Cimatron五轴加工实例——叶轮加工(三)

第三步:精加工中刀轴的控制 定义空间曲线是一种很好控制刀轴的方式,它可以让您定义的刀具路径非常光顺,并且可以大大缩短计算时间.但是,定义空间曲线需要有非常丰富的实际加工经验,需要熟悉CAD指令以及需要了解五轴航空铣的相关功能,Cimatron系统会自动计算刀具的摆动方向以避免干涉碰撞的发生.     

复杂通道类零件五坐标加工全局干涉处理方法

 针对复杂通道类零件五坐标端铣加工中全局干涉问题,提出一种基于临界约束与临界位置精细化的干涉处理方法。通过分析刀杆碰撞干涉特点,以切触点处垂直于走刀方向平面与被加工曲面交线为基础,计算刀具的初始临界位置。在零件坐标系下,建立自动编程刀具轮廓函数,基于初始临界位置,选定与刀具临近点集。在刀具坐标系下,采用距离监视的方法计算点集到临界刀轴的距离,判断干涉点集,计算与之对应的刀具旋转角度集,选取最大的旋转角,从而确定出无干涉刀轴矢量。算例结果表明,该方法能够快速确定干涉检测范围,准确生成无干涉刀位轨迹。     

直线元径向三元叶轮型线光顺的计算方法

为消除因叶轮型线设计数据点的拟合误差所产生的不光顺现象，通过快速迭代算法反算控制顶点，插值得到叶片型线并生成叶片工作型面，在能量法的基础上，提出了一种基于平均曲率的目标函数，对叶轮型线进行光顺，为五轴数控加工的顺利完成奠定良好基础，该方法已在自行设计的叶轮CAD／CAM系统中得以实现。     

复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

 针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题,提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先,构造了给定切触点处所有可行摆刀平面,并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量,在获得临界刀轴矢量的基础上,对其进行平面映射,建立了刀轴摆动的初始可行域;其次,通过对初始可行域进行均匀离散,根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵,并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴,从而构造了新的刀轴摆动可行域;最后,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明,采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能,避免了刀具干涉的产生,可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。     

一种采用遗传算法优化离心叶轮结构的方法

针对高功重比航空发动机离心叶轮结构减重需求及传统多目标优化难以实现全局优化的特点,以强度计算模块获取的全局样本数据为基础,对代理模型生成的响应面采用多目标遗传算法反复迭代寻优。利用整体-局部的结构优化过程,获得参数化离心叶轮结构设计的全局最优解,并结合应力质量分数与叶尖变形分布的对比,验证了离心叶轮结构优化对结构性能的影响。结果表明:运用Kriging代理模型-遗传算法分步优化,能有效提高离心叶轮结构质量的利用率,改善结构稳定性,获取目标最优结构。     

闭式整体叶盘通道五坐标分行定轴加工刀轴矢量规划方法

闭式整体叶盘是新一代航空发动机实现减重增效的关键零件,其通道结构属于典型多约束复杂通道结构。针对闭式整体叶盘通道精加工,提出了一种基于五坐标分行定轴加工的刀轴矢量规划方法。从加工原理上给出了分行定轴加工方法的基本概念,并分析了闭式整体叶盘通道五坐标加工的特征;在刀具预定义和建立检查面球体包围盒层次树结构的基础上,给出了刀轴矢量无干涉区域的计算方法;基于刀位点最短刀长的计算与分析,进行了叶盘通道加工区域划分,建立了分行定轴加工刀轴矢量规划方法。实验验证表明:分行定轴相对五轴联动加工方法不仅可明显提高加工过程中的稳定性和叶片加工表面质量,还可提高叶片精加工效率。     

基于控制线的开式整体叶盘叶片四轴数控加工刀轴控制方法

针对开式整体叶盘叶片数控加工中存在的干涉及刀轴变化稳定性问题,提出了一种基于刀轴控制线的四轴刀轴矢量控制方法。阐述了基于刀轴控制线的四轴刀轴控制基本原理,通过对四轴无干涉刀轴摆动区间的计算,建立了四轴无干涉刀轴控制面;根据控制线生成准则,给出了在刀轴控制面上生成刀轴控制线的具体算法。实验验证表明,该方法不仅可解决开式整体叶盘叶片加工中的刀具干涉问题,而且有效避免了刀轴突变引起的叶片啃伤现象,明显提高了叶片表面的加工质量。     

