己成为当前数控技术和c a d c 筋“的主要应用和研究对象。目前己有一系列 c 胱a m 系统具有自由曲面的设计与加工能力，主要的系统包括a p l 4 s s ，c a t 认， u g ，i d e a s ，e u k l i d ，p m e n i | 1 e e r i n g 和m a s 把疋a m 等。大部分系统都能处理系统 限定的形状特征种类，并且人工干预的情况下能够处理复合的复杂曲面和多坐标编程的 过程决策、刀具选择、干涉处理、刀具路径生成等操作。 实际生产中，大都采用球面刀加工，球面刀的无干涉刀位轨迹生成己比较成熟。球 面刀的优点是球面刀具中心位于被加工面法向等距面上，刀具轨迹计算相对容易。但是， 由于球面刀与被加工曲面的最终几何形状在加工时呈点接触状态，以及切削速度随刀具 与曲面之间接触部位的不同而不同，且端部切削速度为零，使加工表面质量很差，刀具 磨损也及不均匀，磨损后难以修正和刃磨。此外，为保证加工精度，切削行距不能太大， 致使加工效率极低。因而，在含复杂表面的零件的机械加工中正逐渐采用小直径的平头 立铣刀或带圆角的平头立铣刀、中凹的盘形铣刀等非球面刀具来替代球面刀完成曲面的 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 切削加工，平头立铣刀的特点是通过调整铣刀的倾角，即可获得一系列不同有效切削半 径的球头铣刀的效果，且平头铣刀的切削结果虽近似于球头立铣刀，但切削刃上各节点 处的切削速度却是相等的，因而其表面加工质量和切削效率等都优于球头刀。虽然非球 面铣刀具有一系列优点，但其形状各异，所以非球面刀具的无干涉刀位轨迹的生成至今 仍是棘手的问题。 图1 1 圆环状盘铣刀铣削自由曲面的情形 f i g 1 1c e o f i n i l l i l l g 如e d o ms i l f 6 l c e w 曲d i s c a lc u r 自由曲面的加工过程大致总结如下：首先在被加工曲面上规划刀具路径，确定合理 的走刀步距，在给定的步距点上检查干涉情况，消除干涉确定该步距点上所要求的刀位 点。沿着刀具路径，计算出每一步距上刀位点，它们的有序集合就在被加工曲面上形成 了一条数控刀具轨迹。如点涉法。 在数控编程软件和空间自由曲面c 燃a m 集成中，刀具轨迹生成及干涉处理算 法，一直是国内外学者研究的热点问题之一。生成刀具轨迹时，主要解决三方面的问题： 刀具路径拓扑( 决定粗糙度) ，走刀步距( 决定误差) 、切削行距( 决定残留高度) ，无干涉刀 具轨迹生成( 干涉) 。 首先，考虑刀具路径拓扑问题。工件表面的误差( 即残留高度) 制约着刀具路径，并 决定着切削效率和路径生成形状的可行性，而刀具路径的拓扑又决定着表面误差的大 小。在以往的研究中，表面误差的分析和计算常被忽略，在实际加工中，大多以减小进 给量或步距来凑出表面质量，也就是以损失生产率为代价来达到精度要求。所以，目前 河北工业大学的李世杰教授提出了刀具路径的拓扑分析问题。生产中常用的刀具路径拓 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 扑有：( 1 ) 环形拓扑，或称为层切法；( 2 ) 之字形拓扑，或称为行切法；( 3 ) 填充曲线拓扑 对于同一零件曲面，采用不同的拓扑方法，可得到不同的刀具轨迹。因此，工件表面质 量也将是不同的具有自适应能力的路径拓扑，算法较复杂，有待进一步研究。 其次，关于走刀步长，合理确定走刀步长是曲面加工技术中的个重要问题。离散 步长过大将使轮廓的理论加工精度降低，但步长过小又将导致零件程序膨胀，编程效率 降低，影响加工效率和表面质量。