【摘要】：曲率急變曲面零件在運載、能源和國防等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用,該類零件的型面構(gòu)成復(fù)雜、且局部存在曲率急變的幾何特征,五軸數(shù)控加工可實現(xiàn)對刀矢的柔性控制,是對該類零件實施高質(zhì)高效加工的重要手段。由于型面特征復(fù)雜且對加工條件要求苛刻,在曲率急變曲面上規(guī)劃光順的刀矢難度大,相鄰刀位間大角度改變的刀矢在高速加工中極易導(dǎo)致機床軸的運動速度突變、破壞數(shù)控加工的穩(wěn)定性。五軸數(shù)控加工中,刀矢在不同刀位之間的轉(zhuǎn)換由機床旋轉(zhuǎn)軸的運動控制,受該軸運動能力的限制,零件局部位置的刀具合成進給在實際加工中常會發(fā)生突降,影響零件加工的最終表面質(zhì)量。規(guī)劃的刀矢坐標(biāo)要通過后置處理算法轉(zhuǎn)換為機床軸的運動坐標(biāo),由于無法正確處理機床運動學(xué)方程的象限變換問題,常用CAM軟件附帶的后置處理器不能對某些刀矢坐標(biāo)實施正確的運動轉(zhuǎn)換,造成五軸加工失敗。以上是曲率急變曲面零件五軸數(shù)控加工中經(jīng)常遇到的與刀矢運動規(guī)劃相關(guān)的問題,實際加工中,通常選擇保守的加工參數(shù)或采用保守的加工策略避免上述問題的發(fā)生,無法真正實現(xiàn)對零件的高質(zhì)高效加工。鑒于此,本文對曲率急變曲面零件五軸端銑精加工中的刀矢運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,主要研究內(nèi)容包括:(1)對復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工中的機床旋轉(zhuǎn)軸運動特性進行了分析。建立了計算機床旋轉(zhuǎn)軸速度、加速度、加加速度的數(shù)學(xué)模型,給出了模型的有限差分求解方法和解析函數(shù)求解方法,計算結(jié)果用于評估刀矢軌跡在數(shù)控加工中的運動性能,為刀矢軌跡的局部運動優(yōu)化和刀具進給優(yōu)化提供依據(jù)。在SINUMERIK 840D系統(tǒng)控制的A-C雙轉(zhuǎn)臺型五軸機床上實施了空切試驗,證明了所提方法的有效性。(2)曲率急變曲面零件精加工刀軌包含的刀位數(shù)據(jù)數(shù)量大,對刀矢軌跡實施局部運動優(yōu)化可以顯著降低優(yōu)化的計算量、且能一定程度提高優(yōu)化計算的可靠性。在對機床運動特性進行分析的基礎(chǔ)上,提出了在五軸加工刀軌上選擇待優(yōu)化刀矢軌跡段的算法。給出了面向線性刀軌的機床旋轉(zhuǎn)軸運動特性計算方法,重點以螺旋五軸加工刀軌為研究對象,給出了刀軌的分割方法、子刀軌的運動性能評價方法、以及待優(yōu)化刀矢軌跡段選擇算法,給出了 Zigzag刀軌上的待優(yōu)化刀矢軌跡段選擇方法。提出的刀矢軌跡段選擇算法解決了曲率急變曲面零件五軸精加工刀軌、特別是螺旋刀軌優(yōu)化計算量大并且算法可靠性低的難題。通過算例演示和驗證了相關(guān)算法,算例結(jié)果初步證明了所提算法在節(jié)省刀矢優(yōu)化計算量方面的效果。(3)提出了機床坐標(biāo)系下的刀矢運動優(yōu)化算法和零件精加工階段的刀具進給優(yōu)化算法。定義了機床運動光順度評價函數(shù),在此基礎(chǔ)上建立了機床旋轉(zhuǎn)軸角位移優(yōu)化模型,給出了機床旋轉(zhuǎn)軸可行優(yōu)化空間的求解方法,以機床旋轉(zhuǎn)軸可行優(yōu)化空間為約束,為機床旋轉(zhuǎn)軸角位移優(yōu)化模型開發(fā)了求解算法,給出了優(yōu)化后的刀位數(shù)據(jù)校核計算方法。以機床旋轉(zhuǎn)軸的運動能力為約束,建立了刀具進給速度優(yōu)化模型并給出了求解方法。提出的刀矢運動優(yōu)化算法,解決了工件坐標(biāo)系下的刀矢光順難以有效平滑機床運動這一難題,提出的刀具進給優(yōu)化算法在零件精加工階段可以獲得穩(wěn)定的刀具進給,有利于提高零件的加工表面質(zhì)量。通過算例對提出的刀矢運動優(yōu)化算法進行了驗證,算例結(jié)果初步證明了算法的有效性。(4)對后置處理過程中的機床旋轉(zhuǎn)軸運動軌跡光順?biāo)惴ㄟM行了研究。以A-C雙轉(zhuǎn)臺型五軸機床為研究對象,分析了常用后置處理導(dǎo)致機床旋轉(zhuǎn)軸運動不連貫的原因,基于機床運動學(xué)方程的最小周期提出了光順機床C軸運動軌跡的算法,開發(fā)了用于螺旋五軸加工刀軌的后置處理算法。提出的算法可以正確轉(zhuǎn)換曲率急變曲面零件五軸加工中的刀矢坐標(biāo),為實現(xiàn)零件的高效加工奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合算例闡述并初步驗證了相關(guān)算法的有效性。最后,通過加工試驗對所提算法做了進一步驗證。葉片縮比模型加工試驗結(jié)果表明:提出的算法能夠消除葉緣過渡處刀軸突變引起的過切,此外,算法將零件的精加工時間減少了 19.7%。二次參數(shù)曲面模型加工試驗結(jié)果表明:提出的算法能夠極大降低零件加工的表面粗糙度、顯著提高零件的加工表面質(zhì)量,此外,算法將零件的精加工時間減少了 26.4%。兩組加工試驗結(jié)果表明:本文提出的刀矢運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)可以有效提高曲率急變曲面零件五軸加工的表面質(zhì)量和加工效率。論文的研究成果對于發(fā)揮五軸數(shù)控機床在曲率急變曲面零件加工中的性能優(yōu)勢、實現(xiàn)零件的高質(zhì)高效加工具有重要意義。
【圖文】：

