1 目 錄 1 前言 1 1.1 選題的依據及意義 1 1.2國內外研究概況及發展趨勢 1 1.3研究內容及實驗方案 3 1.4論文主要工作 3 2 自由曲面零件五坐標數控加工基礎 4 2.1 基本概念 4 2.2 自由曲面五坐標數控加工的刀軸控制方式 5 2.3 五坐標聯動數控加工的成型方式 6 3 螺旋槳數控加工工藝分析 7 3.1.選擇材料和確定毛坯 7 3.2 選擇定位基準 7 3.3 擬定加工路線 7 3.4 確定工序具體內容 8 3.5 確定加工坐標系 9 3.6 刀具類型及參數 10 3.7 切削參數 14 4 螺旋槳加工刀具軌跡規劃和刀路模擬 16 4.1 螺旋槳粗加工刀位計算方法與刀具路徑規劃 16 4.2 螺旋槳精加工研究及刀路軌跡規 劃 20 4.2.1 螺旋槳槳葉精加工刀位規劃 21 4.2.2 輪轂加工的刀位規劃 24 4.3 螺旋槳加工刀路的模擬 25 4.4 螺旋槳葉片加工的數控程序 29 5 總結與展望 33 參考文獻 34 2 1 前言 1.1 選題的依據及意義 螺旋槳是一類典型的自由曲面零件， 螺旋槳是 推進器中效率比較高，應用最廣的一種，其主要功用是使 機器 前進和后退，有時也協助 機器 回轉。 它的曲面形狀和制造精度直接決定了推進效率和噪音的大小，而加工方法的研究將有助于提高該類零件的加工精度和效率。傳統的螺旋槳加工方法是通過普通銑床粗加工 ，加 上大量的人工修磨來完成的，此方法費時費力，且精度難以保證。隨著數控技術的發展，目前的螺旋槳大多數采用數控加工中心來制造，所用的刀具通常為球頭刀和平頭刀，但加工精度和效率仍然不夠理想。如何充分發揮五坐 標加工中心的潛能，采用非球頭形式的刀具側銑加工該類自由曲面，以提高螺旋槳的加工精度和效率，是目前數控加工的一個研究重點。螺旋槳的數控加工提高了生產力，促進了國民經濟的發展。 1.2國內外研究概況及發展趨勢 螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，螺旋槳的加工實際上就是對自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是機械加工領域的難點，自由曲面是不能由初等解析曲面組成，而是以復雜方式自由變化的曲面，用數控機床加工曲面類零件，一般是在三軸數控銑床上進行，但對于形狀非常復雜的曲面零件，僅用三軸數控銑床是無法加工的，鑒于此，很自然地 想到采用多坐標形式機床，一般采用四坐標或五坐標聯動加工中心。采用五坐標機床，由于機床自由度的增加，可根據工 件表面狀況確定出最合理的刀具空間姿態。因此，除了球頭到外，還可 用其它形式的刀具來改善加工精度和效率，這便是線接觸加工問題。 過去螺旋槳的粗加工大多是采用普通銑床進行，而精加工通常采用手工砂輪打磨和模板 測量，反復交替進行，最后再用手工布輪拋光，加工精度和生產效率都 低，工人的勞動環境和條件較差，而且這樣的加工手段需要工人具有熟練的技術和豐富的經驗。隨著數控機床和計算機技術的發展，目前螺旋槳的加工大多 數 采用數 控機床來完成，然后 拋光至滿意的精度 1。由于無法得到大量的分析數據，刀具尺寸、加工步長、行距等參數通常參照以前的加工經驗 2。 針對螺旋槳的曲面造型和數控加工，國內外學者進行了大量的研究。 GeoffreyW Vickers3早在 70年代就研究了用數控機床采用球頭刀加工中等尺寸的螺旋槳。他首次提出用計算機輔助計算螺旋槳的表面，螺旋槳各部分曲面和各截面的圖形可在圖形終端上顯示出，而且可以交互修改。螺旋槳加工主要采用數控銑床進行銑削加工，最后再采用少量的手工修整。 Xiuzi Ye4提出了結合物理約束主要 包括曲面法矢來設計螺旋槳曲面，最終曲面是一個完整的非均勻 B樣 3 條曲面，該曲面是用最小二乘法擬合給定的數據點及這些點上面的法矢得到的。這種設計螺旋槳槳葉曲面的方法是結合對螺旋槳流體動力學的分析進行的。他這種方法主要是考慮到工程中對幾何實體的評價主要是其物理功能的實現，而不是其幾何外形的美觀。 Hsing-Chia5結合螺旋槳曲面建模的結果，利用微分幾何的相關原理，分析了該曲面的曲率、主方向等幾何性質，并在此基礎上，把槳葉區域分為橢圓點區域和雙曲點區域。在不同區域上，給出了球頭刀和端銑刀的刀位計算方法。而且給出 了控制直線插補誤差和刀軌間殘留誤差的方法。韓國人 JAE-WOONGYOUN6在五坐標機床上采用球頭刀加工螺旋槳。他把螺旋槳加工分成三步完成 :粗加 工、半精加工和精加工。為生成精確的精加工刀軌，首先計算檢查向量，來決定刀軌上每個刀位處的兩個極限角度，它們是由刀具尺寸和加工帶寬決定的。最終的刀具方向矢量是根據經驗按照一定的比例得到的。 哈爾濱工業大學的任秉銀 7,8采用球頭刀加工螺旋槳。他把螺旋槳槳葉工作面分為標準螺旋面和流線型曲面兩部分，提出對螺旋面部分建立解析方程，導出刀具參數和加工參數的計算表達式。利 用微分幾何中關于法曲率和主曲率的理論，通過計算曲面上任意點處的主曲率，找出最大主曲率，求出葉片壓力面數控加工用的最大允許球刀半徑。