在纵多文献中，多采用对走刀轨迹进行弧弦逼近，由 弦工高误差来近似确定加工误差和进给步长。这是二维意义下的近似处理；周艳红教授 又研究了一种从三坐标直线插补运动出发，能对加工误差进行较严格控制的三坐标曲面 加工走刀步长的估计方法 关于切削行距，又称走刀步距，相邻两条刀具轨迹之间的距离称为切削行距。球头 刀沿刀具轨迹运动时两相邻刀轨间会留下残留材料，残留高度的大小决定于相邻刀位轨 迹问距的大小：反过来，可根据给定的残留高度求出切削行距值另外，曲面的形状， 刀具尺寸也决定着走刀步距的大小。所以在计算切削行距时，要综合考虑以上几方面因 素再次，关于干涉处理在数控加工中，刀具实体与被加工曲面相交的现象定义为刀 具干涉。国内外学者就如何检验干涉、删除干涉做了相当多的研究和实验，发表的相关 论文也很多。干涉分为全局刀具干涉和局部刀具干涉【l q 关于全局刀具干涉，又称为碰撞，指发生在刀杆与刀位点临面间的干涉在n c 程 序仿真中的全局刀具干涉检验算法有：虚形体模型的全局刀具干涉检验算法和平行延拓 投影区域干涉判别法；在刀位轨迹生成过程中避免全局刀具干涉的方法有：( 1 ) 向量相交 的方法及基于向量交长度的改进算法；( 2 ) 计算半平面交集的球理论算法；( 3 垌切向量 来发现b 商c 曲线及曲面数控加工中可行的刀具方向的方法；( 4 ) 利用自然凸包体法来判 断是否存在全局刀具干涉的方法以上方法均存在不足和局限性，于是又提出了一种新 的算法：先粗检一斜立方体凸包法：再进一步检测一详细检测法。该方法简单、可靠、 省时 关于局部刀具干涉，包括单张曲面加工中的刀具干涉、相邻两曲面在凹向交线处的 无干涉加工、两曲面拼接处的刀具干涉，判断局部刀具干涉的处理方法有：基于离散点的 干涉处理、基于离散三角片的干涉处理( 点涉法、m s 的投影法) 、刀具曲面离散的干 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 涉处理投影法。总的来说，采用选用合适的刀具半径或重额调整刀位数据的方法来消除 干涉，进而由刀处点生成刀位点 经过以上三步的合理选择与处理，就生成了加工曲面的数控轨迹的刀位文件( 刀心 轨迹的数据文件) ，经后置处理程序可生成n c 加工程序，用于c d ，c a m 集成系统中。 由于自由曲面具有变化的曲率，给加工带来了诸多的困难。虽然在路径拓扑，走刀 步长、步距的确定和干涉处理方面已取得了一定的成效，但目前，在自由曲面加工中仍 存在着问题，如： ( 1 ) 合理选择粗精加工拓扑形状，使之适应具体的曲面形状特征及新的刀具路径拓扑 研究： ( 2 ) 复合复杂曲面的干涉处理； ( 3 ) 在避免全局和局部干涉前提下，使刀具姿态自动适应给定路径点处的曲面局部几 何形状，提高金属切除率，降低残留尖峰高度 1 5 课题研究的目的和意义 作为风机核心部件的叶轮转子叶片，其发展趋势在很大程度上决定了风机的发展 因此。鼓风机叶轮转子的加工具有很大的意义。主要体现在以下几个方面： 风机转子的加工精度直接影响风机的使用性能。由于两叶轮相啮合来实现鼓风机的 正常工作，其转子的加工质量直接影响啮合过程中叶轮之问的间隙。当间隙过大时，无 法完成气体的压缩，从而影响风机的鼓风量，甚至不能进行鼓风。如果间隙过小，在鼓 风的过程中转子会因工作发热而升温，导致转子膨胀，产生干涉现象。使风机不能正常 工作或者使风机破坏【m 。 风机转子加工过程中中心不对称直接影响风机的使用寿命。在转子加工中，由于加 工的问题，即使加工的转子通过配对能很好的啮合，然而由于加工对称度存在问题而使 其动平衡不理想。这样会因为叶轮的质量偏心而造成两传动齿轮在啮合时产生冲击，使 啮合齿轮的使用寿命显著降低，同时引起整个鼓风机的振动，对其他装配件的使用寿命 也会产生较大的不良影响，从而降低整个风机的使用寿命。