螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划论文

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摘要：螺旋桨是-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机器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，目前的螺旋桨大多采用数控加工中心来制造，所用的刀具通常为球头刀或平头刀，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，是当前数控加工的-个研究重点。
针对圆柱体棒料毛坯，提出了采用类似型腔加工和逐点搜索的两种粗加工方法，前-种方法能精确地控制加工区域，同样可应用于精加工;后-种方法计算简单、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，探讨了圆锥刀和圆环刀的二阶密切刀位计算方法，采用二阶密切法规划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软件的仿真功能，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。

关键词:螺旋桨;刀位计算;路径规划;二阶密切法:仿真

指导老师签名：
Five-axis NC machining and tool path planning of propeller
Abstract: propeller is a type of free form surface part. Its surface shape and manufacture precision decide a ships thrust efficiency and noises. The research about manufacture method will help to improve the manufacture precision and efficiency of this type of part. The traditional manufacture method of a propeller is勿rough cut with general milling machine plus a mass of manual polish. It is laborious and time-wasting and the precision can be guaranteed. With the development of NC technology， at present， the machining of a propeller is often finished by a NC machining center with ball-end cutter or flat-end cutter. But the machining precision is not perfect yet. How to take full advantage of the potential of 5-axis machine tools and frank mill the free form surface with non-ball-end cutter to improve the manufacture precision and efficiency of a propeller have been the research emphases of NC machining.
According to the cylinder rough， two rough cut methods are preferred. One is similar to pocket machining， and another is勿searching points. With the former， the machining area can be controlled easily and can be used in finish cut also. With the latter， the calculation and programming is easy. With differential geometry knowledge， the local characters of the blade surface are analyzed. Based on researching the cylindrical cutters osculating location， the methods to calculate the osculating location of the conic cutter and the torus cutter are discussed. A method of tool path planning based on the second order osculating method is preferred. With this method， the machining strip can be broadened evidently on precondition of assuring the machining precision and the efficiency is improved. With the simulation function of UG software， the correctness of the propellers surface modeling and NC machining method is proved.
Key Words: marine propeller; cutter location; tool path planning; the second order osculating method; simulation
Signature of supervisor:

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喘···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

1前言
1.1选题的依据及意义
螺旋桨是-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-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-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-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-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，-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，-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 Vickers[3]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 Ye[4]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-个完整的非均匀B样条曲面，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-Chia[5]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-WOONGYOUN[6]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-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-般痊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软件的建模与加工拈，先建立螺旋桨几何模型，然后生成数控加工程序。