NACA4412翼型模具型腔数控铣削工艺分析与设计

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风力发电机叶片成型的关键环节是模具型腔设计和数控加工 。其 实质体 现 为 CAD/CAM/CNC (computer-aided design/computer-aided manufacturing/eomputer number contro1)集成。其中，CAM在此三个环节集成中起着承上启下的作用。然而现有CAM只从几何角度考虑加工轨迹的生成，极少考虑CNC实际加工时机床、夹具、工件、刀具等加工资源的物理特性。因此生产实践中实用高效高质量的工艺规划和NC代码较少。以NACA4412翼型模具型腔的CAD/CAM/CNC设计加工-体化为例，着重探讨了基于CAM的数控工艺设计中物理参数的分析与设计。

2 NACA44 1 2翼型模具型腔设计建模Darieus H型垂直风力发电机具有启动风速小，噪音低的特点，是最近才发展起来的-种新型风力发电机，是家庭和社区用风力发电机的良好选择l。通过测绘及实验验证，该类型风力发电机叶片为单截面形状，截面轮廓采用 NACA4412翼型曲线，由列表点拟合得到，如表 1所示l"21。

首先用样条曲线以0.01mm的拟合精度绘制出翼型截面啦线，如图 1所示。其次打印输出该曲线，用投影放大法检验曲线拟合的偏差在允许范围内。最后基于翼型截面构建叶背模具型腔三维模型，如图2所示，以便后续的数控加工工艺分析与设计。

叶片材料选用天然麻纤维替代玻璃纤维成为叶片复合材料的加强材料[31，对模具的耐磨、防腐蚀性要求高，因此模具的材料选用宝钢生产的国产模具钢-3Crl7Mo，此牌号模具材料为不锈耐腐蚀钢，耐磨性能高，退火料淬火回火后硬度可达 HRC46-48，常用于高防腐蚀及需要镜面抛光的模具，其切削加工.I生好。

3加工工艺分析数控加工工艺分析内容包括机床、毛坯、夹具、刀具、走刀路径、切削参数等要素。其目标是在保证零件加工质量(主要指加工精度和表面粗糙度)的前提下，在工艺系统强度和刚度允许的条件下，充分利用机床功率和刀具切削性能，最大限度地降低加工成本，提高加工效率。

来稿日期 ：2012-04-27基金项目：河南侍育厅自然科学研究课题(20l1C460004)作者简介：范彩霞，(1976-)，河南渑池，讲师，硕士，主要研究方向：数字化设计与制造第2期 范彩霞等：NACA4412翼型模具型腔数控铣削工艺分析与设计 215表 1 NA4412翼型点坐标Tab.1 Data Point of NACA441 2 Airfo图 1 NA4412翼型截面形状Fig.1 Airfoil Section Curve of NACA44123.1在制品基本工艺参数叶背模具型腔铣削前在制品几何尺寸为 (1200x125x30)mm，如图2所示。粗加工时材料为退火状态，硬度 <201HB；半精和精加工时材料为淬火、回火状态，硬度为 HRC46-.，48。粗精加工前六个基准表面经磨削后保证各相对表面的平行度0.05mm，各相邻表面垂直度 0.05mm。

图2叶片的叶背模具型腔模型Fig.2 3D Model of Die-Cavity of Back Blade32粗加工工艺策略粗加工主要目标是取得最大的金属切除率，基于体积模型(Volumemode1)，其计算公式如(1)所示。

Q： (cm /min) (1)式中：雌 属去除率(cm3/min)； 0吃刀量 ram)； 吃刀量 mm)； 厂进给速度(mm/min)。

侧吃刀量 瓯(铣削宽度)，指在铣削过程中，刀具在其径向实际参与切削的刀具宽度，用垂直于铣刀轴线方向测得的被切削金属层尺寸表示。背吃刀量 %表示平行于铣刀轴线方向测得的被切削金属层尺寸▲给速度 ，(工作台进给量)，其大衅算公式如(2)所示。

