轉(zhuǎn)輪葉片是水輪性能量轉(zhuǎn)換的關(guān)頭部件，也是最難加工的零件，今朝多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工是解決該類年夜型雕塑曲面零件最有用的加工方式。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程則是實(shí)現(xiàn)其高精度和高效率加工的最重要環(huán)節(jié)。本文介紹年夜型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工年夜型雕塑曲面編程中觸及到轉(zhuǎn)輪葉片三維造型、刀位軌跡計(jì)較、切削仿真、機(jī)床運(yùn)動(dòng)碰撞仿真、后置變換等關(guān)頭技術(shù)。經(jīng)由過(guò)程對(duì)這些技術(shù)的鏈接和研究，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了年夜型葉片的多軸聯(lián)動(dòng)加工。1、引言水輪機(jī)是水力發(fā)電的原念頭，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的制造轉(zhuǎn)輪的優(yōu)劣對(duì)水電站機(jī)組的平安、靠得住性、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行有著龐大的影響。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片長(zhǎng)短常復(fù)雜的雕塑面體。在年夜中型機(jī)組制造工藝上，持久以來(lái)采用的“砂型鑄造――砂輪鏟磨――立體樣板檢測(cè)”的制造工藝，不能有用地保證葉片型面的準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量。今朝采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)今機(jī)械加工中的尖端高技術(shù)。年夜型復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工編程則是實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化制造的最重要的技術(shù)根蒂根基，其數(shù)控編程技術(shù)是一個(gè)數(shù)字化仿真評(píng)價(jià)及優(yōu)化進(jìn)程。其關(guān)頭技術(shù)包括：復(fù)雜外形零件的三維造型及定位，五軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡計(jì)劃和計(jì)較，加工雕塑曲面體的刀軸控制技術(shù)，切削仿真及干與檢驗(yàn)，和后處置技術(shù)等。年夜型復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)使雕塑曲面體轉(zhuǎn)輪葉片的多軸數(shù)控加工成為可能,這將年夜年夜推動(dòng)我國(guó)水輪機(jī)行業(yè)的成長(zhǎng)和前進(jìn)，為我國(guó)水電裝備制造業(yè)向著進(jìn)步前輩制造技術(shù)成長(zhǎng)奠基根蒂根基。2、年夜型水輪機(jī)葉片的多軸數(shù)控加工編程進(jìn)程年夜型復(fù)雜曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程比普通零件編程要復(fù)雜得多，針對(duì)水輪機(jī)葉片體積年夜而且型面曲率變化年夜的特點(diǎn)，經(jīng)由過(guò)程分析加工要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，肯定加工方案，選擇合適的機(jī)床、u刀具/u、夾具，肯定合理的走刀線路及切削用量等；建立葉片的幾何模子、計(jì)較加工進(jìn)程中的u刀具/u相對(duì)葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，然落后行葉片的切削仿真和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真，頻頻修改加工參數(shù)、刀具參數(shù)和刀軸控制方案，直到仿真成效確無(wú)干與碰撞發(fā)生，則依照機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可接受的法式花式進(jìn)行后處置，生成葉片加工法式。其具體編程進(jìn)程如圖1所示。palign=center圖1年夜型混流式葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程流程
2．1水輪機(jī)葉片的三維幾何建模水輪機(jī)葉片是由多張雕塑體曲面組成的曲面零件，是不能用解析方程界說(shuō)這些曲面的。為了知足葉片設(shè)計(jì)的流體動(dòng)力學(xué)特征要求，我們采用NURBS曲面迫近方式進(jìn)行曲面造型。對(duì)于混流式葉片這一復(fù)雜雕塑曲面體由正面、后背、與上冠相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、與下環(huán)相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、進(jìn)水邊曲面、出水邊曲面、進(jìn)水邊頭部曲面等組成；軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、后背，進(jìn)水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面和柱面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、后背的過(guò)度曲面等組成。