三元整體葉輪的五軸加工刀具軌跡規(guī)劃論文

1、1前言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈，產(chǎn)品更新越來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。同時，隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)和輕工消費(fèi)品生產(chǎn)的高速增長，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求也越來越高;此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工求。因此，近幾十年來，能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件加工問題的數(shù)控(NC)加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使制造技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。努力發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，并向高層次的自動化、柔性化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造方向推進(jìn)，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的方

2、向。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用數(shù)控加工可大大提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定加工質(zhì)量、縮短加工周期、增加生產(chǎn)柔性、實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實(shí)行計(jì)算機(jī)管理，還使車間設(shè)備總數(shù)減少、節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應(yīng)能力并提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)械加工的大量前期準(zhǔn)備工作與機(jī)械加工過程聯(lián)為一體，使零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的一體化成為現(xiàn)實(shí)，使機(jī)械加工的柔性自動化水平不斷提高。與此同時，數(shù)控加工技術(shù)也成為發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術(shù)。數(shù)控技術(shù)和數(shù)

3、控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。美國與西方各國在高檔數(shù)控機(jī)床與加工技術(shù)方面，一直對我國進(jìn)行封鎖限制。因?yàn)樵S多先進(jìn)武器裝備的制造，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的關(guān)鍵零件，都離不開高性能數(shù)控機(jī)床的加工。我國的航空、能源、交通等行業(yè)也從西方引進(jìn)了一批五坐標(biāo)機(jī)床等高檔數(shù)控設(shè)備，但其利用受到國外的監(jiān)控和限制，不準(zhǔn)用于軍事用途的零件加工。這一切均說明數(shù)控加工技術(shù)在國防現(xiàn)代化方面所起的重要作用。葉輪機(jī)械廣泛地用于能源動力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)

4、和國防事業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。據(jù)原機(jī)械工業(yè)部統(tǒng)計(jì)資料表明，壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和水泵在各行業(yè)的裝機(jī)容量占全國發(fā)電總量的三分之一葉輪機(jī)械是一個綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及到氣動、加工、強(qiáng)度、振動等方面，范圍廣，內(nèi)容多。近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，葉輪的設(shè)計(jì)理論取得了可喜的成績。采用三元葉輪設(shè)計(jì)理論使得內(nèi)部流動更加符合流體的實(shí)際流動過程，性能得到大幅度的提高。與之相適應(yīng)，三元葉輪由于空間形狀的復(fù)雜性以及對強(qiáng)度的高要求使其對加工制造提出了更高的要求。三元葉輪的葉片通常為復(fù)雜曲面，輪盤和輪蓋為回轉(zhuǎn)面，是一類幾何特征明顯，在生產(chǎn)實(shí)際中有一定代表性的零件。它的設(shè)計(jì)與制造相對于常規(guī)機(jī)械零件復(fù)雜得多

5、。設(shè)計(jì)葉輪時，要對葉輪內(nèi)部流動進(jìn)行分析和控制，設(shè)計(jì)指標(biāo)能否得到滿足，需要制造環(huán)節(jié)來保證。如果制造技術(shù)薄弱，葉輪的整體性能必將受到影響。因此葉輪的設(shè)計(jì)與制造密不可分。隨著制造業(yè)在全球范圍內(nèi)競爭的激烈，越來越多的制造企業(yè)裝備了先進(jìn)的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，尤其是五坐標(biāo)機(jī)床逐漸裝備到企業(yè)中。五坐標(biāo)機(jī)床功能強(qiáng)大、加工效率高、質(zhì)量好，受到制造業(yè)內(nèi)人士的青睞。由于五坐標(biāo)機(jī)床刀具運(yùn)動的復(fù)雜性，數(shù)控編程也較為困難。因此，復(fù)雜曲面的五坐標(biāo)加工技術(shù)一直是數(shù)控加工領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)葉片的幾何形狀，可將葉輪分為具有直紋面葉片的葉輪和具有任意曲面葉片的葉輪。對于曲面加工，最早是采用放樣法，這種古老的方法速度慢

6、，精度低，需要熟練的技工完成。采用毛坯鑄造，葉片的厚度不能太薄，且精度很難保證，葉輪動平衡性能差。電火花加工技術(shù)也可用于葉輪的加工，但是其成本高。利用CAD/CAM技術(shù)，在數(shù)控機(jī)床上加工被認(rèn)為是加工葉輪的最好方法。整體葉輪的數(shù)控加工離不開自動編程，在自動編程方面，整體葉輪的刀具路徑的規(guī)劃是個關(guān)鍵，刀具軌跡的生成能力直接決定數(shù)控編程系統(tǒng)的功能及所生成的加工程序質(zhì)量。能否生成有效的刀具軌跡直接決定了加工的可能性、質(zhì)量與效率。因此 ，從我國葉輪數(shù)控加工的現(xiàn)狀以及曲面數(shù)控加工的理論研究等方面來看，都有必要對葉輪以及復(fù)雜曲面的五坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行深入研究，以縮短我國葉輪數(shù)控加工、CAM 軟件開發(fā)技術(shù)與

7、工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距，提高我國流體機(jī)械行業(yè)在國際市場的竟?fàn)幠芰?。葉輪類零件是一類具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復(fù)雜零件，它在能源動力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)中均有廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動機(jī)上的整體葉輪、坦克發(fā)動機(jī)增壓器葉輪、水泵及壓縮機(jī)葉輪等。這類零件形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計(jì)涉及到空氣動力學(xué)、流體力學(xué)等多個學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對其性能參數(shù)都有很大影響。傳統(tǒng)的葉輪生產(chǎn)一般采用鑄造成型后修光的方法，但是隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展如三元流技術(shù)等)，葉輪類零件工作面形狀日趨復(fù)雜，模具制造的難度比較大，工藝過程復(fù)雜，制造成本高，葉片精度難以保證，而且葉片的表面光潔度差，

