整体叶轮数字化设计制造技术研究与应用_刘江臣.docx

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1、 分类号 :TG659 单位代码 ： 10422 密级 : 学 号 ： 04160401001 硕士学位论文 Shandong University Masters Thesis 论文题目：整体叶轮数字化设计制造技术 研究与应用 作者姓名 刘江臣 专 业 机械制造及其自动化 指导教师姓名 专业技术职称 赵 军 教 授 2008年 8月 Dissertation Submitted for the Application of Masters Degree in Engineering Research and Application of Digital Design and Manufact

2、uring Technology of Integral Impeller Candidate ： Liu Jiangchen Specialty : Mechanical Manufacturing and Automation Supervisor: Prof. Zhao Jun Shandong University August, 2008 原创性声明 本人郑重声明 ： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标

3、明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被査阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定 ） 摘要 叶轮类零件作为透平机械的核心部件，是一种造型比较规范、具有典型性的 通道类复杂零件，其工作型面通常为空间曲面，从设计到加工制造长期以來一直 是国内外公认的技术难题。叶轮设计涉及空气动力学、流体力学等多个学科，

4、随 着设计理论和方法的不断进步，工作型面越来越复杂，这对加工制造提出了更高 的要求。本文以整体叶轮的三维数字化建模、五轴数控加工刀位规划、刀位计算、 后置处理和机床数控系统加工仿真为主要内容，对整体叶轮的数字化设计与制造 相关技术进行了较为全面的研究。 从一个新的角度探讨了叶轮数字化建模，即由产品原始设 计参数和参数的变 化规律运用相关的理论和方法设计出合理的几何边界，获取空间曲面型值点。在 此基础上进行三次 B样条插值，生成光顺的空间曲线和曲面。该法有别于常用的 曲面造型方法 - 逆向工程法 (Reverse Engineering)。 研究了几种粗、精加工刀具轨迹算法与生成策略。重点分析了

5、直纹面双点偏 置侧铣加工刀具轨迹的计算方法。同时探讨了拟合误差的优化算法。 在 UG/CAM模块下运用其数控仿真功能对生成的刀路轨迹进行动态仿真，检 验干涉情况，根据检验结果进行刀路轨迹的调整。 针对 DMU70eVolution型五轴数控加工中心，运用专用后置处理系统，得到 可以执行的 NC程序，通过网络传输到机床数控装置，并运用机床数控系统进行 了加工模拟仿真。 关键词整体叶轮；数字化设计制造；五轴数控加工：刀位规划；仿真 Abstract Impellers are a type of complicated parts with relatively normal sculpture

6、and marked shape.Their working surfaces are normally complex surfaces. The design and manufacturing of the working surface relates to several subjects such as aerodynamics, hydrodynamics and so on, and is regarded as a long-standing difficulty. With the development of the design theories and methods

7、, the working surfaces are becoming more and more complex, and this raises a higher claim to manufacturing.This paper is mainly about 3-Dimensional numerical modeling, tool-path planning,tool-path calculation, simulation in UG/CAM and machine NC. system. Related technologies of numerical design and

8、manufacturing of integral impellers is relatively generally studied. A new method is adopted to gain a group of data points of free-form surface from original capability parameters in impellers5 numerical modeling. A smooth curve and a smooth surface can be accomplished respectively after cubic B-sp

9、line interpolation of these points. This approach is obviously different from those ones in common use Reverse Engineering. Then, the side machining rough tool-path and finish tool-path in 5-axis NC machine tool is analyzed. The algorithm of the side machining tool-path for ruled surfaces is mainly

10、discussed. Gouge detecting by NC simulation system is adopted to judge the results of the machined surface. The valid NC program is achieved by using special post-processing system, aiming at DMU70eVolution. Key words integral impeller;numerical design and manufacture; 5-axis NC machining;tool path