螺旋漿葉面的加工路徑一般 取漿葉上等半徑上的螺旋線。球頭刀的中心位于螺旋面的法向等距面上， 刀心軌跡線是在等距面上與刀觸點軌跡線法向等距的曲線。求出刀具沿軌跡線運動時形成的包絡面，相鄰兩包絡面的交線便是實得曲面的特征線 ，這條曲線與設計曲面的距離便是幾何殘留誤差。天津農學院的李艷聰 9充分利用了 UG軟件的建模與加工模塊，先建立螺旋槳幾何模型，然后生成數控加工程序。 文獻 7,8雖 然提出把螺旋槳槳葉分成兩個部分，但是如何嚴格地劃分槳葉工作面的兩個部分，以及兩部分曲面如何拼接等問題沒有解決 .文獻 9充分利用了現有軟件，但是，對于形狀較復雜的螺旋槳，通常所給的設計數據很少，難以用 UG軟件建出精確的模型，因此需要對僅有的數據點進行加密才能得到足夠多的數據點。然后對這些數據點擬合，得到所需的槳葉曲面。而且， UG軟件針對三軸的加工模塊功能非常強大，而針對五軸的加工模塊功能還不是很完善。但對于槳葉較多的螺旋槳，僅三軸機床很難加工，甚至不能加工。所以對于槳葉較多，一般五葉以上的螺旋槳，僅依靠 UG的加工模塊，還是有很大的局限性。以上所述的文獻中，所提及的加工螺旋槳的方法都是采用的球頭刀，加工方式為點接觸，即刀具曲面與被加工曲面之間為點接觸。為了保證槳葉的加工精度，加工行距不可能太大，因而效率較低。并且這種方法具有很大的局限性，它只適用于加工盤面比較小的螺旋槳，當盤面比較大時，相鄰的槳葉相互重 4 疊，重疊部分很難加工 .而五坐標數控機床由于增加了兩個轉動軸，可以采用不同形狀的刀具和不同的接觸方式進行加工，從而能有效地解決上述問題。 1.3研究內容及實驗方案 本論文在深入分析螺旋槳曲面成型原理的基礎上，將設計 時給定的槳葉曲面的切面數據轉化為笛卡爾坐標系中的坐標，利用 B樣條方法對截面數據點插值并加密，得到足夠的數據點，進而利用最小乘法擬合出槳葉曲面，通過調整偏離權和光順權得到了理想的二階連續的槳葉曲面。針對圓柱棒料毛坯，提出了了采用類似型腔加工 的 加工方法，前一種方法能精確地控制加工區域，同樣可應用于精加工；方法計算簡單、易于編程。利用微分幾何學知識，分析了螺旋槳槳葉曲面的局部特征，在研究圓柱刀二階密切法規劃刀位的基礎上，探討了圓錐刀圓環刀的二階密切刀位計算方法，采用二階密切法規刀位可以顯著地提高加工精度。提出了基 于二階密切法的加工路徑規劃方法，采用該方法可以在保證精度的前提下使加工帶寬明顯增大，提高加工效率。充分利用 UG等軟件的建模和仿真功能，對螺旋槳的曲面造型和數控加工方法的正確性進行了驗證。自由曲面零件數控加工技術的關鍵是研究如何構造被加工曲面、刀具路徑的規劃及數控加工過程的動態仿真。本文對螺旋槳的數控加工也是主要從這幾方面來進行，主要研究了船用螺旋槳的曲面粗加工刀軌的生成方法，精加工刀位的計算方法及刀具路徑的規劃。 1.4 論文主要 內容 1.對螺旋槳數控加工進行工藝分析 2.研究螺旋槳數控加工刀具軌跡進行規劃 3.在 UG的 VARIABLE-CONTOUR中，生成螺旋槳的刀具軌跡 4.在 UG中進行螺旋槳模擬加工 2 自由曲面零件五坐標數控加工基礎 5 與三坐標數控機床加工曲面相比，五坐標機床由于具有五個運動軸，因而它有足夠的自由度逼近任意工件曲面，使得在五坐標機床上能夠采用球頭銑刀、端面銑刀、棒形銑刀等各種刀具進行加工。因此五坐標數控加工在質量和效率方面具有顯著的優勢 .本章從五坐標數控加工的基礎知識、多坐標數控加工刀具路徑規劃方法、自由曲面的粗精加工方法等方面入手，詳細地介紹、分析了五坐標數控加工的研究現 狀。 2.1 基本概念 1)切觸點 (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。對于曲面加工，不論采用什么刀具，從幾何學的角度來看，刀具與被加工曲面的接觸關系均為點接觸。圖 2-1 給出了幾種不同刀具在不同加工方式下的接觸點。 2)切觸點曲線 (cutting contact curve)指刀具在加工過程中由切觸點構成的曲線。切觸點曲線是生成刀具軌跡的基本要素，既可以顯式地定義在加工曲面上，如曲面的等參數線、兩曲面的交線等，也可以隱式定義，使其滿足一些約束條件，如約束 刀具沿導動線運動，而導動線的投影可以定義刀具在加工曲面上的切觸點，還可以定義刀具中心軌跡，切觸點曲線由刀具中心軌跡隱式定義。這就是說，切觸點曲線可以是曲面上實在的曲線，也可以是對切觸點的約束條件所隱含的“虛擬”曲線。 3)刀位點數據 (cutter location data，簡稱為 CLData)指準確確定刀具在加工過程中每一位置所需的數據。一般來說，刀具在工件坐標系中的準確位置可以用刀具中心點和刀軸矢量來進行描述，其中刀具中心點可以是刀心點，也可以是刀尖點，視具體情況而定，如圖 2-1 所示 . 4)刀具軌跡曲線 指在加工過程中由刀位點構成的曲線，即曲線上的每卜一個點包含一 個刀軸矢量。