8、容易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生氣蝕，葉輪的動平衡性能差。此外，工人的勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)周期長。隨著透平機(jī)械的發(fā)展，葉輪的轉(zhuǎn)速越來越高，鑄造材料強(qiáng)度較低的弱點(diǎn)也日益顯露出來，這就迫使人們開始考慮采用其他的方法加工葉輪。隨著數(shù)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床被廣泛有效的用于葉輪加工中。用數(shù)控機(jī)床加工葉輪類等復(fù)雜曲面零件，傳統(tǒng)的方法一般是在三坐標(biāo)數(shù)控銑床上用球頭刀采用行切法進(jìn)行的，當(dāng)毛坯為六面體時，可用平面分層加工方法;當(dāng)毛坯為鑄造或模鍛件時，加工余量比較均勻，采用等距面分層加工方法。采用球頭刀的優(yōu)點(diǎn)是:球形表面法矢指向全空間，加工時對曲面法矢有自適應(yīng)能力，可以

9、減少機(jī)床運(yùn)動周期;編程簡單，計(jì)算量相對其他方法要少;并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑便可避免干涉現(xiàn)象。然而，用球形刀具加工曲面存在缺陷，從幾何上講，它屬于雙參數(shù)球面族的包絡(luò)，刀具與被加工曲面間為點(diǎn)接觸，加工精度和效率都較低。此外，三坐標(biāo)數(shù)控加工具有控制運(yùn)動軸數(shù)小、編程簡單、加工范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的同時也存在加工質(zhì)量差、加工效率低、應(yīng)用場合有限等致命缺點(diǎn)。而五軸聯(lián)動機(jī)床可以采用非球頭刀銑削加工，顯著改善了切削狀態(tài)，提高了進(jìn)給速度，因而加工效率可明顯提高，在質(zhì)量和效率方面具有三軸加工無法比擬的優(yōu)勢，且可以采用球形刀、立銑刀、環(huán)形立銑刀等多種刀具，擺脫了刀具種類的限制，近年來葉輪類等自由曲面零件的多

10、軸數(shù)控加工尤其是五軸加工理論和加工方法己成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1989年2教授將分別采用球形刀和立銑刀進(jìn)行曲面加工的結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)立銑刀能更好的與曲面的幾何特性相匹配，因而可以減少走刀次數(shù)，切削效率高，且刀具使用壽命長。1994年，華中理工大學(xué)的全榮博士1研究了五坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控技術(shù)及其在汽輪機(jī)葉片砂帶磨削加工中的應(yīng)用，提出了用均勻雙一次B樣條曲面去逼近葉片型面，并計(jì)算出其刀位數(shù)據(jù)。1995年，劉雄偉3提出了圓柱形銑刀加工自由曲面的單點(diǎn)偏置法和雙點(diǎn)偏置法，其基本原理是將刀具軸線選在曲面上比較平坦的方向，即法曲率絕對值最小的方向，并用二階離差來計(jì)算擬合誤差，為直紋面型葉輪的刀位規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

11、1997年，美國學(xué)者Yuan-Shin Lee4對環(huán)形刀具加工自由曲面的局部干涉和全局干涉問題進(jìn)行了較全面的析，并給出了無干涉刀位算法。同年，以色列學(xué)者GElber和美國猶太大學(xué)的5提出了用直紋面片逼近自由曲面的方法，并將五軸數(shù)控機(jī)床線接觸法可加工的曲面由凸曲面擴(kuò)展到鞍形曲面而不產(chǎn)生干涉。1998年，Yuan-Shin Lee運(yùn)用橢圓偏置方法分析了圓柱形刀具粗加工直紋凹坑曲面的方法，使粗加工后的曲面更接近理論曲面，便于精加工的進(jìn)行。2000年，西安交通大學(xué)的陳麗萍博士6將五坐標(biāo)精加工側(cè)銑刀具的刀軸矢量選在曲面的最小法曲率方向，通過調(diào)整刀軸使其與刀具表面上的切觸曲線段平行的方法，得到刀具的刀心坐

12、標(biāo)和調(diào)整角。同年，上海交通大學(xué)的倪炎榕7等探討了用圓環(huán)形的刀具加工復(fù)雜曲面的優(yōu)化算法，該算法把曲面離散為點(diǎn)，從宏觀范圍考察瞬時刀位下刀具和型面的接觸誤差分布，并按宏觀曲率吻合原則對刀位進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了寬形線接觸加工。多軸尤其是五軸數(shù)控加工理論的發(fā)展為整體葉輪的數(shù)控加工提供了可能。本論文以三元整體葉輪五軸數(shù)控加工的刀位規(guī)劃、刀位計(jì)算方法等為核心內(nèi)容，基于UG/CAM對整體葉輪的五軸數(shù)控加工刀具加工路徑進(jìn)行研究，主要內(nèi)容包括:1. 三元整體葉輪的數(shù)控加工工藝分析2. 研究多坐標(biāo)數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃方法3. 在UG的VARIABLE-CONTOUR中，生成三元整體葉輪的刀具軌跡4. 三元整體葉輪

13、加工刀路的模擬1.5 目標(biāo)及特色目標(biāo)：（1）完成整體葉輪刀具軌跡生成工藝分析（3）完成整體葉輪葉片加工的刀具干涉與刀位修正特色：利用UG軟件對三元整體葉輪進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到葉輪主要部分的NC程序，并對其刀具軌跡進(jìn)行規(guī)劃。2 自由曲面的五坐標(biāo)數(shù)控加工研究2. 1引言傳統(tǒng)的自由曲面加工主要采用球頭刀在三軸機(jī)床上完成。隨著多軸數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，三軸數(shù)控加工的缺點(diǎn)日益暴露，五軸數(shù)控加工以其在質(zhì)量和效率方面的顯著優(yōu)勢也吸引著越來越多專家學(xué)者的目光。人們根據(jù)計(jì)算簡單、可行的原則首先解決了在多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上用點(diǎn)接觸成型(如球形銑刀)加工自由曲面的問題，應(yīng)用球形刀具加工曲面有許多優(yōu)點(diǎn):球形表面法矢指向全空間