11、planning;simulation in 目录 W. I ABSTRACT . Ill 第 1章绪论 . 1 1.1选题背景 . 1 1.2整体叶轮数字化设计制造关键技术 . 3 1.3整体叶轮数字化设计制造国内外研究现状 . 4 1.4本课题的主要研究工作 . 7 第 2章数字化设计制造技术基础 . 8 2.1引言 . 8 2.2数字化设计制造 . 8 2.2.1数字化设计制造基本概念 . 8 2.2.2数字化设计制造基本技术 . 9 2.2.3数字化设计制造的特点 . 11 2.2.4数字化设计制造的典型应用案例 . 11 2.3曲线曲面基本知识 . 13 2.4本章小结 . 17 第

12、 3章整体叶轮的数字化设计与建模 . 18 3.1引言 . 18 3.2叶片水力设计原理 . 18 3.3水力设计 . 21 3.4基于水力设计的叶轮三维建模 . 27 3.4.1叶片片体成型 . 28 3.4.2叶轮模型的建立 . 31 3.5本章小结 . 32 第 4章复杂曲面数控加工工艺与刀轨计算 . 33 4.1引言 . 33 4.2复杂曲面五轴数控加工工艺 . 33 4.2.1五轴数控机床类型及其工艺特点 . 33 4.2.2数控加工刀具类型及其工艺特点 . 35 4.2.3复杂曲面五轴数控加工工艺规划 . 38 4.3复杂曲面五轴数控加工刀具轨迹计算 . 43 4.3.1有关的基本

13、概念及刀轨生成方法 . 43 4.3.2五坐标侧铣数控加 工刀位计算 . 45 4.4本章小结 . 55 第 5章整体叶 轮五轴加工路径规划与编程 . 56 5.1引言 . 56 5.2整体叶轮五轴加工路径规划 . 56 5.2.1整体叶轮加工阶段的划分 . 57 5.2.2叶轮毛坯的制备 . 60 5.2.3加工工艺基准与加工余量的选择 . 60 5.3 CAM编程与后置处理 . 61 5.4加工试验准备 . 70 5.5本章小结 . 72 it . 73 参考文献 . 74 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 . 77 SC M . 77 个人简历 . 79 CONTENTS ABSTRAC

14、T . Ill Chapter 1 Introduction . 1 1.1 Background . 1 1.2 Key Techniques on Design and Manufacturing of Integral Impeller. 3 1.3 Current Situation on Design and Manufacturing of Integral Impeller4 1.4 Main Research Tasks . 7 Chapter 2 Basic Theory of Digital Design and Manufacturing . 8 2.1 Foreword

15、 . 8 2.2 Digital Design and Manufacturing . 8 2.2.1 Basic Concept of Digital Design and Manufacturing . 8 2.2.2 Basic Techniques of Digital Design and Manufacturing . 9 2.2.3 Characterises of Digital Design and Manufacturing . 11 2.2.4 Typical Application Cases of Digital Design and Manufacturing 11

16、 2.3 Basic Knowledge of Curve and Surface . 13 2.4 Brief Summary . 17 第 3 章 Digital Design and Modeling of Integral Impeller . 18 3.1 Foreword . 18 3.2 Design Principles of Blade . 18 3.3 Hydrodynamic Design of Blade . 21 3.4 Hydrodynamic Design Based Impeller Modeling . 27 3.4.1 Sheet Molding . 28

17、3.4.2 Generation of Impeller Model . 31 3.5 Brief Summary . 32 第 4 章 NC Machining Processing and Path Calculation of Complex Surface . 33 4.1 Foreword . 33 4.2 5-Axis NC Machining Processing of Complex Surface . 33 4.2.1 Types and Characteristics of 5-Axis Machine Tools . 33 4.2.2 Types and Characte

18、ristics of Cutters . 35 4.2.3 Processing Plan for Complex Surface . 38 4.3 Tool-path Calculation for Complex Surface . 43 4.3.1 Basic Concept and Generation of Tool-path . 43 4.3.2 Cutter Location Calculation for 5-Axis Side Milling . 45 d_s 4.4 Brief Summary . 55 第 5 章 Machining Path Planning and P