刀具軌跡曲線一般是由切觸點曲線定義刀具偏置計算得到， 計算結束存放于刀位文件 (CLData file)之中。 5)導動規則指曲面上切觸點曲線的生成方法 (如參數線法、截平面法 )及一些有關加工精度的參數，如步長、行距、兩切削行間的殘留高度、曲面加工的欠切誤差 (outer tolerance)和過切誤差 (inner tolerance)等。 6)刀具偏置 (tool offset)指由切觸點生成刀位點的計算過程。 6 圖 2-1 切觸點 2.2 自由 曲面五坐標數控加工的刀軸控制方式 五坐標機床在三個平動軸基礎上增加了兩個轉動軸，不僅可使刀具擺放在工件的任意位置，而且可使刀具軸線在一定范圍內相對于工件任意可調。五坐標加工與三坐標加工的本質區別在于 :在三坐標加工中，刀具軸線始終平行于 Z 軸 ;而在五軸加工中，刀具軸線在工件坐標系中的方向一般是不斷變化的。那么走刀過程中刀具軸線方向如何控制就是一個要解決的問題，即刀軸控制方式問題。常用的刀軸控制方式有以下幾種 1)垂直于表面方式 垂直于表面方式是使刀具軸線始終平行于各切削點處的表面法矢。由于刀具底面緊貼加工表面， 從而對切削行之間的殘余高度作最大限度地抑制，這樣就減少走刀次數而獲得較高的生產效率。這種方式一般用于大型平坦的無干涉凸曲面的端銑加工。 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的切平面內，所對應的加工方式一般為側銑。這種方式的主要應用于直紋面的加工，用圓柱或圓錐形刀具側刃與直紋面母線接觸，可以一刀加工成型，效率高而且表面質量好。 3)傾斜于表面方式 該方式由刀軸矢量 i 在局部坐標系中與坐標軸和坐標平面所成的兩個角度 a 和 定義，如圖 2.2 所示。圖中， n 為曲面上切削點處單位法矢， t 為曲面上切削點處沿進給方向單位切矢， v=t x n , (t,n,v)為曲面在切削點處的局部坐標系， a 為前傾角，即刀軸矢量與垂直于進給方向的平面所成的角度，可在端銑加工凹面時防止千涉 ; 為傾斜船用螺旋槳曲面造型及五軸數控加工刀位規劃角，是指刀軸與曲面法矢的夾角，不屬某個截面，位于以法矢為軸線，丫為頂角的圓錐上，但可由 a 角及指定沿走刀方向 7 的左右側來確定刀軸的空間方向。傾斜方式是五坐標加工的一般控制方式，垂直于 表面方式和平行于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= =0 圖 2.2 相對于曲面的刀軸控制 2.3 五坐標聯動數控加工的成型方式 在五坐標數控加工編程中，刀位數據的生成、干涉或碰撞問題的解決都與所用刀具的形狀有關。根據曲面加工過程中的成型方式，五軸加工分為 :點接觸式、面接觸式、線接觸式三種方式。 點接觸式加工是指在加工過程中以點接觸成型的加工方式，如球頭銑刀加工、球形砂輪磨削等。這種加工方式的主要特點是 :球形表面法矢指向全空間，加 工時對曲面法矢有自適應能力 ;其編程簡單、計算量較小 ;并且只要使刀具半徑小于曲面最小曲率半徑就可避免干涉，因而它適合任意曲面的加工。但是切削條件差，加工精度和效率低。 面接觸式加工是指以面接觸成型的加工方式，如端面銑削 (磨削 )加工。這種加工方式的主要特點是 :由于切削點有較高的切削速度，周期進給量大，因而它具有較高的加工效率和精度。但由于受成型方式和刀具形狀的影響，它主要適于中凸曲率變化較平坦的曲面的加工。 線接觸式加工是指加工過程中以線接觸成型的加工方式，例如 圓柱周銑、圓錐周銑、棒形磨削及砂帶磨削等。這種加工 方式的特點是 :由于切削點處切削速度高，因而可獲得較高的加工精度，同時，由于是線接觸成型，因而具有較高的加工效率。這是五坐標聯動數控加工當前和今后研究的重點。目前己經發展到對任意曲面線接觸加工的研究。 8 3 螺旋槳數控加工工藝分析 3.1 選擇材料和確定毛坯 傳統的螺旋槳材料主要有耐海水腐蝕性能比較高的錳黃銅系和耐海水腐蝕性能較高、抗空泡腐蝕性能優良的鋁青銅 11,12。隨后又出現了用 N Al 青銅材料、鈦合金、 MCRS 不銹鋼、高強度馬氏體不銹鋼、碳纖維環氧材料和一些復合材料制成的螺旋槳 13。 螺旋槳毛坯通常 有鑄件和圓柱棒料兩種類型。對于鑄造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀軌。根據零件表面的曲面方程，求出曲面在切觸點的法矢量，然后沿法矢量偏置一個刀具半徑，就得到刀具的刀心位置。如果采用圓柱棒料作為毛坯，就要采用層切法進行粗加工。粗加工的目的就是去除相鄰槳葉間的多余材料，得到螺旋槳的大致形狀。本文采用后者，圓柱棒料類型毛坯。如圖 3-1 所示。 圖 3-1 螺旋槳圓柱棒料毛坯 3.2 選擇定位基準 考慮到螺旋槳為中心對稱零件，螺旋槳加工時要準確定位。選擇定位基準為：孔+面，用槳背面的那一側的槳轂端面作為軸向定位基準，用 槳轂端面水平分布的直徑為 5mm 的銷孔作為周向定位基準。螺旋槳加工時，把螺旋槳毛坯安裝在夾具的心軸上，然后在上端壓緊。 