14、，加工時對曲面法矢量有自適應(yīng)能力，可以減少機(jī)床運(yùn)動軸數(shù);編程簡單，計(jì)算量相對其它方法要少;并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑便可避免干涉現(xiàn)象。然而用球形刀具加工曲面也有缺陷:即刀具與曲面之間為點(diǎn)接觸(點(diǎn)成型)，加工精度和效率都很低。鑒于這種情況，人們很自然的想到要用其它形式的刀具來改善加工精度和效率，這便是面接觸加工和線接觸加工問題。由于面接觸加工一般只適用于曲率較小且呈敞開狀的曲面，因而其使用范圍較小，因此國內(nèi)外在重點(diǎn)發(fā)展自由曲面的線接觸加工，目前已發(fā)展到對任意曲面采用線接觸加工的研究。對于線接觸加工，目前還沒有一種公認(rèn)的、行之有效且適應(yīng)范圍廣的算法由于這方面的成果可以直接解決許多關(guān)鍵產(chǎn)

15、品的生產(chǎn)，因此，國外發(fā)表的文章大多只介紹他們的研究對象和所得到的結(jié)果，而不介紹解決問題的方法，這方面的技術(shù)處于保密狀態(tài)。為此，本章在對曲面平坦方向分析的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外可查文獻(xiàn)中線接觸加工刀位計(jì)算方法加以綜述，并進(jìn)行了分析比較。2.2自由曲面的五坐標(biāo)數(shù)控加工工藝研究 確定合理的加工工藝是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)控加工的基礎(chǔ)，其內(nèi)容包括選擇合適的機(jī)床、刀具、走刀路徑、切削深度等。要獲得較理想的加工效果，就需要選擇合適的工藝參數(shù)與切削策略。從加工的角度看，數(shù)控加工技術(shù)主要是圍繞加工方法與工藝參數(shù)的合理確定及其實(shí)現(xiàn)的理論與技術(shù)。對于復(fù)雜形狀零件，現(xiàn)在越來越多的是采用五坐標(biāo)數(shù)控加工，其加工方案與加工參

16、數(shù)的合理選擇是一個更為復(fù)雜的問題。2.2. 1五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床類型及其工藝特點(diǎn)五坐標(biāo)是指在三個平動坐標(biāo)軸基礎(chǔ)上增加兩個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸(A.B 或A.C 或B.C ),且五個軸可以聯(lián)動。由于具有兩個轉(zhuǎn)動軸，導(dǎo)致五坐標(biāo)機(jī)床可以有很多種運(yùn)動軸配置方案，但它們可以歸于如下三大結(jié)構(gòu)類型8 :(1) 刀具擺動型這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于刀具上，由刀具繞兩個互相正交的軸轉(zhuǎn)動以使刀具能指向空間任意方向。由于運(yùn)動是順序傳遞的，因而在兩個轉(zhuǎn)動軸中，有一個的軸線方向在運(yùn)動過程中始終不變，成為定軸，而另一個的軸線方向則是隨著定軸的運(yùn)動而變化，成為動軸(動軸緊靠刀具)。對于定、動軸的配置，理論上存在A-B, A-C,

17、 B-C, B-A, C-A和C-B等六種組合情況。但由于在A-C, B-C的情況下動軸軸線與刀具軸線平行而沒有意義，因此定、動軸的運(yùn)動配置主要是A-B, B-A, C-A和C-B等四種，這類機(jī)床的主要特點(diǎn)是擺動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般剛性較差，但其運(yùn)動靈活，機(jī)床使用操作(如裝卡工件)較方便。(2)工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于工件上，根據(jù)運(yùn)動的相對性原理，它與由刀具擺動產(chǎn)生的效果在本質(zhì)上是一樣的。這種結(jié)構(gòu)也是定、動軸結(jié)構(gòu)，只是其動軸緊靠工件。對于其定、動軸的配置，理論上也有A，-B,A ，-C, B -C、B-A,C-A和C-B等六種組合情況。但由于此時的定軸到刀具間只存在

18、平動，因而選C軸作為定軸將不能改變刀具軸線的方向而失去意義，因此該類型的定、動軸的運(yùn)動配置分類是A-B、A，一C,B -C, B -A等四種，而且A，-B, A -C, B -C, B -A實(shí)質(zhì)上也可看成是等效的結(jié)構(gòu)(初始狀態(tài)不同)。這類機(jī)床的主要特點(diǎn)是其旋轉(zhuǎn)/擺動工作臺剛性容易保證、工藝范圍較廣，而且容易實(shí)現(xiàn)。但由于工件要隨工作臺在空間擺動，因此這種結(jié)構(gòu)主要適合于中小規(guī)格的機(jī)床用于加工體積不大的零件。(3)刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型這種結(jié)構(gòu)類型是指刀具與工件各具有一個轉(zhuǎn)動運(yùn)動。這種結(jié)構(gòu)不是定、動軸結(jié)構(gòu)，兩個回轉(zhuǎn)軸在空間的方向都是固定的。對于其兩個轉(zhuǎn)動軸的配置情況，若按先后工件后刀具的順序，則理

19、論上也有A，-B, A-C, B-C, B-A 、C-A，和C-B等六種組合情況。顯然，刀具繞其轉(zhuǎn)動的軸不能取為平行于C，否則同樣將因不能改變刀具軸線的方向而失去意義。因此該類型機(jī)床中的兩個轉(zhuǎn)動軸的配置情況是A-B, B -A 、C-A，和C-B等四種。這類機(jī)床的特點(diǎn)介于上述兩類機(jī)床之間。對于五坐標(biāo)機(jī)床，不管是哪種類型，由于他們具有兩個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)，相對于靜止的工件來說，其運(yùn)動合成可使刀具軸線的方向在一定的空間內(nèi)(受機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)限制)任意控制，從而具有保持最佳切削狀態(tài)及有效避免刀具干涉的能力，因此，五坐標(biāo)加工又可以獲得比四坐標(biāo)加工更廣的工藝范圍和更好的加工效果，特別適宜于大型或直母線類零件的高效高質(zhì)量