基于可行图的五轴在机测量探针轴向优化方法

针对不同探针轴向下红宝石球上触碰点会引入不同预行程误差导致标定精度和效率低的问题，提出了一种用于优化在机测量探针轴向的可行图构建方法。首先，根据包围盒算法计算各个测量点处免干涉的探针轴向。接着，利用机床运动学链建立红宝石球上触碰点与机床旋转轴的关系，进而构建机床转台旋转角度的可行图。为了提升检测精度，以减少红宝石球上触碰点和机床旋转轴方向变化为原则，优化测量路径上探针轴向，满足无干涉且红宝石球触碰点最少的条件。最后，以离心式叶轮为例进行验证，采用此方法不仅能保证红宝石球上触碰点个数最少而大幅度缩短标定时间，还能减少引入的机床误差量而提升测量精度，实验结果证明该方法重复性好、可行度高。     

URN模型与调配函数的优化

对计算机辅助几何造型中的B啨ｚｉｅｒ曲线的调配函数进行探究 ,利用Friedman的URN模型构造出带有参数的调配函数 ,用其生成拟B啨ｚｉｅｒ曲线 ,这种新曲线可以对数据点进行光顺逼近。利用最小二乘法和非线性泛函的极小值优化计算 ,得到最优的光顺逼近曲线。     

闭式叶轮加工技术研究

通过对目前叶轮传统加工方法和存在的问题进行分析,利用现代五轴数控加工技术,使用UG进行CAD\CAM加工,探索出一种全新的闭式叶轮的加工方法,从而提高叶轮使用寿命和工作效率。     

自由曲面叶轮的四坐标数控加工研究

 针对自由曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种刀轴矢量的确定方法。给定工作台倾斜角度和刀具后跟角，四坐标加工的刀轴矢量必然位于这两个角度确定的两个圆锥面上。通过对两个圆锥面求交并结合叶轮加工的实际特点，给出了自由曲面叶轮四坐标加工刀轴矢量的计算方法。根据得到的刀轴矢量，计算相应的侧偏角，从而可将五坐标加工的理论和方法直接应用于四坐标加工中。算例表明，该方法合理可行，能够有效提高四坐标加工效率、降低叶轮加工成本，并可推广至一般曲面的四坐标加工以及五轴四联动加工。     

直纹面叶轮刀具轨迹规划的研究(英文)

At present, most commercial computer-aided manufacturing （CAM） systems are deficient in efficiency and performances on generating tool path during machining impellers. To solve the problem, this article develops a special software to plan cutting path for ruled surface impellers. An approximation algorithm to generate cutting path for machining integral ruled surface impellers is proposed. By fitting sampling data points of an impeller blade into a curve, a model of ruled surface blade of an impeller is built up. Furthermore, by calculating the points where the cutter axis vector intersects the free-form hub surface of an impeller, problems about, for instance, the ambiguity in calculation and machining the wide blade surface with a short flute cutter are solved. Finally, an integral impeller cutting path is planned by way of an integrated cutter location control algorithm. Simulation and machining tests with an impeller are performed on a 5-axis computer numerically controlled （CNC） mill machine, which shows the feasibility of the proposed algorithm.     