风机转子加工表面质量和转 子轮廓曲面质量直接影响风机工作噪声这两者直接影响啮合时转子间的问隙的均匀 性，而啮合时的间隙是否均匀对转子之间的气体流动的波动情况存在较大的影响如果 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 在转子加工时，加工的表面质量不好或者轮廓曲面不是十分理想，这样会造成转子之间 的气体波动较大，很容易造成较大的气体动力学噪声，直接影响风机周围的环境 由此可见，风机转子加工对鼓风机的发展有重要的意义，它直接影响风机的性能和 使用寿命，也影响风机将来的发展尤其在当今社会环保成为社会日常生活中的重要课 题时，风机转子的加工工艺的好坏对鼓风机的发展具有举足轻重的作用。这些复杂型面 的加工是现代制造业的一项重要课题 本课题在包络铣削理论的基础上，针对叶片廓形的特性，提出了采用数控铣床盘铣 刀的加工新方法。目前三维自由曲面大多采用球铣刀加工，但球铣刀头部切削速度为零， 刀槽很浅，切削条件差，加工效率低另外球铣刀成形很困难，基于此，本文提出了采 用圆环面盘铣刀代替球头刀，在满足加工精度的条件下较大程度提高加工效率可满足 轴流类零件在机械行业中的应用日益广泛，需求量大的现状通过对自由曲线曲面造型 和数控加工轨迹的研究，不但解决了造型方法和数控编程中的一些技术问题，而且将在 国民经济中产生巨大的经济效益，为进一步提高我国c d c a m 的技术水平、缩小与先 进国家的差距打下基础。 1 6 课题的主要内容 结合目前国内应用的非周期细长曲面叶片各类廓形曲线和加工现状，针对成形铣削 法的不足及叶片廓形曲线的几何特性，本课题对其粗加工方法展开研究，提出四自由度 无瞬心包络加工理论，建立刀具工件的数学模型、运动模型，编制相应算法的运算程序， 具体内容可概括为以下几点： ( 1 ) 刀具路径拓扑形式刀具路径的拓扑形式应适应具体的曲面形状特征。本文要根 据叶片的形面特征，确定合理的刀具路径拓扑形式以保证加工精度和效率。 ( 2 ) 刀具安装角的选择由于加工曲面的不对称性，刀具安装角的选择也是需要重点 考虑的问题 ( 3 ) 叶片截面上的廓型点拟合随着叶片型线的优化、数字处理技术的发展，有些廓 形方程已经不能用统一的方程表示。而是由设计、测量或试验得到的点坐标白，如( 卢= o ， l ，订给出所以在生成空间刀具轨迹时，为求出廓形上其它点的函数值，需要将已知 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 的型值点用一种合适的方法拟合成方程表示。所以，本课题的一个关键技术问题是形值 点拟合问题。 ( 4 ) 合理规划走刀步距离散步距过大将使轮廓的理论加工精度降低，但步距过小又 将导致零件程序膨胀，编程效率降低，影响加工效率和表面质量。本文将合理解决这一 矛盾。 ( 5 ) 生成叶片加工的刀具轨迹 目前，国内外在研究数控编程算法时都是针对三坐标 或五坐标数控机床及加工中心的加工运动特点，采用球头刀具和圆柱形端面铣刀的工艺 条件进行研究的，虽然具有较好的通用性，但是对于采用盘形铣刀按包络法加工叶片时， 其空间的啮合特性和干涉判断算法完全不同于通用机床的加工情况，必须根据这些特点 从理论上对其进行深入研究。本课题的又一个问题就是将有向距离算法准确的运用到叶 片加工的四自由度刀具运动轨迹的编程算法中。 ( 6 ) 进行试验验证叶片盘铣刀包络加工。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 包络铣削原理 2 1 机床的运动 数控包络铣削加工机床为三轴联动数控机床芦轴，z 轴作直线运动，c 轴作旋转运动， 三轴的运动分别由伺服系统驱动。