20、加工以及異型復(fù)雜零件的加工。2.2. 2五軸數(shù)控加工刀具類型及其工藝特點(diǎn) 要實(shí)現(xiàn)高速、高精與高效的數(shù)控加工，除數(shù)控機(jī)床要具有高速(主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度)、高精能力和高自動化程度外，刀具的性能及如何根據(jù)加工對象選用合適的刀具有著極為重要的影響。在刀具性能方面，隨著刀具材料性能的提高與結(jié)構(gòu)特性的改善，數(shù)控加工用刀具在耐用度、剛度、抗脆性、斷屑和調(diào)整更換等方面的性能已大大改善，例如，目前涂層刀具、立方氮化硼刀具以至陶瓷刀具與金剛石刀具等可使刀具的切削速度大幅度提高。然而，從如何加工的角度看，加工刀具類型與工藝方案的合理選擇極為重要。 應(yīng)用于數(shù)控銑削加工的刀具主要有平底立銑刀、端銑刀、球頭刀、環(huán)形刀、鼓

21、形刀和錐形刀。(1)平底立銑刀平底立銑刀制造方便，主要以周邊切削刃進(jìn)行切削，切削性能好，是銑削加工的主要刀具。除用于平面銑削(如凸臺、結(jié)合、凹槽以及平底型腔等)和二維零件的周邊輪廓銑削外，同時也是立體輪廓粗加工和多坐標(biāo)精加工的主要刀具，而且也可應(yīng)用于立體輪廓的三坐標(biāo)精加工。在多坐標(biāo)加工情況下，平底立銑刀的應(yīng)用有側(cè)銑和端銑兩種方式。側(cè)銑方式主要是應(yīng)用于以直線為母線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移或者合成所形成的一類型面(稱為直紋面)的加工，是多坐標(biāo)加工的重要應(yīng)用場合，可由立銑刀周邊切削刃一次成形，加工效率高，并可有效保證型面質(zhì)量。顯然，對于由固定或者變化的平坦曲線運(yùn)動所形成的一般型面，采用多坐標(biāo)側(cè)銑加工亦可大大減

22、少走刀次數(shù)并提高型面質(zhì)量。端銑方式主要應(yīng)用于不適合側(cè)銑加工的其他情況，它采用一行一行的行切方式加工。從工藝范圍看，它是多坐標(biāo)加工的主要方式。它在保證刀具不與型面干涉的前提下，盡可能使平底立銑刀底部貼近被加工表面進(jìn)行加工，切削條件好，并可有效抑止切削行間的殘余高度，從而減少走刀次數(shù)。(2) 端銑刀端銑刀主要用于面積較大的平面銑削和較平坦的立體輪廓(如大型葉片、螺旋槳、模具等)的多坐標(biāo)銑削，以減少走刀次數(shù)，提高加工效率與表面質(zhì)量。(3)球頭刀球頭刀是三維立體輪廓加工特別是三坐標(biāo)加工的主要刀具。球頭刀加工的刀具中心軌跡是由零件輪廓沿其外法線方向偏置一個刀具半徑而成，即使在三坐標(biāo)加工情況下，除了內(nèi)凹的

23、暗角，球頭刀均可加工。因此，球頭刀對于加工對象的適應(yīng)能力很強(qiáng)，且編程與使用也較方便，但球頭刀加工也存在一些不足之處。除其制造較困難外，球頭切削刃上各點(diǎn)的切削情況不一，越接近球頭刀的底部其切削條件越差(切削速度低、容屑空間小等)。因此，在需要刀具底部切削(如型面平坦部位的加工等)的情況下，加工效率難以提高且刀具容易磨損:另外，球頭刀加工時的走刀行距一般也比相同直徑的其他刀具加工時小，因此效率較低。(4)環(huán)形刀環(huán)形刀是在周邊切削刃與底面切削刃之間以一段小圓弧過渡，主要用于凹槽、平底型腔等平面銑削和立體輪廓的加工，其工藝特點(diǎn)與平底立銑刀類似，切削性能好。而且，與平底立銑刀相比，由于環(huán)形刀的切削部位是

24、圓環(huán)面，切削刃強(qiáng)度較好且不易磨損。但其刃磨和編程相對困難一些。(5) 鼓形刀鼓形刀多用來對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等零件中與安裝面傾斜的表面進(jìn)行三坐標(biāo)加工。由于這種表面最理想的加工方案是多坐標(biāo)側(cè)銑，因此，采用鼓形刀加工是在單件或小批量生產(chǎn)中取代多坐標(biāo)加工的一種變通方案。鼓形刀的刃口縱剖面為半徑R1較大的圓弧，因而不僅對表面上各處的傾斜角變化具有一定的適用性，而且能有效減少走刀次數(shù)(相對于球頭刀)，提高加工效率和表面質(zhì)量。圓弧半徑R1越小，刀具所能適應(yīng)的斜角變化范圍就越廣，但是行切得到的工件表面質(zhì)量就越差或者效率越低。除上述加工應(yīng)用外，鼓形刀也應(yīng)用于一般表面的多坐標(biāo)側(cè)銑，而且它比圓柱面或圓錐面?zhèn)茹姷倪m應(yīng)能力強(qiáng)

25、。鼓形刀的缺點(diǎn)是刃磨較困難，切削條件較差，而且不適于加工內(nèi)緣表面。(6)錐形刀錐形刀的應(yīng)用目的與鼓形刀有些相似，在三坐標(biāo)機(jī)床上，它可替代多坐標(biāo)側(cè)銑加工零件上與安裝面傾斜的表面，特別是當(dāng)傾斜角固定時(如模具起模面)可一次成型，并可加工內(nèi)緣表面。而且，錐形刀刃磨容易，切削條件好，可獲得高的加工效率或端銑，特別是對于底部狹窄的通道等情況的加工，采用錐形刀可在滿足結(jié)構(gòu)空間限制的情況下增加刀具的剛度，從而提高加工效率與精度。2自由曲面零件的五軸數(shù)控加工工藝方案 五坐標(biāo)數(shù)控加工是實(shí)現(xiàn)大型與異型復(fù)雜零件的高效高質(zhì)量加工的重要手段。五坐標(biāo)機(jī)床在三個平動軸基礎(chǔ)上增加了兩個轉(zhuǎn)動軸，不僅可使刀具相對于工件的位置任意