由于葉片沿流面描寫的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)量太年夜，可編寫一個(gè)Grip法式讀進(jìn)這些三維坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)于混流式葉片采用雙三次多補(bǔ)片曲面片經(jīng)由過(guò)程自由形式特征的經(jīng)由過(guò)程曲線的方式進(jìn)行曲面造型，如圖2所示。而軸流式葉片的正、后背是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)，編寫一個(gè)法式將型值點(diǎn)按圓柱截面讀進(jìn)，并轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，沿圓柱截面線作NURBS曲線，然后放樣（LOFT）生成葉片的正、后背曲面，在此根蒂根基上，再造型出其他曲面實(shí)現(xiàn)葉片的三維幾何造型，如圖3所示。葉片的毛坯外形可從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行偏置計(jì)較處置，或從三維丈量獲得的點(diǎn)云集方式肯定對(duì)葉片的各個(gè)曲面劃分進(jìn)行NURBS曲面造型，并縫合成實(shí)體。palign=center圖2混流式葉片三維造型圖3軸流式葉片三維造型
2．2葉片加工工藝計(jì)劃加工方案和加工參數(shù)的選擇決議著數(shù)控加工的效率和質(zhì)量。水輪機(jī)葉片長(zhǎng)短常復(fù)雜的雕塑曲面體，針對(duì)混流式水輪機(jī)葉片我們憑據(jù)要加工葉片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)選擇年夜型龍門移動(dòng)式五坐標(biāo)數(shù)控銑鏜床，憑據(jù)三點(diǎn)定位原理經(jīng)年夜量的研究分析，決議在加工后背是采用通用的帶球形的可調(diào)支持，配以葉片焊接的定位銷對(duì)葉片定位，在葉片上焊接需要的工藝塊，采用一些通用的拉緊裝配來(lái)裝夾。加工正面時(shí)，采用在加工后背時(shí)配合銑出的和后背型面完全一致的胎具，將葉片后背放進(jìn)胎具，哄騙焊接的工藝塊進(jìn)行調(diào)整找正，依然采用通用的拉壓裝配進(jìn)行裝夾。由于葉片有多張曲面組合而成,為領(lǐng)會(huì)決加工進(jìn)程中的碰撞問(wèn)題，我們可采用沿流線走刀，對(duì)于葉片的正后背進(jìn)行分區(qū)域加工，憑據(jù)曲面遍地曲率的分歧采用分歧直徑的刀具、分歧的刀軸控制方式來(lái)加工。對(duì)每一個(gè)面一般分屢次粗銑和一次精銑。在機(jī)床與工件和夾具不碰撞和干與情況下，盡量采用年夜直徑曲面銑刀，以提高加工效率。葉片正后背我們選用刀具直徑Φ150曲面面銑刀粗銑、Φ120曲面面銑刀精銑，葉片頭部曲面采用Φ80的曲面面銑刀加工，出水邊采用Φ80螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑。憑據(jù)后續(xù)仿真情況頻頻做刀位編纂，以追求合理的加工方案。在知足加工要求、機(jī)床正常運(yùn)行和一定的刀具壽命的條件下盡量的提高加工效率。2．3葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工刀位軌跡的生成針對(duì)年夜型水輪機(jī)葉片各曲面的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的刀位軌跡計(jì)劃和計(jì)較，是使所生成的刀位軌跡無(wú)干與、無(wú)碰撞、穩(wěn)定性好、編程效率高的關(guān)頭。由于五軸加工的刀具位置和刀具軸線標(biāo)的目的是變化的，是以五軸加工的是由工件坐標(biāo)系中的刀位點(diǎn)位置矢量和刀具軸線標(biāo)的目的矢量組成,刀軸可經(jīng)由過(guò)程前傾角和傾斜角來(lái)控制，因而我們可憑據(jù)曲面在切削點(diǎn)處的局部坐標(biāo)計(jì)較出刀位矢量和刀軸矢量。從加工效率、概況質(zhì)量和切削工藝性能來(lái)看，選擇沿葉片造型的參數(shù)線作為銑削加工的標(biāo)的目的分屢次粗銑和一次精銑，然后劃分加工區(qū)域，界說(shuō)與機(jī)床有關(guān)的參數(shù)，憑據(jù)以上所選葉片的加工部位、裝夾定位方式、機(jī)床、刀具及切削參數(shù)和余量散布情況將葉片分為多個(gè)組合面劃分進(jìn)行加工。經(jīng)由過(guò)程對(duì)曲面曲率的散布情況的分析對(duì)于分歧的區(qū)域采用分歧的面銑刀。粗加工給出每次加工的余量，精加工采用統(tǒng)一直徑的銑刀，憑據(jù)粗拙度要求給定殘余高度，憑據(jù)具體情況選擇切削類型、切削參數(shù)、刀軸標(biāo)的目的、進(jìn)退刀方式等參數(shù)生成刀位軌跡?？墒菍?duì)于像葉片這樣的曲率變化很年夜而又不平均的雕塑曲面零件我們還要憑據(jù)情況作年夜量的刀位編纂，而且必需進(jìn)一步經(jīng)由過(guò)程切削仿真做干與和碰撞檢查修改和編纂刀軌。數(shù)控加工仿真經(jīng)由過(guò)程軟件模擬加工情況、刀具路徑與材料切除進(jìn)程來(lái)檢驗(yàn)并優(yōu)化加工法式，在計(jì)較機(jī)上仿真驗(yàn)證多軸聯(lián)動(dòng)加工的刀具軌跡，輔助進(jìn)行加工刀具干與檢查和機(jī)床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工進(jìn)程，可年夜年夜地下降制造成本，并縮短研制周期，避免加工裝備與葉片和夾具等的碰撞，保證加工進(jìn)程的平安。加工零件的NC代碼在投進(jìn)現(xiàn)實(shí)的加工之前凡是需要進(jìn)行試切，水輪機(jī)葉片長(zhǎng)短常復(fù)雜的雕塑曲面體，開發(fā)哄騙數(shù)控加工仿真技術(shù)是其成功采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的關(guān)頭。