刀具轴线与工件轴线之间的夹角可调。主切削运动是 刀具的旋转运动，由主轴电机驱动实现无级调速。工件装夹在机床的主轴夹盘和尾座之 间，由伺服系统驱动卫件绕自身轴线旋转，其平面图2 1 如下，对于机床坐标系的建立将 在下一章节详细叙述。 厂 床头 夹盘 飞八 l x 一窿i l uu l 1 i 一 一 i 图2 1 铣床的运动示意图 f i g 2 1m o v e n t o f m i l l i n gm h i i l e 2 2 包络铣削法基础知识 包络法加工螺旋曲面，采用了最小有向距离算法，在应用此算法的前提条件是刀具 曲面和工件曲面是一阶连续、可微曲面。那么就此分别说明它们的连续性和最小有向距 离理论、九点寻优方法。 2 2 1 连续性 在机械加工中，一般有解析曲面和列表点所表示的自由曲面。对于解析曲面需要根 据解析式，判断工件曲面的连续性。如果曲面连续、可微，可直接采用有向距离最小算 法计算接触点坐标。对于以离散点所表示的列表曲线和以列表点所表示的自由曲面一般 采用曲面拟合方法将其转化为b e 西e f 曲面和b 样条曲面等，使其光滑连续或者分片光滑 连续，即成为连续可微曲面。本文所研究的螺旋面均为光滑连续的曲面，截面的廓形 为叶片形状的螺旋曲面，只是一种特例的螺旋曲面，故它必是光滑连续的曲面。当螺旋 曲面的端截面由方程式给出时，如式( 2 1 ) 示，各坐标均由基本的初等函数及他们的四则 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 混合运算组成，因为基本的初等函数是连续可微的，由它们组成的四则混合运算也是连 续可微的，因此螺旋曲面符合连续可微的条件。 ( 2 1 ) 对于本文采用盘铣刀而言，工件已加工表面只是由刀尖圆弧部分回转形成的圆环面 包络成型时，刀具曲面是连续、可微的；当双锥面的主切削刃也参加成型铣削时，可以 将双锥面和圆环面切削刃分别视为连续可微曲面，在利用最小有向距离算法时应根据接 触点的位置分别计算。 由上述2 2 1 分析可知，螺旋曲面和铣刀的刀尖圆弧及双锥面均连续、可微。 数控机床按运动方式分可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制。点位控制机床 的特点是机床移动部件只能够实现由一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位 过程中不进行任何加工，因此几个坐标轴之间的运动不需要有任何联系。点位直线控制 只能做单坐标切削进给运动，因此不能加工比较复杂的平面与轮廓。而轮廓控制系统能 对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，而且要控制整个加工过程每一点的速度与位 移量，也就是说，要控制移动轨迹，将工件加工成一定的轮廓形状。这种系统要比点位 系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 由上述的分析可知，如要加工出光滑连续曲面，就要采用数控机床的轮廓控制方式， 该种控制方式能同时控制机床各轴之间的运动，以保证工件表面和刀具切削刃的回转表 面( 以下简称刀具曲面1 ，做空间连续啮合运动，由此得出工件表面和刀具表面上得到的 接触迹也应该是连续的。在自由曲面和复杂曲面加工时，刀具与工件一般是点接触状态， 其接触轨迹就是刀触点在刀具表面和工件表面上的运动轨迹。如接触轨迹连续，则可以 在刀触点计算时，利用递推的方法由前一个刀触点位置快速计算出下一个刀触点。