26、可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定范圍內(nèi)任意可控，由此五坐標(biāo)數(shù)控加工具有以下特點(diǎn)9:(1)可避免刀具干涉，加工普通三坐標(biāo)機(jī)床難以加工的復(fù)雜零件，加工適應(yīng)性廣。(2)對于直紋面類零件，可采用側(cè)銑方式一刀成型，加工質(zhì)量好、效率高。(3)對于一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀端面貼近表面進(jìn)行加工，走刀次數(shù)少、殘余高度小，可大大提高加工效率和表面質(zhì)量。(4)對工件上的多個空間表面可一次裝卡進(jìn)行多面、多工序加工，加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度。(5)五軸加工時，刀具相對于工件表面會處于最有效的切削狀態(tài)。例如使用球頭刀時可避免球頭刀底部切削，利于提高加工效率。同時，

27、由于切削狀態(tài)可保持不變，刀具受力情況一致，變形一致，可使整個零件表面上的誤差分布比較均勻，這對于保證某些高速回轉(zhuǎn)零件的平衡性能具有重要作用。(6)在某些加工場合，如空間受到限制的通道加工和組合曲面的過渡區(qū)域加工，可采用較大尺寸的刀具避開干涉，刀具剛性好。有利于提高加工效率與精度。五坐標(biāo)加工與三坐標(biāo)加工的本質(zhì)區(qū)別在于:在三坐標(biāo)加工情況下，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中的方向是固定的，它始終平行于Z軸;而在五軸加工中，刀具軸線在工件坐標(biāo)系中的方向是一般是不斷變化的。這就涉及到刀軸控制方式的確定問題。常用的刀軸控制方式有以下幾種10:(1)垂直于表面方式所謂垂直于表面方式是使刀具軸線始終平行于各切削點(diǎn)處的表

28、面法矢，由刀具底面緊貼加工表面來對切削行間殘余高度作最大限度的抑止，以減少走刀次數(shù)和獲得較高的生產(chǎn)效率。該方式一般用于大型平坦的無千涉凸曲面端銑工。(2)平行于表面方式平行于表面方式是指刀具軸線或母線始終處于各切削點(diǎn)的切平面內(nèi)，對應(yīng)的加工方式一般為側(cè)銑。這種方式的重要應(yīng)用是直紋面的加工，由圓柱或圓錐形刀具側(cè)刃與直紋面母線接觸可以一刀加工成型，效率高而且表面質(zhì)量好。(3)傾斜于表面方式該方式由刀軸矢量 i在局部坐標(biāo)系中與坐標(biāo)軸和坐標(biāo)平面所成的兩個角度。和Y定義，如圖2. 1所示。其中，n為曲面上切削點(diǎn)處單位法矢， a為曲面上切削點(diǎn)處沿進(jìn)給方向單位切矢，V=na , （a,v ,n）為曲面在切削點(diǎn)

29、處的局部坐標(biāo)系，a為前傾角，為刀軸矢量與垂直于進(jìn)給方向的平面所成角度，可在端銑加工凹面時防止干涉; Y為傾斜角，定義為刀軸與曲面法矢的夾角，不屬某個截面，位于以法矢為軸線，Y為頂角的圓錐上，但可由a角及指定沿走刀方向的左右側(cè)來確定刀軸的空間方向。傾斜方式是五坐標(biāo)加工的一般控制方式，垂直于表面方式和平行于表面方式均可看作它的特殊情況。例如，垂直于表面方式即等價于a=Y=0。圖2.1 相對于曲面的刀軸控制2復(fù)雜曲面粗加工及精加工曲面零件的加工一般也需經(jīng)過粗、半精和精加工過程。精加工時最主要考慮的工件表面質(zhì)量而不是切屑的多少，通常采用小的切削深度，刀具的副切削刃經(jīng)常會有專門的形狀，比如修光刃。根據(jù)所

30、使用的機(jī)床、切削方式、工件材料以及所采用的刀具，可使表面粗糙度達(dá)到的水平，在極好的條件下甚至可以達(dá)到。刀具后刀面的磨損量不再是主要標(biāo)準(zhǔn)，它將讓位于工件的表面質(zhì)量。精加工的目的是準(zhǔn)確的得到需要的零件尺寸及形狀，加工精度是考慮的重點(diǎn)。粗加工則是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點(diǎn)是加工效率，要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的切屑。粗加工對表面質(zhì)量的要求不高，刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一般是切削力的明顯增大，即以后刀面的磨損寬度為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)零件毛坯與最終零件形狀存在較大差別時，其粗加工的時間可能長達(dá)精加工的5-10倍以至更多。因此，提高粗加工效率對曲面加工效率及降低加工成本具有

31、重要意義。 曲面粗加工一般可采用兩種方法:偏置法和層切法10。偏置法適合于毛坯形狀與零件形狀相似的情況，如鑄造與鍛造毛坯，否則將產(chǎn)生較多的空行程而影響加工效率。此時，采用層切法加工是合理的選擇。層切法用一系列假想水平面與零件面和毛坯邊界截交，得到一系列二維切削層，然后用平底刀對各切削層進(jìn)行分層加工。對于型腔等邊界受到約束的情況，還需考慮垂直進(jìn)刀問題及相鄰切削層的走刀軌跡過渡問題。例如，可采取預(yù)先鉆一工藝孔作為各切削層起刀位置的方法來解決問題。2.3五坐標(biāo)側(cè)銑數(shù)控加工刀位計(jì)算方法研究 所謂側(cè)銑加工是指用回轉(zhuǎn)刀具的側(cè)刃切削零件加工表面，通過在滿足加工誤差要求的前提下盡可能增大加工帶寬度，大大提高了

32、加工效率并能保證加工精度。近年來已成為多軸數(shù)控加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 本節(jié)內(nèi)容簡單介紹了側(cè)銑加工的基本原理，給出了幾種常用的刀位計(jì)算方法并附加了算例。2.3.1 曲面加工刀具軌跡計(jì)算過程 在曲面加工過程中，無論使用何種刀具，曲面為何種類型，其刀具軌跡的計(jì)算過程總的來說大致相同，可簡略表述為:給出一張或多張待加工曲面(零件面)，按導(dǎo)動規(guī)則約束生成切觸點(diǎn)曲線，由切觸點(diǎn)曲線按某種刀具偏置計(jì)算方法生成刀具軌跡曲線。其計(jì)算流程圖如2.2所示。由于一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有線性、圓弧等少數(shù)幾種插補(bǔ)功能，所以一般將切觸點(diǎn)曲線和刀具軌跡曲線按點(diǎn)串的方式給出，并保證加工精度。圖2.2 刀具軌跡計(jì)算過程2.3.2與刀位規(guī)