3.3 擬定加工路線 隨著數控加工技術的發展，在不同設備和技術條件下，同一個零件的加工工藝路線會有較大的差別。但關鍵的都是從現有加工條件出發，根據工件形狀結構特點合理選擇加工方法、劃分加工工序、確定加工路線和工件各個表面的加工順序，協調數控銑削工序和其他工序之間的關系以及考慮整個工藝方案的經濟性等。 加工方法的選擇 9 （ 1） 平面加工方法的選擇 在數控銑床上加工平面主要采取端銑刀和立銑刀加工。當 零件表面粗糙度要求較高時，應采用順銑方式。 （ 2） 平面輪廓加工方法的選擇 通常采用三坐標數控銑床進行兩軸半坐標加工。 （ 3） 固定斜角平面加工方法的選擇 當零件尺寸不大時，可用斜墊板墊平后加工。當零件尺寸很大，斜面斜度又較小時，常用行切法加工，但加工后，會在加工面留下殘留面積，需要用鉗修方法加以清除，用三坐標數控立銑加工飛機整體壁板零件時常用此法。 （ 4） 曲面輪廓加工方法的選擇 立體曲面的加工應根據曲面形狀、刀具形狀以及精度要求采用不同的銑削加工方法，如兩軸半、三軸、四軸及五軸等聯動加工。 圖 3-2 擬定加工路線 通常 為防止 加工時葉片變形，改進切削工藝，高速銑切削能夠有效的降低葉片彈塑性變形，提高切削速度，降低切削區域溫度，改變了切屑成形原理和去除機理，降低切削力，減少了變形；改進工藝方案，采用輔助機械增加剛度，在葉片彈性變形較大區域填充松香、石膏、蠟，或增加支撐桿，能夠將彈性變形控制在一定范圍內；改進工藝路線，先加工剛性薄弱的葉尖部位，后加工葉根部位；改進工藝參數，降低精加工切削量，使用鋒利的刀具，多軸加工中增大后跟角等。擬定的加工路線如圖 3-2所示 。 3.4 確定工序具體內容 根據零件的加工工藝要求，進行工序的劃分，內容包括確定走刀次數和加工余量，不同的加工工序，其加工余量、精度和表面粗糙度是不一樣的。 UG/CAM 默認劃分三個工序：粗加工、半精加工和精加工。 將本文中的螺旋槳零件加工劃分為粗加工、半精加工和精加工三個工序。 粗加工螺旋槳葉面精銑 螺旋槳葉背粗銑 螺旋槳葉面粗銑 螺旋槳葉背精銑 螺旋槳輪轂精銑 毛坯開粗 二次裝夾（以螺旋槳葉面一側的輪轂端面孔為基準） 螺旋槳輪轂粗銑 10 選擇型腔銑加工，就是沿軸向（ z 向）不同深度的 XY 平面內生成粗加工刀軌。首先給定一個 z 值，確定出該 z 值處的 xy 平面，求出該平面與相鄰槳葉等距面（偏置距離粗加工余量）的交線；求出相鄰槳葉的 2D 邊界線；然后由邊界線，相交線，螺旋槳槳轂 及毛坯確定出每層的加工區域。最后，用 zig-zag 模式把預定義的刀位連接起來，形成粗加工刀軌。輪轂的 半精加工和槳葉的 精加工選擇 UG 多軸銑削模板，螺旋槳的葉面基本上是一個螺旋面，而背面是一個自由曲面。槳葉曲面是以 u， v 為參數擬合出來的 B 樣條曲面，可以對槳葉進行變軸銑削加工。各工序內容如表 3.1 所示。 表 3.1 各工序內容 序號 方法 加工內容 操作方式 刀具 主軸轉速S 進給F 跨距 切深 余量 1 粗加工 毛坯開粗 型腔銑 端銑刀R12 2500 1200 70% 6 1 2 半精加工 葉面及葉背外形 固 定軸輪廓銑 球頭刀R5 3000 900 40% 0.8 0.25 3 半精加工 輪轂 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 3000 900 0.8 0.25 4 精加工 葉面及葉背外形 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 5000 400 0.3 0 5 精加工 輪轂 可變軸曲面輪廓銑 球頭刀R5 5000 400 0.3 0 3.5 確定加工坐標系 生成刀具軌跡前，必須要確定刀具軌跡所在的坐標系，這個坐標系就是加工坐標系（ MCS），加工坐標系與機床坐標系有著密切的關系。因為用于零件加工裝夾的夾具的中心線 與主軸中心線、轉臺的回轉中心線相重合，所以設定 MCS 的三個軸和機床坐標系的三個軸相對應，坐標原點就是對刀點。 本文中設定螺旋槳輪轂面中心為加工坐標系原點。如圖 3-4 所示。 圖 3-4 加工坐標系 11 3.6 刀具類型及參數 要實現數控加工的高速、高精與高效，一個重要因素就是如何根據加工對象選用合適的刀具。 （ 1）銑刀的材料及結構 刀具工作時，要承受很大的壓力。同時，由于切削時產生的金屬塑性變形以及在刀具、切屑、工件相互接觸表面間產生的強烈摩擦，使刀具切屑上產生很高的溫度和受到很大的應力，在這種情況下，刀具會迅速磨 損或破損。因此刀具材料必須具備高的硬度和耐磨性，足夠的強度和韌性，紅硬性和良好的工藝性。 銑削時對刀具的剛性刀有嚴格的要求，刀體伸出刀柄愈長，刀具的剛性愈差，銑削時愈容易產生振動，影響零件的表面質量，還容易斷刀。 刀具材料主要涉及到刀具材料的硬度，一般常用的刀具材料有高速鋼和硬質合金鋼兩種，其它非金屬材料的有陶瓷、金剛石、立方氮化硼等。