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1、毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告题目 三元整体叶轮的五轴加工刀具轨迹规划 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 068105302学 生 姓 名 聂 群指 导 教 师 于 斐填 表 日 期 2010 年 3 月 1 日一、一、 选题的依据及课题的意义选题的依据及课题的意义 叶轮机械广泛地用于能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业，在国民经济和国防事业中发挥着巨大作用。据原机械工业部统计资料表明，压缩机、鼓风机、通风机和水泵在各行业的装机容量占全国发电总量的三分之一叶轮机械是一个综合性很强的学科，涉及到气动、加工、强度、振动等方面，范围广，内容多。近几十年来，随
2、着计算机及数值计算理论的发展，叶轮的设计理论取得了可喜的成绩。采用三元叶轮设计理论使得内部流动更加符合流体的实际流动过程，性能得到大幅度的提高。与之相适应，三元叶轮由于空间形状的复杂性以及对强度的高要求使其对加工制造提出了更高的要求。本设计利用 UG 软件对三元整体叶轮进行仿真设计，得到叶轮主要部分的NC 程序，并对其刀具轨迹进行规划。利用 UG 软件，实际上就是采用逆向工程的方法进行设计工作。逆向工程技术（RE），也称逆向工程、反求工程，是在没有产品原始图样、文档的情况下，对产品实物进行测量和和工程分析，经CAD/CAM/CAE 软件进行数据处理，重构几何模型，并生成数控程序，由数控机床重新
3、加工复制产品的过程。根据叶片的几何形状，可将叶轮分为具有直纹面叶片的叶轮和具有任意曲面叶片的叶轮。对于曲面加工，最早是采用放样法，这种古老的方法速度慢，精度低，需要熟练的技工完成。采用毛坯铸造，叶片的厚度不能太薄，且精度很难保证，叶轮动平衡性能差。电火花加工技术也可用于叶轮的加工，但是其成本高。利用CAD/CAM技术，在数控机床上加工被认为是加工叶轮的最好方法。整体叶轮的数控加工离不开自动编程，在自动编程方面，整体叶轮的刀具路径的规划是个关键，刀具轨迹的生成能力直接决定数控编程系统的功能及所生成的加工程序质量。能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。因此选此课题进行设计与研究
4、。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）1. 国内外叶轮数控加工的研究现状早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标 NC 加工成型的方法加工叶轮，尤其是国防工业中所用的关键叶轮，如火箭发动机的转子、风扇，飞机发动机的涡轮等。目前都已采用多坐标数控机床加工。国内所用的机床大多是引进的具有国际先进水平的四、五轴联动数控机床。叶轮数控加工方法大致分为两大类：点铣法和侧铣法1。点铣法是指用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀，加工一个叶片需走刀 50 一 200 次，逐渐加工出叶片
5、曲面，主要用于叶身是自由曲面的叶片。我国航天用的转子、风扇等叶片都采用点铣法。利用这种方法加工出的叶片能够较精确地符合叶片设计型面的要求，精度较高，而且加工走刀方向和设计流线方向相同，对叶轮运行时的动力性能有利。但是其最显著的缺点为加工效率低下。而且，这种点铣的切削方式，只有刀具头部一点或一圈切削刃参加切削，刀具磨损严重，需要经常换刀及重磨刀具，生产成本进一步增加。第二种是侧铣法。现在国内效率较高的叶轮叶片加工方法是分片侧铣法2。分片侧铣是指把叶片按加工特征和工艺要求把叶片分成若干片，用侧铣的方法加工叶片。这种方法是利用加工误差来控制分片数，理论上分片越多，叶片与刀具的接触线越短，加工精度就越
