本文關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉片圓環(huán)形盤銑刀包絡(luò)加工理論研究

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【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，在工業(yè)產(chǎn)品中，為追求更高的產(chǎn)品性能，具有復(fù)雜曲面的零件越來越多，且已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、能源和船舶等幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域。汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，是火電和核電的主要設(shè)備之一。汽輪機(jī)中數(shù)量最多的一類零件是葉片，其型面為多曲面混合的復(fù)雜曲面，葉片的加工效率直接影響著汽輪機(jī)生產(chǎn)企業(yè)響應(yīng)市場的速度，為追求汽輪機(jī)組具有更高的工作性能，葉片葉身曲面日趨復(fù)雜，如何在保證葉片加工精度的前提下，提高汽輪機(jī)葉片的加工效率是一項(xiàng)需要持續(xù)研究的課題。 本文在總結(jié)現(xiàn)行復(fù)雜曲面加工技術(shù)和曲線曲面成形理論的基礎(chǔ)上，從圓環(huán)形盤銑刀包絡(luò)加工理論研究入手，構(gòu)建圓環(huán)形盤銑刀的幾何模型，，分析其包絡(luò)加工過程中圓環(huán)面與被加工曲面的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，明確被加工曲面成形由盤銑刀刀尖圓弧回轉(zhuǎn)形成的圓環(huán)面完成，在探討影響最大有效切削半徑的因素后得出，為避免過切或欠切，盤銑刀半徑需小于被加工曲面與切削圓平面相交線的最小曲率半徑。針對圓環(huán)形盤銑刀刀具軌跡的設(shè)計(jì)，在給定殘留高度的情況下，推導(dǎo)出刀具軌跡行距計(jì)算模型，并對刀具的位置參數(shù)選擇和圓環(huán)形盤銑刀加工曲面的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)進(jìn)行了說明。 針對汽輪機(jī)葉片，提出了圓環(huán)形盤銑刀對其加工的新方法，構(gòu)建了圓環(huán)形盤銑刀加工汽輪機(jī)葉片的全軸包絡(luò)模型和銑削路徑模型，通過徑向包絡(luò)和軸向包絡(luò)加工效果比較，確定采用圓環(huán)形盤銑刀軸向包絡(luò)加工汽輪機(jī)葉片的方式。為保證刀具軌跡線排列有序和良好的加工效率，獲取符合葉片曲面走向的刀具軌跡，建立了等殘留高度計(jì)算行距的模型，分析等殘留高度法的不足，提出了最大等殘留高度控制法，該方法是在保持刀具軌跡與葉片曲面扭曲方向一致的前提下，控制相鄰刀具軌跡間的最大殘留高度相等來設(shè)計(jì)刀具軌跡。鑒于圓環(huán)形盤銑刀加工汽輪機(jī)葉片的過程中，圓環(huán)面與被加工葉片曲面的接觸點(diǎn)在圓環(huán)面的一個(gè)區(qū)域內(nèi)變化而不易確定，為解決刀位點(diǎn)計(jì)算問題，在構(gòu)建兩曲面間距離模型的基礎(chǔ)上，提出了定向最小距離算法，并對該算法中的求解條件、距離計(jì)算模型、凸凹面判斷、初始點(diǎn)選擇和曲面網(wǎng)格化處理等進(jìn)行了研究，該算法將刀位點(diǎn)增量的計(jì)算轉(zhuǎn)換為求解圓環(huán)面與被加工葉片曲面的定向最小距離，從而間接得到刀位點(diǎn)的軌跡。定向最小距離求解過程中，曲面按縱橫兩個(gè)方向進(jìn)行網(wǎng)格化離散，兩個(gè)方向的離散間距與葉片曲面的位置有關(guān)。 結(jié)合給定彎扭葉片的原始數(shù)據(jù)，采用三次樣條插值建立徑向截面型線的擬合方程，為解決同截面最大曲率計(jì)算的難題，對分段連續(xù)擬合出的三次樣條函數(shù)進(jìn)行人工干預(yù)處理，通過比較指定區(qū)間的最大曲率得出整個(gè)截面型線的最大曲率，再對不同截面進(jìn)行比較求得全局最大曲率，以此確定圓環(huán)形盤銑刀的最大有效切削半徑的取值范圍。葉片徑向截面型線和橫向截面型線在空間中形成了曲線網(wǎng)，為建立葉片曲面方程和計(jì)算網(wǎng)格線交點(diǎn)處的切平面及法向量，引入了曲線變換的概念。圓環(huán)形盤銑刀殘留高度的計(jì)算是最大等殘留高度控制法應(yīng)用的基礎(chǔ)，計(jì)算過程可簡化為求解兩圓交點(diǎn)與截面型線的距離，距離的求解需增加交點(diǎn)的位置判斷，相鄰行間最大殘留高度徑向截面對應(yīng)點(diǎn)確定后，按照軸向型線擬合方程，即可確定不同截面上的軸向?qū)?yīng)點(diǎn)。對不同截面對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行軸向擬合，可形成一組與葉片彎扭方向相同的空間曲線，為利用定向最小距離算法獲取刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究過程中，將這些空間曲線作為刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算的控制線，并按設(shè)定步長進(jìn)行插值離散處理得到刀具軌跡的控制點(diǎn)，以此逐步確定圓環(huán)形盤銑刀包絡(luò)加工汽輪機(jī)葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)。 使用圓環(huán)形盤銑刀加工汽輪機(jī)葉片，包絡(luò)加工模型的建立是將該方法應(yīng)用到葉片制造的基礎(chǔ)，相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立為刀具軌跡求解提供了計(jì)算方法，刀具軌跡設(shè)計(jì)中，葉盆或葉背與過渡圓弧的切線容易獲取，可作為軌跡計(jì)算的起始線。文中采用的軸向截面包絡(luò)加工方法，既符合曲率吻合原理，同時(shí)在減少空走刀、優(yōu)化刀具路徑方面作用明顯，實(shí)例仿真加工結(jié)果顯示，利用圓環(huán)形盤銑刀包絡(luò)加工汽輪機(jī)葉片，刀具路徑長度有大幅縮短，數(shù)控程序明顯減少，研究成果可為汽輪機(jī)葉片加工專用數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、葉片加工拋光機(jī)設(shè)計(jì)等提供一定的理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK263.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1276534