高速鋼具有較高的強度和韌性，具有一定的硬度和耐磨性，適用于制造各種復雜刀具。高速鋼刀具制造工藝簡單，成本較低；硬質合金的硬度、耐磨度、耐熱度很高，因此，硬質合金的切削性能比高速鋼 高得多，當刀具耐磨度相同時，切削速度可提高 4 10 倍，所以在高速銑削中常用硬質合金。但是硬質合金制造工藝復雜、價格較高 14。本文選用了高速鋼刀具。 銑刀的主要結構參數包括直徑和齒數的選擇 15。銑刀直徑的選擇應首先考慮零件加工部位的幾何尺寸與形狀，在保證銑刀有足夠的強度和剛度、減少走刀次數、提高生產效率的前提下，應盡可能選擇直徑較大的銑刀。銑刀切削刃長度只要能保證將零件銑出即可，當 D/L0.4 時銑刀剛性差；當 D/L0.5 時 ，剛性較好。銑刀端刃圓角半徑 r 的大小應與零件尺寸要求一致，但粗加工中銑刀尚末 切削到零件的最終輪廓， r可選得小一些。銑刀刀齒數的選擇應考慮到刀具材料的剛度、耐磨性、精度的要求，一般刀齒數愈多，心部實體直徑增大，剛性提高，但排屑性能差，所以刀齒數多、螺旋角大的立銑刀適宜精加工、半精加工，反之則用在粗加工。直刃立銑刀加工時，切削刃全部同時切入工件，同時離開工件，這樣反復作用加工容易引起振動缺損，加工表面質量不佳，作用在刀刃上的切削力作用在同一方向上，使刀具彎曲，故曲面加工精度較差。螺旋刃立銑刀加工切入工件時，刀刃上某點其受力位置隨刀具回轉而變化。結構上難以引起振動，作用在刀刃上的切削力垂 直于螺旋角方向，并分解為垂直分力與進給分力，使刀具彎曲的進給分力減小了，故曲面加工精度較好。螺旋角的選擇與切削振動、磨損、加工精度有關，一般選擇大的螺旋角，其理由是螺旋角越大參與切削長度越長、切削力在長切刃上被分散，如圖 2-5 所示。但是螺旋角也不是越大越好， 12 螺旋角越大，垂直于刀具分力就越大，就不適合加工剛性差的工件。還有切屑排出性也變差了。 圖 3-5 螺旋角大小與受力力情況 碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金、純銅和塑料等加工可以選用 45螺旋角和 30螺旋 角。鈦合金、鎳合金、 不銹鋼等難切削材料和高硬度鋼等加工選用 60螺旋角。 （ 2）刀具的類型 數控加工中常用的刀具主要有平底銑刀、端銑刀、球頭刀、環形刀、鼓形刀和錐形刀。下面依次分析其各自的銑削特點和應用場合。 1）平底立銑刀 平底立銑刀主要以周邊切削刃進行切削，切削性能好，是銑削加工的主要刀具。它主要用于平面銑削（如凸臺、凹槽以及平底開腔等）、二維零件的周邊輪廓銑削、立體輪廓粗加工和多坐標精加工，而且也可應用于立體輪廓的三坐標精加工。 在多坐標加工情況下，平底立銑刀的應用有側銑和端銑兩種方式。側銑方式主要是 應用于直紋面的加工，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量。端銑方式主要應用于不適合側銑加工的其他情況，它采用一行一行的行切方式加工。這種方式在保證刀具不與被加工曲面干涉的前提下，盡可能使平底立銑刀底部貼近被加工表面，這樣切削條件好，并有效抑制切削行間的殘余高度，從而減少走刀次數。 2）端銑刀 端銑刀在圓周面及端面均有切削刃，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）的多坐標銑削，以減少走刀次數，提高加工效率與表面質量。 3）球頭刀 球頭刀主要用于三維立 體輪廓的三坐標加工，在五坐標加工中也能用到。球頭刀對于加工對象的適應能力很強，且編程與使用也較方便，但球頭刀加工過程中，越接近球頭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 13 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）環形刀 環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，由于環形刀的切削部位是圓環面，切削刃強度較好且不易磨損。 5）鼓形刀 鼓形刀多應 用于一般表面的多坐標側銑 加工 。由于它在包含軸線的截面內的形狀是曲線， 所以它比圓柱面或圓錐面側銑的適應能力強。但是， 鼓形刀的缺點是刃磨較困難，切削條件較差，而且不適于加工內緣表面。 6）錐形刀 錐形刀刃磨容易，切削條件好，能夠獲得高的加工效率，特別是對于底部狹窄的通道零件的加工，如葉輪的側銑加工。采用錐形刀可以介入通道底部，在滿足結構空間限制的情況下增加刀具的剛度，避免了刀具的振動，從而提高加工效率與精度。 在編 程之前，首先確定要使用的刀具。在 UG/CAM 中，通過專門刀具創建操作來確定刀具。在 UG 中確定刀具的方式有兩種：用戶自定義刀具和從刀具庫獲取刀具。 本文在對螺旋槳零件進行粗加工時選用了 12mm 的端銑刀，刃齒數為 2，刀具長度 40mm，刃長 22mm，刀柄直徑為 50mm，長度為 20mm。