在此，我們首進(jìn)步前輩行工藝系統(tǒng)分析，明確機(jī)床CNC系統(tǒng)型號(hào)、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動(dòng)原理和機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)，用三維CAD軟件建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件和固定部件的實(shí)體幾何模子，并轉(zhuǎn)換成仿真軟件可用的花式，然后建立刀具庫(kù)，在仿真軟件中新建用戶文件，設(shè)置所用CNC系統(tǒng)，并建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)模子，即部件樹，添加各部件的幾何模子，并準(zhǔn)肯定位，最后設(shè)置機(jī)床參數(shù)。接下來(lái)將葉片模子變換到加工位置計(jì)較出刀具軌跡，再以此軌跡進(jìn)行葉片切削進(jìn)程、刀位軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)仿真。這樣就能夠清晰的監(jiān)控到葉片加工進(jìn)程中的過(guò)切與欠切、刀桿和聯(lián)接系統(tǒng)與葉片、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件與葉片和夾具間的干與碰撞，從而保證了數(shù)控編程的質(zhì)量，削減了試切的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了編程的一次成功率，縮短了產(chǎn)物設(shè)計(jì)和加工周期，年夜年夜提高生產(chǎn)效率，如在數(shù)控加工行業(yè)進(jìn)行推行，可發(fā)生龐大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。軸流式葉片的機(jī)床加工仿真如圖4所示，混流式葉片的機(jī)床加工仿真如圖5所示。palign=center圖4軸流式葉片的機(jī)床加工仿真圖5混流式葉片的機(jī)床加工仿真
2．5葉片刀位軌跡的后置處置后置處置使數(shù)控編程的一個(gè)重要內(nèi)容，它將我們前面生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合具體機(jī)床的數(shù)據(jù)。后處置最基本的兩個(gè)要素就是刀軌數(shù)據(jù)和后處置器。我們應(yīng)首先領(lǐng)會(huì)龍門移動(dòng)式五坐標(biāo)數(shù)控銑鏜床的結(jié)構(gòu)、機(jī)床配備的附屬裝備、機(jī)床具有的功能及功能實(shí)現(xiàn)的方式和機(jī)床配備的數(shù)控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)的NC編程包括功能代碼的組成、寄義。然后運(yùn)用通用后置處置器導(dǎo)向模板，憑據(jù)以上掌握的常識(shí)，開發(fā)定制專用后置處置器。然后將我們已得刀位源文件進(jìn)行輸進(jìn)轉(zhuǎn)換成可控制機(jī)床加工的NC代碼。3、竣事語(yǔ)復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程是一觸及到眾多領(lǐng)域常識(shí)的復(fù)雜流程，是數(shù)字化仿真及優(yōu)化的進(jìn)程。本文介紹的年夜型水輪機(jī)葉片的多軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)，已用于工程現(xiàn)實(shí)年夜型葉片的數(shù)控編程中，實(shí)現(xiàn)了年夜型轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀位軌跡計(jì)較和加工仿真，保證了后續(xù)數(shù)控加工的質(zhì)量和效率，已作為年夜型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的編程工具用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中。參考文獻(xiàn)：[1]賴喜德?年夜型軸流式水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)[J]?CAD/CAM，2000.3[2]賴喜德?年夜型“X”混流式水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)[J]?軍工自動(dòng)化，2000.No.4[3]賴喜德?年夜型水輪機(jī)葉片計(jì)較機(jī)三維造型及仿真加工[D]?中國(guó)科協(xié)第三屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出書社，1998.8[4]賴喜德，王貞開?混流式轉(zhuǎn)輪葉片三維造型及仿真技術(shù)[D]?第13次中國(guó)水電裝備學(xué)術(shù)計(jì)議會(huì)論文集，中國(guó)黑龍江出書社，1997.9[5]喻道遠(yuǎn)，鐘建琳，熊壯，段正澄?空間自由曲面數(shù)控編程中刀位軌跡的計(jì)較方式及存在的問(wèn)題[J]?機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化1997.19（1）：21－27[6]KazuakiIwata,MasahikoOnosato,etal.VirtualManufacturingsystemsasAdvancedInformationInfrastructureforIntegratingManufacturingResourcesandActivities,[J]CIRPAnnals,1997.1(46)[7]Y.S.Lee.Mathematicalmodelingusingdifferent
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