１．１研究背景逡逑在運載、能源等行業(yè)有一類典型的復(fù)雜形狀曲面零件，如潛艇螺旋槳、航空發(fā)動機逡逑渦輪葉片、汽輪機葉片等，如圖１．１所示。該類零件的待加工面一般由前緣、后緣、葉逡逑盆、及葉背構(gòu)成，零件的型面構(gòu)成復(fù)雜，此外，，該類零件的截面曲線在其前后緣處一般逡逑以圓弧或橢圓過渡［１］（如圖１．２［１］），該部位處的截面曲線的曲率變化劇烈，因此，該類零逡逑件在本文中被稱為曲率急變曲面零件。如圖１．３［２］所示為葉片截面擬合曲線的曲率梳狀逡逑圖，從該圖可以看到，葉片的葉盆表面和葉背表面的曲率變化相對平緩，而進氣邊和排逡逑氣邊的邊緣，其曲率變化很劇烈。曲率急變曲面零件作為工業(yè)裝備中的核心零部件，其逡逑加工的最終精度以及表面質(zhì)量直接影響裝備的使用性能，此外，提高零件的加工效率也逡逑是節(jié)約制造成本、進而提高裝備競爭力的重要保證。然而，由于幾何特征復(fù)雜且性能指逡逑標(biāo)要求苛刻，曲率急變曲面零件的高質(zhì)高效加工一直是業(yè)界的一個難題，該類零件成形逡逑和加工中的關(guān)鍵技術(shù)代表著國家制造業(yè)的核心競爭力

邐葉背逡逑圖１．２不同前緣形狀的葉片截面邐圖１．３葉片截面擬合曲線的曲率梳逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂｌａｄｅ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邐Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｐｏｐｃｕｐｉｎｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｆｉｔｔｅｄ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ逡逑ｌｅａｄｉｎｇ邋ｅｄｇｅ邋ｓｈａｐｅ邐ｔｈｅ邋ｂｌａｄｅ逡逑為了避免上述問題對零件加工的影響，曲率急變曲面零件五軸加工通常選擇保守的逡逑加工參數(shù)或采用保守的加工策略。以汽輪機和航空渦輪發(fā)動機上的葉片零件為例，為了逡逑避免在葉緣過渡處產(chǎn)生過切、保證零件最終的型面精度和表面質(zhì)量，工藝上在用多軸數(shù)逡逑控銑床對零件進行半精或精加工后，還要通過磨削對零件進行再加工［Ｍ］，或者采用分逡逑－２－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 虞俊;;基于UG的流線方式加工分流葉片[J];精密制造與自動化;2015年01期