19、rogramming oflntegral Impeller . 56 5.1 Foreword . 56 5.2 Machining Path Planning oflntegral Impeller . 56 5.2.1 Machining Steps of Integral Impeller . 57 5.2.2 Preparation of Roughcast. 60 5.2.3 Selection of Processing DatumandMachining B a l a n c e60 5.3 Programming and Post Processing . 61 5.4 P

20、reparation for Machining Test 70 5.5 Brief Summary . 72 Conclusion . 73 References . 74 Dissertation Published . 77 Acknowledgement . 77 Resume . 79 第 1 章绪论 1.1选题背景 制造是人类经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。所有将原 材料转化为物质产品的行业都可称为制造业，它覆盖了除去采掘业、建筑业等以 外的整个第二产业。制造业是国民经济的基础 |。因此，制造技术的现状，在很 大程度上反映了一个国家的工业发展水平。现代制造技术円益成

21、为国际之间科技 竞争的手段。纵观近两百年制造业的发展历程， 影响其发展最主要的因素是技术 的推动及市场的牵引。在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着 “ 劳动 密集一设备密集一信息密集一知识密集 ” 的方向发展；在市场需求不断变化的驱 动下，制造业的生产规模沿着 “ 小批量 一 少品种大批量多品种变批量 ” 的方向 发展；与之相适应，制造技术的生产方式沿着 “ 手工一机械化一单机自动化一柔 性自动化一智能自动化 ”的方向发展 一、国际背景 20世纪 80年代以来，各国制造业面临复杂多变的外部环境，占有竞争优势 地位的美、円、西欧呈三足鼎立之势，但发展也不均衡。曾以福特方法 E得世界 制造

22、技术优势的美国在近 20年里领先地位已被动摇 ,除民用飞机和化学制品等少 数产品的产值还基本维持不变外，汽车、机床、民用电子、钢材等均呈负增长， 其中汽车产量下降幅度最大：而 R本由于在技术上善于吸收他人成功的经验，注 重研究开发，又能根据市场需求的变化及本国实际研究出一系列灵活的生产系统， 使其制造业获得巨大成功。 20世纪 70年代，円本汽车大举进入美国市场，以其 价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。 1990年，仅 FI本 FANUC 公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。美国麻省理工学院 （ MIT) 的 J.Womack等人于 1990年在所著的书中提出 “ 精

23、良生产 ” 也扣 )的 概念，而早在十多年前， F1本丰田汽车公司就已开始形成并实施精良生产的模式。 这种模式对全球制造业产生了深远的影响。与此同时，西欧的制造业明显感受到 来自美国和円本的压力，就连一向以产品质量和技术高超而自豪的德国也不得不 承认与円本存在着不小的差距。德国前总理科尔曾经说过，任何一个欧洲国家都 不可能仅靠自身的力量有效地对付美国和円本的技术挑战，欧洲只有把财力和人 力集中起来，才能保 持自己在未来世界上的经济地位。 二、 国内背景 我国制造技术经建国以来 50余年的发展己形成比较完整的技术体系，为国 民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，并取得了重要成就。

24、随着我国加入 WTO,我国的经济越来越融入到全球化的经济浪潮中。由于我国 巨大的市场潜力和劳动力的低成本优势，改革开放的政策，经济的持续快速发展 以及我国政府的引导和支持，越来越多的国外企业到我国投资，我国正在成为世 界的工厂。我国制造业在世界制造业中的比重，从 1980年的 1.4%上升到 2001年 的 7%,预计 2020年更将达到 20%以上。目前，我国的财政收入一半来自制造业， 同时制造业吸收了一半的城市就业人口。但是，我国在机械的先进制造、工业自 动化、工业机器人等技术领域同发达国家相比仍存在着比较大的差距。据资料显 示，我国工 业装备整体技术水平落后国际水平 10 15年，工业自