因此 接触轨迹的连续特性，对于数控自动编程系统的刀触点计算是一个十分重要的性质。 在上述分析的基础上，经由以往论文的验证我们可以得到如下论证：“两个一阶连 续可徼曲面作空间点接触的连续啮合运动时，两个曲面上的接触迹是连续的”。这论题 验证是在不失一般性，在两个一阶连续可微曲面在空间点接触时，满足接触条件和相切 j 踮 曼 一 酬 坤 m 一 曲 曲e 沈阳工业大学硕士学位论文 条件的关系下提出的，对该命题的加以简单论述：如图2 2 所示，工件和刀具作连续啮 合运动，工件上的曲面为曩，刀具上的曲面为e ，它们均是一阶连续可徽曲面，在曲 面羁上的接触迹为 ，曲面最上的接触迹为厶，它们的接触迹均是连续的 z 刀具曲面的连续性不仅取决于它的曲面方程的连续可微性，而且还要由实际切削情 况而定。球头铣刀的曲面显而易见是连续可微的平底立铣刀在只有侧刃参加成型切削 时，刀具曲面是连续的，端刃参与包络成型时，刀具曲面不连续可微，需要对刀尖部位 进行处理。对于本文采用的盘形铣刀而言，工件已加工表面只是由刀尖圆弧部分回转形 成的圆环面包络成型时，刀具曲面是连续可微的：当双锥面的主切削刃也参加成型铣削 时，可以将双锥面和圆环面切削刃分别视为连续可微曲面 由上述分析可知，螺旋曲面和盘铣刀的刀尖圆弧及双锥面均连续可微，当他们做空 间点接触的连续啮合运动时，两个曲面上的接触迹是连续的 2 2 2 最小有向距离算法和九点寻优方法 对于包络法加工叶片螺旋曲面采用的最小有向距离算法和九点寻优方法加以论述 说明基于刀触点轨迹的连续性这一定理，以往论文提出了一种计算刀位点轨迹的算法 最小有向距离算法。若刀具曲面和工件曲面均为光滑( 连续是一阶可微) 曲面。则在不 发生干涉条件下，沿终结运动方向两曲面上一对最小有向距离点( 不包括边界点) 即为两 曲面在包络加工中一对啮合点，在该点同时满足接触条件和相切条件该算法认为刀具 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 表面与工件曲面在某一运动方向上最小距离点即为实际加工中的刀触点，利用刀触点轨 迹连续性，采用跟踪的方法对刀具表面上接触点的位置进行预测，以预测点为计算初始 点，大大提高了计算速度和精度 在刀位点计算时，可以不考虑刀位点之间的运动轨迹，只要能够保证在所计算出的 刀位点上刀具表面恰好是工件表面上的一个包络位置即可，因此可以认为各刀位点之间 的轨迹是任意的，可以有多种轨迹形式如图2 3 所示，以给定起始点彳和终止点曰的 路线可以有无数条，也就是说运动的终点与所走的路线无关。那么，在数控机床上加工 时，三个平动运动( 氲只乃和三个旋转运动“、及0 完成的先后顺序不影响刀具的最 后位置，对予本文的包络法加工工件叶片时，有二个平动运动( 瓜历和一个工件旋转运 动，同时连续插补运动，当把刀具和工件的联动运动进行离散，假设它们逐个进行每一 个控制轴方向上的运动时，使计算刀触点轨迹更加简单、快速，故应用此法 图2 3 加工路线示意图 f i g 2 3s b 蛐m 即o f 删d 虹n i 鸣 为了便于分析，假定在各刀位点之间几个数控轴按一定先后顺序分别运动，我们将 其中最后一个运动方向成为终结运动。有向距离指的是就是终结运动方向上的距离，最 小有向距离的点就是接触点。 如图2 4 所示，取坐标系s ( d x ，y ，z ) 有工件和刀具，其上分别有曲面e 和e 存 在设工件静止不动，刀具只沿x 轴作平移运动刀具自初始位置作位移缸后，曲面f ， 达到位置碍，那么沿x 轴方向距离最近的一对对应点膨。和鸩就是刀触点( 啮合点) ，并 满足接触条件和相切条件。