2 宋寅;顧春偉;;曲率連續(xù)的壓氣機葉片前緣設(shè)計方法[J];推進技術(shù);2013年11期

3 楊建華;張定華;張娟;吳寶海;;基于公差約束的復(fù)雜曲面寬行加工方法[J];機械工程學(xué)報;2013年03期

4 王明海;李曉鵬;;葉片型面曲率屬性對數(shù)控銑削加工過程的影響[J];航空動力學(xué)報;2013年01期

5 耿聰;于東;鄭樎默;張函;;適用于自由曲面高速高精加工的旋轉(zhuǎn)軸位置優(yōu)化算法[J];機械工程學(xué)報;2012年23期

6 杜娟;閆獻國;田錫天;;復(fù)雜曲面五軸加工局部干涉處理技術(shù)研究[J];圖學(xué)學(xué)報;2012年01期

7 王峰;林滸;劉峰;鄭樎默;郭曉鶴;;五軸加工奇異區(qū)域內(nèi)的刀具路徑優(yōu)化[J];機械工程學(xué)報;2011年19期

8 王峰;林滸;鄭樎默;楊富枝;;五軸加工奇異區(qū)域的檢測和處理[J];計算機集成制造系統(tǒng);2011年07期

9 胡增榮;;可切削石蠟在機加工實訓(xùn)中的應(yīng)用[J];機械職業(yè)教育;2011年04期

10 豐海聰;張明德;楊俊峰;黃智;;航空發(fā)動機葉片5軸聯(lián)動銑削加工刀路規(guī)劃方法[J];制造技術(shù)與機床;2011年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 林志偉;五軸數(shù)控加工無干涉無奇異高效軌跡生成與優(yōu)化研究[D];浙江大學(xué);2014年

2 陳龍;自由曲面加工軌跡規(guī)劃方法及解釋器關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

3 趙世田;自由曲面加工刀具路徑軌跡規(guī)劃算法研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

4 任斐;基于坐標(biāo)映射的復(fù)雜曲面五軸加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2011年

5 布光斌;鋁合金整體葉輪數(shù)控銑削加工增效關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

6 畢慶貞;面向五軸高效銑削加工的刀具可行空間GPU計算與刀具方向整體優(yōu)化[D];上海交通大學(xué);2009年

7 姬俊鋒;復(fù)雜整體葉輪數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

8 俞武嘉;基于STEP-NC的五軸加工刀具路徑規(guī)劃方法研究[D];浙江大學(xué);2007年

9 楊長祺;復(fù)雜曲面多軸加工的高精度、高效率數(shù)控編程系統(tǒng)研究[D];重慶大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 邵丁;葉片造型及多軸加工刀具軌跡研究[D];西安科技大學(xué);2017年

2 鐘成明;五坐標(biāo)聯(lián)動機床數(shù)控程序后置處理研究[D];電子科技大學(xué);2016年

3 付林;葉片復(fù)雜曲面磨拋加工路徑規(guī)劃算法研究[D];吉林大學(xué);2016年

4 趙國勇;煙氣輪機動葉片曲面五軸加工技術(shù)研究[D];蘭州理工大學(xué);2016年

5 馬仲亮;雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動加工中心后置處理器的開發(fā)與實踐[D];廣西科技大學(xué);2015年

6 吳磊;軸流式葉片多軸數(shù)控加工技術(shù)研究與參數(shù)優(yōu)化[D];昆明理工大學(xué);2015年

7 董宜榮;葉片多軸數(shù)控加工技術(shù)研究[D];沈陽工業(yè)大學(xué);2015年

8 王智杰;航空葉片多軸數(shù)控加工刀具軌跡生成算法研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2014年

9 魏偉力;基于性能的復(fù)雜曲面零件面形再設(shè)計建模技術(shù)[D];大連理工大學(xué);2010年

10 于桂欣;葉片多軸加工中的刀具軌跡動力學(xué)分析與補償方法研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2665494