25、动化技术水平落 后 15 20年，装备中工业机器人数量极少，数控化比例很低（约为 5%),円本机 床数控化率达到 95% (2004年的统计 )。我国目前尚处于单机自动化和刚性自动化 阶段。装备落后，导致产品普遍档次低、质量差，己成为制约制造业发展的瓶颈。 我国政府面对这种现状积极寻求对策，国家自然科学基金会组织开展了 “ 先进制 造技术基础优先领域战略研究 ” ，国家科学技术部、国家计委等部门也先后提出了 多项先进制造技术重大研究项目，并已付诸实施。 三、 课题的提出 本课题属于山东省科技攻关项目 “ 泵类产品关键部件快速样机技术研究 ” 的 延伸项目，着重探讨具有复杂空间型面的零件 叶轮的

26、整体数字化设计与制造。 一方面，复杂曲面的数字化设计制造技术正逐渐成为加工制造领域国内外学者的 研究热点之一，并且仍有一些技术有待于进一步研究，如复杂型面的数字化精确 设计与表达、高效的刀具轨迹计算生成方法、复杂曲面非球头刀数控加工中的干 涉分析与干涉避免措施、高速切削技术的应用等；另一方面，整体叶轮 （ /咐 /w/W以 ） 是一类应用广泛、造型比较规范且具有一定代表性的典型复杂零件。国 外在 加工制造整体叶轮时大多采用专用软件系统，如美国的 NREC和 INGERSOLL-RAND、 瑞士的 SULZER、 日本的日立等均是如此，运用专用软件 可以提高效率、保证加工质量。我国一些企业在叶轮

27、以及复杂曲面的加工方面所 用的 CAM软件多是从国外引进的，价格昂贵，若购买功能齐全的成套软件，价 格难于承受。因此，有必要对叶轮及复杂曲面的数控加工技术进行深入研究，以 缩短与发达国家的差距，提升我国制造业在国际市场的竞争能力。 1. 2整体叶轮数字化设计制造关键技术 整体叶轮作为透平机 （ Turbine)、 压缩机 （ Compressor)和栗 （ Pump)等机 械的核心部件，被广泛地应用于航空航天、石油化工、电力、船舶以及尖端科技 等领域。其形状特征明显，一般由两个轮盖和轮盖之间的叶片构成，一个轮盖带 有轮毂，称后盖板或后盘，另一个轮盖称前盖板或前盘，叶片型面通常为复杂曲 面。叶轮

28、的设计涉及到空气动力学、流体力学等多个学科。近几年来，随着计算 机计算能力和流体计算动力学的迅速发展，尤其是三维流动分析的使用，三维数 值模拟应用越来越广，叶轮叶片的全三维设计也逐渐从理论研究阶段步 入实际应 用。另一方面，设计指标能否得到满足，需要制造环节来保证。如果制造技术薄 弱，叶轮的整体性能必将受到影响。因此，从设计和制造两方面考虑，整体叶轮 制造的关键技术大体包括以下几方面： 一、 叶轮叶片型面的设计及参数化建模技术 依据给定的性能参数等要求，运用空气动力学和流体力学等学科知识，进行 叶轮叶片的空间型面设计，关键是设法获取叶片空间流线的型值点，在这些数据 点的基础上进行 B样条插值，

29、得到流线方程，进而得到曲面方程。 二、 多坐标数控加工刀具轨迹生成技术 多坐标数控加工刀具轨迹生成是数控编程的基础 和关键，近年來，国内外许 多学者和工程技术人员对此进行了大量的研究工作，针对不同的加工对象提出了 许多实用的计算方法，并得到了广泛的应用。 常用的方法包括：曲面参数线加工方法也称为 Bezier曲线离散算法、截平面 法、回转截面法、投影法等。曲面参数线加工方法适用于网格比较规整的参数曲 面的加工，截平面法适用于曲面网格分布不太均匀及由多个曲面形成的组合曲面 的加工。 三、 刀位干涉自动检验和修正技术 刀位干涉自动检验和修正是复杂曲面多轴数控加工走刀路径规划中决定加工 质量和效率的