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 4 终结运动为平动时最小有向距离原理图 f i g 2 4m i n i l l l a ld i s t 锄c ei no r i e m e dm o t i o n s 、) v ：i l i c he n dm o v 锄e n ti sl m 翰r 基于“最小有向距离”理论并结合“九点寻优方法”而得到的最小有向距离算法， 以其解决了迭代算法中存在的收敛性问题，以及避免了整体区域大量的点集计算，同时 还具有计算速度快、原理简单等特点而成为一种非常有效的复杂曲面数控加工中计算刀 位轨迹的方法。 采用最小有向距离算法的前提在将实际切削运动离散后，任何一个指定的终结运动 方向上，刀具表面和工件表面上最小距离点即为实际切削过程中的刀触点，不失一般性， 在加工螺旋曲面时，设沿轴方向的运动终结运动方向，那么将给定的工件螺旋曲面方 程和刀具曲面方程分别是一= 石，z ) 和而= 五以：) ，则距离函数为 缸= g ，z ) = 五，z ) 一石p ，z ) ，得到一个关于z 的函数，按照最小有向距离理论，求 刀触点的问题就是求缸。= g ( ，z ) m = m i n ( ) ，= ) 一石( y ，z ) ) 的最小值优化问题。 两个网格化的曲面按九点寻优方法来确定，这时刀具曲面上的每个离散点在工件曲 面上都有坐标值相互对应点，接触点的位置最终由坐标值来确定。那么最后只有刀具沿 x 轴方向作进给运动与工件曲面达到接触。如果最小值点位于九个点的中央位置，说明 其周围的对应点之间的距离均大于它，在运动过程中最先达到接触，那么它对应的工件 和刀具上的点就是接触点；如果该点位于九点的边界位置，就再计算以这个最小值所在 位置为中心的九个点到工件曲面的距离，再判断最小值所在的位置，如若仍在边界位置 鼓风机叶片盘铣刀包络加工方法研究 则需要继续向外扩展计算，直到周围的对应点之间的距离均大于它为止。当最小值点位 于边界的中间点时再计算以其位置为中心的九点距离，在计算过程中除去九个点中的重 复点，只需计算新扩展的三个位置点的距离，然后把每点的距离值与上次的最小值进行 比较，判断新的最小值的位置，如果最小值为中心点则停止计算，否则根据最小值在边 界的位置继续向外扩展计算。当最小值点位于四个角的位置时，再计算以其位置为中心 的九点距离，在计算时除去重复点，只需计算新扩展的五个位置点的距离，把新计算的 每点距离值与位置的距离值相比较，找出最小距离值并判断其位置。如果仍是位于中心 位置，则认为该点就是最小距离点即接触点，如果位于边界点，则看其是边界中问点， 还是四个角的位置，根据不同的位置作不同的计算。在比较距离值的过程中如果出现距 离值相等的情况，则根据相等距离的点分别所在位置的行号和列号的平均值的大小决定 下一次逼近的中心点。此外，又由于初始点选取的比较接近最优点，可以使计算次数大 大减少。 2 3 叶片螺旋曲面成形加工原理 在建立数学模型前，先对包络理论做以具体分析i l 射。包络加工叶片铣削技术是使用 标准硬质合金机夹刀片的盘铣刀，在专用数控铣床上实现刀具与工件螺旋面包络加工的 一种加工方法。铣刀盘上装有径向硬质合金刀具，分别等角度安装在各自刀杆槽中，刀 尖圆弧迹线圆的直径大小可以根据工件大小调整刀杆上的调整螺钉来确定。铣刀装置通 过支架安装在溜板上可以沿j 轴、z 轴方向运动，铣刀盘可以在小的范围内在支架摆动， 当加工时确定刀盘机构安装角度大小后，被支架上的锁紧螺钉固定不动。另外包络铣削 加工时，刀尖的迹线圆回转半径要求大于工件截面上的最大曲率半径。 图2 5 盘铣刀铣削叶片 f i g 2 5m i l l i n gb l a d cw i 血d i s c a lc