由于螺旋槳零件的槳葉面積較大而且具有較為平坦的立體輪廓，粗加工過程中采用層切法進行銑削，所以選取 端銑刀可以減少走刀次數，提高加工效率與表面質量 。半精加工和精加工時選用了5mm 的球頭刀，刃齒數為 2， 刀具長度 40mm，刃長 6mm，刀柄直 徑為 30mm，長度為 20mm。由于在多坐標加工中，球頭刀 對于加工對象的適應能力很強，而且編程與使用也較方便，所以本文選取了球頭銑刀。參數設置 如圖 3-6 和圖 3-7 所示。 14 圖 3-6 12mm 平銑刀參數 圖 3-7 5mm 球銑刀參數 15 3.7 切削參數 切削參數主要包括主軸轉速、進給速度、背吃刀量和切削寬度等。 （ 1）主軸轉速 n 主軸轉速的選取應根據所采用的機床功率、刀具材料和尺寸、被加工零件的切削性能和加工余量來綜合 確定。 1000dnv （ m/min） （ 3.1） 式中 d 銑刀的直徑（ mm） n 主軸轉速（ r/min） （ 2）進給速度fV進給速度是切削用量的主要參數，要根據零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、機床的性能和工件材料選取。所謂進給速度是指加工過程中，切削刃選定點相對于工件的進給運動的瞬時速度。對于銑削而言，銑刀的每個齒就相當于一個切削刃。在復雜形狀零件的加工中特別是多坐標加工，如果進給速度是恒定的，材料切除率常常波動并且可能超過刀具強度的極限，而導致刀具折斷，機床各運動軸的速度和加速度也可能超出允許的范圍。 進給速度fV和每齒進給量 zf 有關，粗加工時，每齒進給量 zf 的選取主要決定于工件材料的力學性能、刀具材料和銑刀類型。工件材料強度和硬度越高，選 取的 zf 越小，反之則越大；同一類型的銑 刀，采用硬質合金材料的每齒進給量應大于高速鋼銑刀；而對于面銑刀、圓柱銑刀、立銑刀，由于它們刀齒強度不同，其每齒進給量 zf 值的選取按面銑刀圓柱銑刀立銑刀的排列順序依次遞減。 在精加工時，每齒進給量 zf 的選取要結合工件表面粗糙度的要求來考慮，表面粗糙度值越小，每齒進給量 zf 就越小。一般情況下，每齒進給量 zf 和切削速度fV，可從有關金屬切削工藝冊中查出。 在確定了進給速度后，就可以以此為標準確定一些非切削運動的速度，包括快速進刀 /退刀、趨近速度、橫越速度以及第一刀進給速度。前面的速度可以根據機床的性能取到最大，而第一刀進給速度，應該比正常的進給速度小很多，對于鑄鐵和鋼件而言，一般為正常進給速度的 30%。 （ 3）背吃刀量 背吃刀量，是指工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離。在機床動力足夠和工藝系統剛度許可的條件下，應選取盡可能大的背吃刀量。一般情況下，在留出精銑和半精銑的余量 0.5 2mm 后，其余的余量可以作為粗 銑的背吃刀量，盡量一次切 16 除。半精銑背吃刀量可選為 0.5 1.5mm，精銑背吃刀量可選為 0.2 0.5mm。 （ 4）切削寬度 在復雜曲面的銑削加工中，切削寬度的確定就是走刀行距的確定。相鄰兩條估計軌跡線上對應刀位點之間的距離稱為走刀行距，其大小是影響曲面加工精度和效率的重要因素。由于球頭刀加工會在走刀方向上形成走刀步長殘留，同時在相鄰走刀行之間形成行距間殘留 16,17,18，行距過大得到的殘留高度就大，相應的表面粗糙度就會增大，后續處理加工量加大；行距過小將使加工時間成倍增加，同時還導致編程效率的下降以及 零件加工程序行的成倍增加。因此，為了既滿足加工精度和表面粗糙度的要求，又要有較高的生產效率，必須合理確定行距。在一些比較成熟的 CAD/CAM 編程模塊中都提供了較有效的刀具軌跡規劃算法和相關的步距確定方法。 一般情況下，在粗加工中，為了能夠大量且有效的去除毛坯材料，對表面粗糙度的要求不是很高，所以可以選擇比較大的切削寬度，在曲面型腔銑或型芯銑的粗加工中，就可采用直徑比較大的平底銑刀，所選取的切削寬度為刀具直徑的 2/3，同時也要考慮刀具的強度和耐用度，適當修正前面的切削深度。在精加工中，由于加工的精度和表面粗糙 度都要求很高，所以在加工過程中采用小直徑的球頭銑刀，所選擇的步距就應該比較小，一般可選擇 0.1 0.3mm 左右。 在確定切削用量參數時要根據機床說明書的要求和刀具的耐用度去選擇和計算，當然也可以結合實踐經驗，采用類比法去確定。確定切削條件的目標是要生成具有最大材料切除率 NC 程序，同時保持穩定的切削狀態與要求的加工精度。在影響銑削過程切除率的參數中，軸向與徑向切削深度必須在刀具軌跡生成時確定，而進給速度與切削速度則可以以其后進行調節。因此，首先就確定軸向與徑向切削深度以獲得最大的材料切除率，然后再考慮切削力的 限制與刀具承受力對進給速度進行選擇。 17 4 螺旋槳數控加工刀具軌跡規劃 及 模擬加工 4.1 螺旋槳粗加工刀位計算方法與刀具路徑 螺旋槳毛坯通常有鑄件和圓柱棒料兩種類型。對于鑄造的毛坯，可采用偏置法生成粗加工刀軌。根據零件表面的曲面方程，求出曲面在切觸點的法矢量，然后沿法矢偏置一個刀具半徑，就得到刀具的刀心位置。