33、劃有關(guān)的幾個基本概念 刀具路徑規(guī)劃是研究多坐標(biāo)數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵，在進(jìn)行刀位規(guī)劃之前，有必要先了解一下與之有關(guān)的幾個基本概念11。1) 切觸點(diǎn)(cutting contact point)指刀具在加工過程中與被加工零件曲面的理論接觸點(diǎn) 。對于曲面加工，不論采用什么刀具，從幾何學(xué)的角度來看，刀具與被加工曲面的接觸關(guān)系均為點(diǎn)接觸。圖2.3 給出了幾種不同刀具在不同加工方式下的接觸點(diǎn) 。2) 使其滿足一些約束條件，如約束刀具沿導(dǎo)動線運(yùn)動，而導(dǎo)動線的投影可以定義刀具在加工曲面上的切觸點(diǎn)，還可以定義刀具中心軌跡，切觸點(diǎn)曲線由刀具中心軌跡隱 式定義.這就是說，切觸點(diǎn)曲線可以是曲面上實(shí)在的曲線，也可以是對切

34、觸點(diǎn)的約束 條件所隱含的“虛擬”曲線。3)刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)(cutter location data，簡稱為CL Data) 指準(zhǔn)確確定刀具在加工過程中每一位置所需的數(shù)據(jù)。一般來說，刀具在工件坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置可以用刀具中心點(diǎn)和刀軸矢量來進(jìn)行描述，其中刀具中心點(diǎn)可以是刀心點(diǎn)，也可以是刀尖點(diǎn)，視具體情況而定，如圖2.3 所示圖2.3 切觸點(diǎn)4)刀具軌跡曲線指在加工過程中由刀位點(diǎn)構(gòu)成的曲線，即曲線上的每一個點(diǎn)包含一個刀軸矢量。刀具軌跡曲線一般是由切觸點(diǎn)曲線定義刀具偏置計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)束存放于刀位文件(CL Data file)之中。5)導(dǎo)動規(guī)則指曲面上切觸點(diǎn)曲線的生成方法(如參數(shù)線法、截平面法)及一些有

35、關(guān)加工精度的參數(shù)，如步長、行距、兩切削行間的殘留高度、曲面加工的盈余誤差(outer tolerance)和過切誤差(inner tolerance)等。6)刀具偏置(tool offset) 指由切觸點(diǎn)生成刀位點(diǎn)的計(jì)算過程。2.3.3五坐標(biāo)側(cè)銑數(shù)控加工刀位計(jì)算基本原理 側(cè)銑加工所用的刀具包括圓柱形和錐形的平底棒銑刀、環(huán)形棒銑刀及球形棒銑刀。刀軸的方向選在加工曲面的平坦方向，以使加工帶寬度盡可能大。在此以鼓形刀為例闡述側(cè)銑數(shù)控加工的基本原理。如圖2 .4 所示，設(shè)加工表面參數(shù)方程為r(u,v)，其中為加工表面切觸點(diǎn)P處平坦方向的單位切向矢量，n為加工表面在P點(diǎn)處的單位法向矢量，f=n，將鼓形刀

36、的刀軸r沿方向放在P點(diǎn)的局部坐標(biāo)系中。設(shè)鼓形刀刀盤半徑為R，刀刃曲率半徑為Re刀刃長度為Le, ，和。分別為加工表面在P點(diǎn)處沿:方向和f方向的法曲率。則在P點(diǎn)的局部坐標(biāo)系中，依據(jù)微分幾何關(guān)系，鼓形刀刀盤方程為: (2-1)其中 = =加工表面的局部二階逼近方程為12: (2-2)其中L,M ,N 為加工表面在P點(diǎn)處以 u,v，為參數(shù)的第二類基本量，即: (2-3) (2-4) (2-5)設(shè)H為鼓形刀表面距加工表面的法向高度，即: (2-6)根據(jù)以上分析可得: (2-7)2.3.4幾種常用的棒鐵刀側(cè)銑數(shù)控加工刀位計(jì)算方法 為計(jì)算方便起見，在此以圓柱棒銑刀為例討論幾種常用的刀位計(jì)算方法.一、棒銑刀

37、側(cè)銑單點(diǎn)偏置法13所謂單點(diǎn)偏置法，是指取加工表面上較平坦參數(shù)線上的一點(diǎn)P為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。設(shè):為加工表面切觸點(diǎn)P處平坦方向的單位切向矢量，n為加工表面在P點(diǎn)處的單位法向矢量，計(jì)算原理如圖2.5所示: 圖2.5 棒 銑 刀 側(cè) 銑 單點(diǎn) 偏 置 法1.刀位計(jì)算方法如圖 2.5 所 示 ，棒銑刀側(cè)銑刀位計(jì)算如下:刀 心： (2-8) 刀軸矢量 : (2-9)擺刀平面法向矢量: (2-10)2.加工帶寬度與擬合誤差對于圓柱棒銑刀，= 0 ，由式(2-7)可得 (2-11)從而得到了以刀具表面與被加工表面之間的法向距離來衡量的擬合誤差的求解表達(dá)式。并將擬合誤差的求解問題轉(zhuǎn)化成了求解表達(dá)式(2-11)的最

38、小值的問題。對任給的，令 可得H為極小值 的條件為 極小值為 (2-12)1）當(dāng) 時，刀具在垂直于方向的各截面內(nèi)將不同程度的切入加工表面而發(fā)生過切， 為最大過切量，即擬合誤差。最大加工帶寬度估計(jì)公式為 其中此時，還應(yīng)限制刀具切削刃長度，使2） 時，刀具在垂直于方向的各截面內(nèi)將不同程度的離開加工表面而發(fā)生欠切，求得式(2-12)的最大值 ，即為最小加工余量，即擬合誤差，最大加工帶寬度估計(jì)公式為 其中此時，可使3.非可展直紋面的棒銑刀側(cè)銑加工方法 非可展直紋面使一類典型的側(cè)銑加工表面。從數(shù)學(xué)角度來說，非可展直紋面是直線掃描生成的曲面，但不能用半徑大于零的圓柱滾動包絡(luò)面形成，除非滾動圓柱半徑等于零。