6、高。采用分段侧铣的方法,生成的刀位轨迹刀轴矢量变化均匀,刀轴未发生干涉,且加工效率和加工质量明显得到提高。著名机床公司意大利 C.B，Frar 公司采用端铣刀螺旋加工叶片获得了用户的好评。高速螺旋铣方法不仅加工效率高，而且很好的保证了叶片的表面质量。不足之处是该系列机床价格昂贵，并且设置一些技术壁垒。在目前的 CAM 软件如 UGII、Pro/E 等中还没有可用于叶片实际加工的螺旋加工算法。我国西北工业大学的仵高升3对该高速螺旋铣方法进行了研究，提出了叶片四五轴螺旋加工刀位计算方法，并初步研究了螺旋铣在开式整体叶盘加工中的应用。但该方法受到叶片螺旋铣的加工工装设备的限制，目前的工装无法实现螺旋
7、加工。因此仍然没有完成整个实体叶片的加工，还处以仿真阶段。2. 国内外刀位轨迹生成方法研究现状华东理工大学的汤进硕士4提出了一种基于等参线裁剪的刀具轨迹规划算法，此方法首先要再将两条等参线按给定的覆盖精度离散成一个覆盖点序列，接着建立两点列间各点的拓扑关系，然后沿参数线方向顺次计算每一对拓扑关系所对应的邻接距离，得到一个邻接距离序列。最后按照加工精度的要求对等参线上的覆盖点进行筛选，从而优化刀位轨迹。该算法在满足指定精度的情况下优化刀具轨迹，显著提高效率。但该算法受到覆盖精度、步长控制精度的约束，应用起来不方便。哈尔滨工业大学的王知行教授5提出了一种新的数控加工刀具轨迹生成算法自适应等参数曲线
8、，通过提出了等参数曲线插入条件,使该算法的实施成为可能。该算法具有等参数线法生成刀具轨迹简单的优点,同时克服了用等参数线法生成刀具轨迹可能产生的刀具轨迹冗余的缺点。这种方法适用于网格比较规整的曲面加工。刘雄伟教授6.7提出了两种刀位计算方法，单点偏置法和双点偏置法。单点偏置法就是使刀轴方向同直母线平行，沿着直母线中点法矢方向做距离为刀具半径的等距点，得到刀轴上一点。双点偏置法是把同一条直母线上 1/4 和 3/4 处的两点都沿着各自的法矢方向做距离为刀具半径的等距点，得到两个点，连接这两点就得到了刀轴方向矢量。南京航空航天大学的硕士王孜孜8在“截平面法加工刀轨算法的研究与实现”一文中对截平面法
9、加工刀轨算法进行了研究，该方法虽然保证了刀具轨迹呈现在几何空间内的距离相等,但一般情况下在不同位置处的残留高度并不相等,平行平面的间距只能根据最大残留高度来决定,因而有时加工效率较低。北京工业职业技术学院的唐正清教授9以切削力波动小，表面质量精度高为优化目标对数控加工的几种刀具运动轨迹进行了比较，指出了回转截平面法是数控铣削刀具运动轨迹优化最不可取的优化方法。上海交通大学的博士后谢叻10于 2000 年在“自由曲面自适应投影法精加工刀轨生成”一文中提出并实现了适合于组合自由曲面整体加工的一种刀轨生成算法自适应投影法，该算法将加工曲面离散成三角化模型,在三角化模型中直接生成无干涉刀位轨迹，刀轨生
10、成与刀轨干涉处理统一在一个算法中。根据曲面的形状规划刀轨,使刀轨的行距能够随曲面的倾斜程度而调整,有效地解决了组合曲面加工编程中曲面之间存在断开、裂缝、局部搭接现象,提高了加工效率和精度。但刀轨计算基于三角化模型，用三角片近似表示原曲面，因此该方法受到离散精度的限制，应用不广泛。根据五轴数控机床的特点，王小椿教授111992 年提出了用于五轴加工的密切曲率法。该方法采用端面为内锥面的端铣刀加工自由曲面，在加工的每一行程中让刀具轴线相对于工件按特定的规律摆动，使得在垂直于进给方向的法截面中，刀尖轨迹形成的包络面与理论曲面达到三阶密切，从而在保持精度不变的前提下，使实际行程次数大幅度减少。1995