vjfxnxz (mm/min) (2)式中；/：-每齿进给量 mm)； -主轴转速(r/min)；z， 刀具上切削刃总数(个)。

粗加工-般采用平底铣刀分层切削，每-层采用环切或行切，曲面切削后为锯齿状。选用大连机床 VDL1300，刀具选用韩国克劳伊(KORLOY)直径为 10平底立铣刀，型号为SSES3100-Q，切削速度 v34.54m/min，主轴转速 nl100r/min，进给速度 F270mm/min(z.3， O.081mm/min)t4J，这些切削参数为根据刀具的样本初步确定数据，在实际的走刀过程中，可以根据式(1)所示单位时间内金属切除率对其进行优化。注意在刀具直径选择时-般的计算机辅助制造软件均有选择执行和在制品形状比较功能，通过对比，从而选择与加工表面无干涉的最大刀具直径。残留高度lmm(lJ吃刀量 2mm)，加工余量 lmm。

3.3精加工工艺策略叶背型腔精加工包括半精加工和精加工，采用球头铣刀，如图3所示。有效切削直径D 明显小于刀具直径 值，D 太小影响金属去除率并使刀具中心切削速度趋于零，顶点切出的工件表面质量较差，为了避免在刀具中心出现零切削速度，可以倾斜主轴或工件，此时依然获得高的有效切削速度 V 目，亦可提高表面加工质量，如图3所示。

图3倾斜主轴提高有效切削速度Fig.3 Inclined Principal Axis to Maximized Cuting Speed实现图3要求，可以采用如下两种工艺设计方法。(1)机床选用主轴头回转的五轴联动加工中心 ；(2)采用组合夹具将工件沿走刀方向垫起 15。，并以此方位设置CAM编程的工件坐标系相对于世界坐标系也沿走刀方向倾斜 15。，再基于工件坐标系将模型变换到加工位置，此种方法使用三轴联动普通加工中心即可实现，且程序编制及生成较容易。

精加工及半精加工均采用沿曲面参数线方向往复加工，生成刀具轨迹。其中半精加工分三次走刀，每次切宽a.-O.3ram，切深 %-0.3mm；精加工 吼0.2ram，%0.1mm，刀具勋国克劳伊(KORLOY)直径为西4球头立铣刀，刀片材质HSBE2060。切削速度v80m/min，转速 S2547r/min▲给速度 ，254mrn/min(z 2，f-o.05mm/min)。

最后，将上述粗精加工策略及参数通过计算机辅助制造软件设置好，即可生成刀具轨迹和常见数控系统加工代码，输入数控机床即可完成型腔的粗精加工。 (下转第219页)No.2Feb.2013 机械设计与制造 219(2)在万向接轴长度不变的同时，增大其直径 d。随着的增大，TAF值下降，同时 d增大，所以 tr-会减小 ，从而满足圆轴扭转强度条件。但是随着d增大，加工万向接轴的材料也增多，而且当d增大到-定值时，占用的空间变大，整个万向接轴显得笨重，转动惯量增大，在轧机启动和停止时，需要的能量增大，不容易实现变速，但是它可以降低轧机波动的峰值。综上所述，当万向接轴的倾角允许时，可以根据第-种途径来增大K ，从而降低TAF值，当轧机工作时波动比较大时，可以采用第二种途径增大，从而降低TAF值。

- - H- - - - I.. - - - - - - - - -- - - - - L ～ - ～ -- L- - - - - - ～ 、 ～ - - - - - 图5当咬入时间为 O.02s时万向接轴的TAF随其刚度 K 的变化曲线Fig.5 Curve of TAF Varying with K5 of Universal ShaftWhen the Time of Bite is 0.02s5结论通过上述分析可知，通过计算扭矩放大系数TAF的值，可以确定出传动系统中各段轴的扭矩放大系数，从而确定最薄弱环节的连接轴是否容易被破坏；根据材料力学中的圆轴扭转强度条件，可以判定该轴是否满足要求，防止连接轴的断裂。在降低TAF值时，可以通过两种方法增大K 的值从而降低TAF.，并结合实际条件合理的选择增大 的方法。因此 ，在降低扭矩放大系数时，可以在允许的范围内适当的采用较高的扭转刚度，以保证轧机的正常工作。