An automated approach to calculating the maximum diameters of multiple cutters and their paths for sectional milling of centrifugal impellers on a 4?-axis CNC machine

Power generators and chemical engineering compressors include heavy and large centrifugal impellers. To produce these impellers in high-speed machining, a 4?-axis milling machine(or a 4-axis machine plus an indexing table) is often used in the industry, which is more rigid than a5-axis milling machine. Since impeller blades are designed with complex B-spline surfaces and impeller channels spaces vary significantly, it is more efficient to use multiple cutters as large as possible to cut a channel in sections and a blade surface in patches, instead of only using a small cutter to machine a whole blade and a channel. Unfortunately, no approach has been established to automatically calculate the largest diameters of cutters and their paths, which include the indexing table angles. To address this problem, an automated and optimization approach is proposed. Based on the structure of a 4?-axis machine, a geometric model for a cutter gouging/interfering the impeller is formulated, and an optimization model of the cutter diameter in terms of the indexing table angle is established at a cutter contact(CC) point on a blade surface. Then, the diameters of the tools,their orientations, and the indexing table angles are optimized, and each tool's paths are generated for machining its corresponding impeller section. As a test, an impeller is efficiently machined with these tools section by section; thus, this approach is valid. It can be directly used in the industry to improve efficiency of machining centrifugal impellers.     

高缠绕叶轮流道4+1轴高效分段开槽方法

高缠绕叶轮流道的高效粗加工是提高整个叶轮加工效率和缩短生产周期的关键。针对高缠绕叶轮流道的粗加工,提出了一种4+1轴高效分段开槽方法。首先,给出了分段开槽加工方法的基本概念,并分析了高缠绕叶轮流道加工特点;然后,结合机床结构特征,给出了五轴机床在主轴摆角固定为常值时切削点处单点最大刀具尺寸的计算方法;基于各切削点加工特征参数的分析,采用聚类算法进行了叶轮流道加工分段区域的划分;最后,确定了各分段区域的可加工刀具尺寸和4+1形式的刀轴矢量。算例分析表明,提出的4+1轴分段开槽方法得到的开槽轨迹旋转轴变化均匀,材料去除量较传统开槽方法增加了32.5%,改善了切削过程稳定性,提高了叶轮的粗加工效率。     

数控展成电解磨削整体叶轮叶片的过切误差分析及解决方案

分析了平行直纹展成电解磨削整体叶轮叶片的过切误差,得到了过切误差计算公式,提出了用圆锥磨轮和组合式五轴联动数控方案来消除过切误差的方法。     

叶轮四坐标数控加工中刀轴矢量的计算

对于任意曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种计算刀轴矢量的方法。由于四坐标铣床自由度的限制，根据曲面上接触点的几何量计算出的刀轴矢量，不一定能在四坐标系床上实现。以四坐标铣床的主轴位置为初始刀轴矢量，以倾斜工作台的法矢量为旋转轴，形成一组刀位矢量，这些矢量组成一个锥形面；在这组矢量中，求出与由曲面几何量计算出的刀轴矢量最相近的矢量，并且使刀具处于该刀轴矢量时与叶片不发生干涉，将这个矢量作为最终的刀轴矢量。     

五轴联动高速加工螺旋桨叶轮的关键技术研究

为提高整体叶轮的五轴高速加工精度和加工效率,利用B样条方法通过调整偏离权和光顺项权得到理想的二阶连续的桨叶曲面.把叶轮的CAD几何模型导入到CAM加工模块中,通过对五轴高速加工工艺规划的研究和加工参数的选择,计算出叶轮的加工刀轨路径,并通过后置处理得到符合MIKRONUCP800数控机床的NC代码并加工出叶轮产品.     

闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹规划

针对闭式整体叶盘通道开槽工艺问题,研究了叶盘通道五坐标开槽插铣加工方法。进行了闭式叶盘通道可加工性分析,给出了通道加工区域划分方法;基于最小面积原理研究了叶盘插铣通道边界最佳直母线求解算法,分别针对叶片曲面及叶盘内外环面,提出了通道偏置直纹包络面的生成方法,给出了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹。研究结果表明:该方法能解决闭式整体叶盘通道插铣区域划分和直纹包络面生成问题,可有效实现闭式整体叶盘的五坐标开槽粗加工。     

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

1引言随着宇航技术的飞速发展,液体火箭发动机的燃料剂和氧化剂离心泵向高压、高速、高效化发展。为了减轻泵的重量,使结构紧凑,提高泵的功率密度,离心泵的单级扬程和转速要高,因此其比转速较低。但比转速较低的离心泵效率也较低,而且很容易出现小流量工作不稳定性。因此设计具