39、因此，非可展直紋面的側(cè)銑采用的是近似加工方法。前面內(nèi)容對于棒銑刀側(cè)銑加工帶寬度與擬合誤差之間關(guān)系的分析是建立在微幾何的基礎(chǔ)上，然而在實(shí)際的情況下，完全基于微分幾何的描述并不能反應(yīng)加工表面的真實(shí)情況。在此，以解析幾何為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。設(shè)直 紋 面 方程為: 且，即直紋面的直母線方向?yàn)槠錅?zhǔn)線的主法線方向。直紋面為非可展直紋面的充要條件為: 刀具與加工表面的擬合關(guān)系如圖2.6所示。圖2.6 非可展直紋面棒銑刀側(cè)銑單點(diǎn)偏置為了估算刀具兩端對加工表面的過切誤差，按下式求出夾角: (2-13)進(jìn)而求得最大過切量為: (2-14) 其中，R為刀具半徑。經(jīng)分析可知，單點(diǎn)偏置法求得的棒銑刀側(cè)銑非可展直紋面的擬合誤

40、差分布如圖2.7所示:圖2.7 補(bǔ)償前的誤差分布 圖2.8 補(bǔ) 償后的誤差分布若所使用的刀具為錐形棒銑刀，則直徑較大一端的最大過切誤差為: (2-15)直徑較小一端的最大過切誤差為： (2-16)為了減小加工誤差，使其相對均勻分布，可采用軸線移動方法進(jìn)行處理，即使計(jì)算刀心C沿加工表面外法向矢量方向偏移，偏移量為 ，從而實(shí)現(xiàn)對擬合誤差的補(bǔ)償。補(bǔ)償后的擬合誤差分布如圖2.8所示。二、棒銑刀側(cè)銑雙點(diǎn)偏置法：雙點(diǎn)偏置法是非可展直紋面棒銑刀側(cè)銑加工中有一種比較常用的刀位計(jì)算方法，具體的做法是在加工表面的直母線上任取兩點(diǎn)為計(jì)算依據(jù)，使其分別沿加工表面的外法向矢量方向偏置一個與刀具半徑相等的距離，將偏置后的

41、兩點(diǎn)的連線矢量作為刀軸方向。示意圖如2.9，其中A, B為加工表面直母線上的兩點(diǎn)，A, B分別為其偏置后的對應(yīng)點(diǎn)。圖2.9 雙點(diǎn)偏置法刀位計(jì)算原理1 刀位計(jì)算方法如圖2.10所示，棒銑刀側(cè)銑刀位計(jì)算如下:刀 心 : (2-17)刀軸矢量: (2-18)擺刀平面法向矢量: (2-19) 圖2.10 雙點(diǎn)偏置法擬合誤差分析2雙點(diǎn)偏置法擬合誤差分析 將加工表面的直母線四等分，等分點(diǎn)分別為A,B ,P 。幾何關(guān)系原理如圖2.10所示。由圖2.10可以看出，最大過切誤差發(fā)生在A, B兩點(diǎn)的中點(diǎn)P處，且 (2-20) 其中: =(u)為直紋面的準(zhǔn)線方程，=(u)為直紋面的直母線方程。 如 圖 2.10所示

42、; (2-21)在截面1-1中，刀具橢圓方程為： (2-22)加工表面在A點(diǎn)的法向矢量通過，與刀具橢圓交于A，A點(diǎn)橢圓坐標(biāo)關(guān)系為： (2-23)代入刀具橢圓方程可得: (2-24)從而可求得偏置點(diǎn)A, B兩點(diǎn)處的加工誤差為: (2-25) 由式( 2-23)可得，此式須作為切削條件予以保證，故有即在A, B兩點(diǎn)處存在過切誤差，進(jìn)而可知刀具與加工曲面之間的接觸線上A, B兩點(diǎn)之間的區(qū)域均存在過切誤差，且最大誤差發(fā)生在中點(diǎn)位置。 接下來分析C,D 兩點(diǎn)的加工誤差。如圖2.10 所示： (2-26)其中 ，為直紋面的準(zhǔn)線方程，)為直紋面的直母線方程。在截面2-2中，D點(diǎn)的橢圓坐標(biāo)滿足，代入橢圓方程可

43、得: (2-27)進(jìn)而可得: (2-28)從而，C, D兩點(diǎn)的加工誤差為: (2-29)3. 雙點(diǎn)偏置法的擬合誤差優(yōu)化計(jì)算方法與單點(diǎn)偏置法類似，為了減小加工誤差，使加工誤差分布相對比較均勻，計(jì)算刀心 可進(jìn)一步沿加工表面在P處的外法向矢量方向偏移一個距離，并使刀軸矢量保持不變，從而實(shí)現(xiàn)對擬合誤差的補(bǔ)償。表達(dá)式的求解過程如下: (2-30)在C, D兩點(diǎn)，有: (2-31)令： ，則： (2-32)經(jīng)過優(yōu)化偏置處理后的雙點(diǎn)偏置法擬合誤差如圖2.11 所示。圖2.11 雙點(diǎn)偏置法優(yōu)化偏置后的擬合誤差分布 球形刀五坐標(biāo)端銑加工刀位計(jì)算方法14 球形刀五坐標(biāo)端銑加工主要應(yīng)用于某些狹窄通道及在Z坐標(biāo)方向不