如果采用圓柱棒料作為毛坯，就要采用層切法進行粗加工。粗加工的目的就是去除相鄰槳葉間的多余材料，得到螺旋槳的大致形狀。 類似型腔加工 算法的核心思想就是在沿軸向 (z 向 )不同深度的 xy 平面內生成粗加工刀軌。首先給定一個 z 值，確定出該 z 值處的 xY 平面，求出該平面與相鄰槳葉等距面 (偏置距離為粗加工余量 )的交線 ;求出相鄰槳葉的 2D 邊界線 ;然后由邊界線，相交線，螺旋槳 輪轂 及毛坯確定出每層的加工區域。最后，用 zigzag 模式把預定義的刀位連接起來就形成了粗加工刀軌。具體過程如下 : 1.給定一個 z 值，求出該 z 值的 xy 平面與槳葉曲面等距面的交線 由螺旋槳的造型可知，螺旋槳槳葉曲面是根據已知數據點擬合出的均勻 B 樣條曲面，它是由三次均勻 B 樣條曲面片連接而成的。曲面片的連接是二階 連續的，參數為 U， V。 用數值方法求平面與曲面的交線實際上是求一些離散的點。而求平面與曲面的交點實際就是固定一個參數 u，得到的一系列的 v 線，然后求 v 線與平面的交點。而每一條 v 線是由多段三次 B 樣條曲線光滑連接而成的，這就需要判斷出是 v 曲線的哪一段 B 樣條曲線與曲面相交。先計算出每一條 v 曲線上所有 B 樣條曲線段的兩個端點值，如果某個 B 樣條曲線段兩端點 z 值正好分布在平面的兩側，則說明該曲線段與曲面相交的，然后再求出該 B 樣條曲線段與平面的交點。 我們采用二分法求曲線與平面的交點。設該 B樣條曲線段的起點對 應的 Z值為SZ終點對應的 z 值為eZ，平面對應的 z 值為0Z。由于 v 曲線的均勻 B 樣條曲線段起始點的參數 0SV ，終點的參數 1eV，先令， ( ) / 2seV V V，計算該 v 值對應的曲線上點的 Z 值，然后判斷式子00( ) ( )sZ Z Z Z 的值。如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，說明 V 值對應點與 B 樣條曲線段的起點在平面的兩側，因此 Vs 不變，而令eVV;如果00( ) ( ) 0sZ Z Z Z ，說明 v 值對應點與 B 樣條曲線段的起點在平面的同側，因此eV不變，而令 Vs=V 。然后再令 ( ) / 2seV V V， 重復剛才的過程，直到0zz為止 (這里 為設定的精度 )，此時所得參數值 v 對應的曲線上點就是所求的交點。 18 2.求出相鄰槳葉的 2D 邊界線及等距線 因為給定的螺旋槳槳葉設計數據中包含有槳葉邊界線上的離散點，假定參數為 U采用三次均勻 B 樣條曲線擬合這些邊界點，得到槳葉的邊界線。邊界線在切削層上的投影就是 2D 邊界線。 然后再計算 2D 邊界線的等距線。首先計算 2D 邊界線對參數 u 的切矢量并單位化，得到單位切矢量 t。由于是平面曲線，把矢量 t 順時針旋轉 900，就會得到 2D 邊界線的法矢量 n。設曲線上的點矢量為 P，等距線上對應的點矢量為 /p ，則可得/p p n r ，這里 r 是偏置距離，一般為需要留出的精加工余量。 3.求出 輪轂 與平面的交線的等距線 輪轂 一般為圓錐體，它與平面的交線為圓，因此其等距線可按照上面的方法求出。這樣由切削層平面與相鄰槳葉曲面等距面的交線，相鄰槳葉的 2D 邊界線的等距線，平面與 輪轂 的交線的等距線及毛坯的最外邊緣 ，便確定出每層的加工區域。這里的加工區域是指切觸點區域，還需要根據切觸點計算出刀心刀心的計算方法視刀具類型而定。如圖 4-1 所示，如果采用的是球頭刀，切削速度隨刀刃上切觸點位置的不同而變化，球形刀端點與加工表面切觸時切削速度為零。因此一般要避免用端點作為切觸點。在切觸點處，沿曲面的法矢量偏置刀具半徑 r 就可得到刀心點 C(如圖 4-1);如果采用圓環刀，由于刀具底面中心一般沒有刀刃，為避免刀具底面中心與加工表面接觸及切削刃與加工表面發生千涉，應將刀軸置于加工表面法向矢量與進給方向切向矢量所在的平面內，此平面即為環形 刀端銑加工的擺刀平面，同時使刀具底面的刀刃圓環面與加工表面接觸，且將刀軸沿進給方向與加工表面法向矢量傾斜一個角度 ， 角稱為后跟角，如圖 4-2 所示，其中 R 為環形刀刀具半徑， r 為環形刀刃半徑(1 s i n )eR R r 為環形刀端銑加工的有效切削刀具半徑。 圖 4-1 球頭刀與加工表面 圖 4-2 圓環形刀與加工表面 19 這種刀位計算方法的核心就是先通過幾何運算，確定出每層的加工區域，即刀觸點區域，然后根據不同的刀具計算出相應的刀位。這種方法要涉及到平面與曲面的求交問題，計算比較復雜。但是也有其優點，在確定好加工區域后，能夠嚴格地在加工區域里控制走刀。 經過上述方法對毛坯進行粗加工軌跡規劃， 單擊創建工具欄上的創建操作圖標，系統彈出“創建操作”對話框，如圖 4-3 所示。 在“創建操作”對話框中各參數設置如下： “類型”選擇 mill_contour “子類型”選擇第一行第一個圖形 ，設定為型腔銑 (cavity_mill)加工。 “程序”為 NC_PROGRAM “使用幾何體”為 MILL_GEOM “使用刀具” 為 MILL_12 “使用方法”為 MILL_ROUGH “名稱”輸入對話框中輸入操作名稱 CAVITY_MILL 確認后，單擊“確定”按鈕，進入型腔銑加工的操作對話框，開始型腔銑加工操作的參數設置，設置用戶參數，“削方式”選用跟隨周邊，在“步進”下拉列表框中選擇“刀具直徑”，“百分比”文本框內輸入 50，“每一刀的全局深度”選項右側的文本框內輸入 2，如圖 4-4 所示。 圖 4-3 圖 4-4 20 設置進刀 /退刀參數，在“傳送方式”下拉列表框中選擇“ 安全平面”，其余選項按默認值設置，圖 4-5 所示 圖 4-5 設置切削參數，“切削順序”選擇 |“深度優先”，“切削方向”選擇“順銑切削”其余選項按默認設置，圖 4-6 所示 圖 4-6 21 設置進給率，主軸轉速 2500，進給 1200，完成所有的參數設置后，單擊生成刀軌按鈕生成刀具軌 跡，如圖 4-7 和 4-8 所示 圖 4-7 葉背粗銑刀軌 圖 4-8 葉片粗銑刀軌 4.2 螺旋槳精加工研究 22 經過粗加工，得到了螺旋槳的大致輪廓，然后再進行 半 精加工 和精加工 。我們把螺旋槳的精加工分成三個部分 :葉 片 加工， 葉背 加工和 輪轂 加工。 4.2.1 螺旋槳槳葉精加工刀位規劃 本文把加工螺旋槳槳葉 0. 2R 以外的部分稱為槳葉加工。翻門采用二階密切法計算刀位，首先分析了槳葉的幾何特性，判斷采用該方法的可行性。 1.槳葉的幾何性質 我們知道螺旋槳槳葉的葉面基 本上是一個螺旋面，而背面是一個自由曲面。首先判斷槳葉曲面上點的類型。槳葉曲面是以 u, v 為參數擬合出的 B 樣條曲面，設方程為 r = r(u, v)，則根據公式 (4.3), (4.5)計算出曲面在某點處的第一、第二基本量然后根據公式 (4.7)計算出該點處曲面的主曲率 k1, k2，進而求出該點處曲面的高斯曲率12K K K。如果 K0，則該點為橢圓點 ;如果 K0，則該點為雙曲點 ;若 K=0，則該點為拋物點。把雙曲點用淺色顯示，把橢圓點用深色顯示，結果表明，槳葉上大分區域是雙曲 點，只有邊緣一小部分區域是橢圓點。這樣用二階密切法對槳葉進行側銑，完可行的。 2 刀具軌跡的形成 經過上面對槳葉幾何性質的分析，我們把螺旋槳槳葉分成了雙曲點區域和橢圓點區域。在雙曲點區域，滿足二階密切法的條件，于是按照二階密切法的計算公式計算刀位。 當采用圓柱刀或圓錐刀時，根據公式 (4.2)， (4.3)計算出刀軸方向在密切平面的投影和密切方向。圓柱刀的刀軸矢量與其在密切平面內投影是一致的。而圓錐刀的刀軸矢量，可根據公式 (4.4)計算出，然后再根據公式 (4.5)計算出刀心的位置。 如果采用的刀具是圓環刀 ，則要根據公式 (4.3)， (4.5)計算出刀軸方向在密切平面的投影和密切方向，然后根據公式 (4.4)計算出刀軸矢量，最后根據公式 (4.5)計算出刀心的位置。 在橢圓點區域，如果采用圓柱刀或圓錐刀，只能實現近似密切，做法就是將刀具軸線擺放在該點處主曲率絕對值較小的主方向上，也就是沿曲面的平坦方向 :如果采用圓環刀，那么就能夠實現密切，于是也按照二階密切方法計算刀位。在理論上可以實現密切的曲面點上，也有可能因為刀具半徑選擇的不合適，而達不到密切。這就需要根據不同情況來調整刀具半徑。 由于螺旋槳槳葉曲面是網 格比較規整的參數曲面，我們采用參數線法生成刀具軌跡，切削行沿 u 線分布，因此刀觸點軌跡就是曲面的 u 線。走刀的步長采用等參數步 23 長法，即在條參數線上按等參數步長計算點位。參數步長 和加工誤差沒有確定的關系。先給定一個數步長，按照這個步長精度，計算刀位點。然后對編制的程序仿真檢查，如果加工精度不能滿足要求，則把 相應減小，再重復剛才過程，直到得到理想的步長。 半精加工過程分別選擇固定軸曲面輪廓銑和可變軸曲面輪廓 銑對槳葉和輪轂側銑削。在對槳葉進行固定軸輪廓銑參數設置時，選擇區域銑削（ Area Milling）方式，切削角度選擇沿 最長線進行切削。 單擊創建工具欄上的創建操作圖標，系統彈出“創建操作”對話框， 在“創建操作”對話框中各參數設置如下： “類型”選擇 mill_mulit_axis “子類型”選擇第一行第一個圖形，設定為可變軸曲面輪廓銑（ mill_mulit-axis） “程序”為 NC_PROGRAM “使用幾何體”為 MCS_1 “使用刀具”為 BALL_MILL_5 “使用方法”為 METHOD “名稱”輸入 對話框中輸入操作名稱 VARIABLE_CONTOUR 如圖 4-9 所示 圖 4-9 確認后，單擊“確定”按鈕，進入可變軸曲面輪廓銑加工的操作對話框，開始可變軸曲面輪廓銑加工操作的參數設置， 如圖 4-10 所示， 設置用戶參數，“驅動方式”選擇曲面區域，編輯參數如圖 4-11 示，“刀軸”選擇指定點，編輯參數如圖 4-12 示 ， renrendoc.c