11、 年，西安交通大学博士张瑞乾在“用密切曲率法加工自由曲面及其刀位轨迹的排列”一文中12，证明了此方法大幅度减少了走刀次数，增加了切削宽度，提高了加工效率。但该算法主要针对端铣刀提出的行距、步长计算，其算法在其它铣刀上的应用还有待进一步的研究。近年来，等残留高度法广泛应用在刀位轨迹的生成中。等残留高度法是通过控制相邻轨迹间的距离使得轨迹间的残留高度不变，从而在已知一条加工轨迹、刀具半径和允许残留高度的前提下，计算出下一条刀具轨迹。这种方法考虑了曲面形态的不同，使轨迹间的残留高度达到最大，提高了加工效率，改善了加工质量。华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心的杨德武13等人探讨了基于主曲率匹配的
12、五坐标刀位轨迹优化算法，并且把该算法应用在了水轮叶片加工上，实践证明，这种方法能够优化刀位轨迹，提高加工效率。西北工业大学的霍颖和杨茂奎教授14提出了一种判别曲面凹凸性的新算法，该方法利用微分几何“法截线”的性质进行判别。还指出了现有求取刀轴倾角方法存在的问题，提出了一种“逐步寻优”求取刀轴倾角的新算法，通过实例验证了“用改进的等残留高度法生成五轴NC加工刀位轨迹基于主曲率匹配的等残留高度法”的实用性。本文提出的“逐步寻优”的求取刀轴倾角的方法克服了现有方法的缺陷，且计算简单，效率高。 H.-T.Young15等人提出了粗加工叶片的算法，采用侧铣加工方法，利用U-V 参数计算刀触点的位置，然后
13、把所计算的刀触点连接起来就形成了基本的刀具路径，同时还要考虑刀轴矢量，并且提出叶片粗加工要考虑各种因素，如残余高度、切削深度等。Jung-Jae Lee 和 Suk-Hwan Suh16对扭曲直纹面的侧铣加工提出了一种无干涉刀具路径规划方法，给出了控制刀轴的旋转方向和旋转角度及步长的计算，该方法提高了侧铣加工的效率，并且通过加工叶轮实例验证了该方法可以应用到球头铣刀侧铣直纹面的刀具轨迹生成中。 三、研究内容及实验方案三、研究内容及实验方案本论文以三元整体叶轮五轴数控加工的刀位规划、刀位计算方法等为核心内容，基于 UG/CAM 对整体叶轮的五轴数控加工刀具加工路径进行研究，主要内容包括:1. 三
14、元整体叶轮的数控加工工艺分析2. 研究多坐标数控加工刀具轨迹规划方法3. 在 UG 的 VARIABLE-CONTOUR 中，生成三元整体叶轮的刀具轨迹4. 三元整体叶轮加工刀路的模拟四、目标、主要特色及工作进度四、目标、主要特色及工作进度目标：（1）完成整体叶轮刀具轨迹生成工艺分析（2）完成基于 UGNX4.0 整体叶轮叶片的刀具路径生成（3）完成整体叶轮叶片加工的刀具干涉与刀位修正特色：利用 UG 软件对三元整体叶轮进行仿真设计，得到叶轮主要部分的 NC程序，并对其刀具轨迹进行规划。工作进度：1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（6000 字符） 3.13.19 3 周2. 三元整体叶轮的数
15、控加工工艺分析 3.224.9 3 周3. 多坐标加工刀具轨迹规划方法研究 4.125.7 4 周4. 生成三元整体叶轮的刀具轨迹和刀路模拟 5.106.4 4 周5. 撰写毕业论文 6.76.25 3 周6. 答辩准备及毕业答辩 6.287.2 1 周五、参考文献五、参考文献1.陈晧晖,刘华明,孙春华.国内外叶轮数控加工发展现状.航天制造技术.2002(2).4548.2.孙春华.分片侧铣加工整体叶轮刀位轨迹的生成.河海大学学报.2004,32(4)459462. 3.仵高升.卜昆.叶片类零件多轴数控加工中的刀位计算及程序优化研究.中国优秀硕士学位论文全文数据库.2004.4.汤进.罗宏志.周济.一种基于等参线裁剪的刀具轨迹规划算法.华中理工大学学报.2000,28(4)1416. 5.王知行,王哲.一种新的数控加工刀具轨迹生成算法的研究.机械设计.2000,(11)2022.6.刘雄伟.数控加工理论与编程技术.M.机械工业出版社,2000.7.Xiong-Wei,Liu.Five-axis NC cylindrical milling of sculptured surfaces.Compute-adied Desig