44、單調(diào)的某些曲面（如圖2所示）的銑削加工，其刀心計(jì)算方法與三坐標(biāo)加工計(jì)算方法基本相同。不同的是，五坐標(biāo)加工刀軸可根據(jù)加工表面的臨界線或約束面進(jìn)行控制，保證刀軸不與加工表面及約束面發(fā)生干涉或碰撞。下面主要介紹球形刀五坐標(biāo)端銑加工的刀軸控制計(jì)算方法。1、 刀軸臨界線控制計(jì)算方法如圖2.12所示，在擺刀平面內(nèi)，已知刀心，擺刀平面與臨界線的交點(diǎn)公式（稱為臨界點(diǎn)）為Q，顯然刀具可繞轉(zhuǎn)動一定的角度而不影響曲面的加工。設(shè)刀桿為錐柄，半錐角為/2，刀具半徑為R，在不發(fā)生干涉的情況下，臨界點(diǎn)在刀軸上的投影為Q，記的長度為L，的長度為DL，則 （2-33）求得DL后，可進(jìn)一步求得角： （2-34）實(shí)際應(yīng)用中，可令。

45、從而可求得Q點(diǎn)的坐標(biāo)及刀軸矢量。 圖2.12 球形刀端銑刀軸臨界線控制 圖2.13 球形刀端銑刀軸約束面控制2、 刀軸約束面控制計(jì)算方法在存在約束面的情況下，刀軸控制相對要復(fù)雜一些。其方法是在擺刀平面與加工表面及所有約束面的交線，并求出各約束面上的臨界點(diǎn)，找出有效臨界點(diǎn)（最多兩個）和；過刀心求作的對角平分線，此對角平分線即為刀軸，如圖2.13所示（如果只有一個臨界點(diǎn)的話，可采用上述臨界線控制計(jì)算方法）。3.1 概述 整體葉輪作為透平機(jī)械的關(guān)鍵零件，經(jīng)常運(yùn)行于高旋轉(zhuǎn)速度情況下，對制造要求的水平非常高，制造質(zhì)量對葉輪的性能有著重要的影響。為了獲得理性的動力學(xué)特性，整體葉輪葉片大都采用大扭角，根部變

46、圓角等結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對于銑削加工非常困難。同時，葉片曲面制造質(zhì)量要求非常高，葉輪葉片又比較薄，制造中會出現(xiàn)大量的工藝問題，因此要制造出與設(shè)計(jì)要求相符的葉輪，不僅要有良好的制造方法，還要有良好的工藝保證。3.2 整體葉輪葉片結(jié)構(gòu)工藝分析 整體葉輪主要又葉片，輪轂兩部分組成，如圖3.1所示，其中葉片和輪轂交界處（即葉根），由于葉輪氣動性的需要常加工為變圓角過渡。 圖3.1 葉輪模型 整體葉輪加工難點(diǎn) 為了使葉輪滿足氣動性要求，葉輪常采用大扭角，根部變圓角等結(jié)構(gòu)，這給葉輪的加工提出了更高的要求，整體葉輪加工難度如下15； 1、整體葉輪加工槽道變窄，而葉片相對較長，相對剛度低，是種典型的薄壁類零件

47、，加工過程中極易發(fā)生變形，使得整體葉輪加工難度增加。 2、在葉片距最小處，深度較大。在小刀徑情況下，刀具剛性差，容易斷。同時控制切削深度也是關(guān)鍵。 3、 葉輪曲面為自由曲面，流道窄、葉片扭曲嚴(yán)重，并且有后仰的趨勢，加工時極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。有些葉輪由于有副葉片，為了避免干涉，要分段加工曲面，因此保證加工表面的一致性也有一定困難。 因此，為了加工合格的整體葉輪，必須綜合考慮整體葉輪的葉片薄壁、大扭角、小刀徑的特點(diǎn)，為規(guī)劃出一套合理的加工方案做好準(zhǔn)備。 整體葉輪加工技術(shù)要求 整體葉輪零件的技術(shù)要求內(nèi)容與常規(guī)零件一樣，它包括尺寸、形狀、位置、粗糙度等幾何方面的技術(shù)要求，也包括機(jī)械，物理，化學(xué)性

48、能等方面的技術(shù)要求。后者主要取決于毛坯的結(jié)構(gòu)材料，也受加工工藝方法的影響。葉片的幾何工藝近似于標(biāo)準(zhǔn)件的技術(shù)要求16。 葉輪葉片部分的光順性是整體葉輪氣動性能的關(guān)鍵，截面間的型面平滑過渡，由于已經(jīng)在UG的建模過程中，考慮到葉片流線特性，整體葉輪模型具有很好的光順性，另外葉身的表面紋理力求統(tǒng)一，統(tǒng)一的流水線是最好的表面紋理，它限制了走刀方向，一定程度上限制了加工的刀路軌跡。為了防止震動并降低噪聲，整體葉輪對動平衡性要求很高17，因此在加工過程中要綜合考慮葉輪的對稱問題，在進(jìn)行CAM編程時可利用葉片，通道等關(guān)于葉輪旋轉(zhuǎn)軸的對稱性的加工表面，可采用通過加工其中一個元素來完成其它元素的加工。另外，也要盡

49、可能地減少由于裝夾或換刀所引起的誤差。3.3 整體葉輪加工工藝規(guī)劃 整體葉輪加工階段劃分 在葉輪加工過程中，需要加工的表面主要劃分為流道、葉片、和圓角曲面三部分。另外在葉片之間有大量的材料需要去除，由于每個表面的加工要求都有所不同，因此在安排工序時，為了保證葉輪葉片的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性和加工可行性，要遵循工序集中、基準(zhǔn)先行，先粗后精、先主后次、分面加工和先面后孔的工藝原則。根據(jù)上述工藝原則，將整體葉輪的加工劃分為來年感階段：粗加工和精加工，粗加工的任務(wù)是盡快切除大量整體葉輪各個表面多余的材料，加工出整體葉輪過渡毛坯和葉輪基本形狀，如圖3.2。另外可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置半精加工工序以平滑粗加工六下的粗糙表面，為精加工做好準(zhǔn)備。這兩個階段是整體葉輪加工的關(guān)鍵階段，它主要保證葉片尺寸精度、形狀精度、位置精度和表面粗糙度。葉輪在精加工后基本成形，精加工階段的任務(wù)是獲得要求的加工精度和表面質(zhì)量。對于零件的粗、精加工可以放在同一臺五軸數(shù)控加工中心上完成。提高加工效率，縮短加工時間。 （a）過渡毛坯的粗加工 （b）葉輪流道粗加工 圖3.2 整體葉輪粗加工刀路軌跡 (a)過