30、关键技术。数控加工中存在的干涉一般分为以下三种类型： 一 是刀 具的切削刃和工作表面的干涉，即局部刀具过切干涉。二是非切削刃和工作表面 的干涉，如刀杆、夹具、工件间的碰撞，又称全局刀具干涉。三是机床各坐标轴 的工作行程干涉，即机床坐标轴超出其工作范围而不能有效地工作，称为超程干 涉。在复杂曲面的切削加工中，采用球头刀加工存在诸多问题，比如刀具与工件 之间为点接触，生产效率低下，加工质量较差，刀具容易磨损，致使加工过程中 需要频繁换刀。因此迫切需要采用非球头刀进行加工。如何切实有效地解决复杂 曲面非 球头刀切削加工中存在的干涉现象不仅是多坐标数控加工中的关键技术， 也是生产中急需解决的问题。 四

31、、 高速切削加工技术 高速切削 （ /&/?-办 HSM)技术是继数控 （ NC)加工技术之 后机床制造业的又一场新的革命，它是机床结构、刀具材料和工艺、 CNC系统、 计算机软硬件技术等发展到一定程度出现的综合性产物。与传统数控加工相比， 有诸多优势，比如能提高生产率，精加工后工件无需再抛光，精简工序，缩短产 品制造周期；延长刀具使用寿命；适应高硬材料切削，实现精细加工，可进行模 具精细部位的加工，避免使用嵌件和电极；适宜加工薄壁零件、脆性材料以及航 空航天、汽车、模具等领域常见的结构复杂的大型零件。 1. 3整体叶轮数字化设计制造国内外研究现状 叶轮零件是一种典型的通道类复杂零件，广泛应用

32、于能源动力、航空航天、 石油化工等行业领域，如航空发动机上的整体叶轮、坦克发动机增压器叶轮、水 泵、压缩机和鼓风机叶轮等。 、设计研究状况 其工作型面的设计涉及空气动力学、流体力学等多个学科，近年来，随着计 算机计算能力、计算流体动力学 （ CFD)和流体测量技术的迅速发展，尤其是三 维流动分析和三 维数值模拟的广泛应用，工作型面设计正在从传统的一元（一维 ) 流动设计发展到二元或三元设计。能显著降低能耗，且整机运行的可靠性明显提 髙。吴仲华 3早在 1952年在求解三元流动问题时就运用了降低维数的方法简化计 算，将三元问题化成两个二元问题来求解。査森 w1988年提出三元流动准正交面 计算法

33、，利用两类流面的理论在准正交面上进行，简单而省时。陈乃祥 1B1991年 幵始对三维奇点流动设计法结合贴体坐标下的有限差分法进行了深入研究，用于 水轮机叶轮的设计。国外目前对水力机械内流动实验和计算研究最多的是瑞士洛 桑高等工业大学 （ DPFL),其 IMHEF实验室在 18届 IAHR (国际水力机械和空 蚀学术会议）上，发表多篇文章介绍近期成果。 RHirschi在这些成果的基础上于 1997年 6月提出了基于三维欧拉无粘性方程解的空化流动计算结果。在三元反问 题研究方面 ,B rgeSw1984年根据理想不可压缩流动的三维奇点法提出了混流式叶 轮三维设计方法。 Hawthorne1”*

34、 展了全三维设计方法，证明了采用 Clebsch变换得 到流速的表达式在计算流速场中的优越性。 二、加工制造研究状况 传统的叶轮制造一般采用如下几种方法：一是铸造成型后修光的方法；二是 叶片单独加工成型后焊接在轮毂上的工艺方法；三是航空器发动机的螺旋桨一般 通过锻造成型；四是喷气发动机的涡轮叶轮，由难加工的耐高温合金制成，通常 釆用铣削加工，再用电化学方法加以修整。然而，随着设计理论的进少 （ 如全三 元设计），叶轮的工作型面形状日趋复杂，叶片加工精度越來越难以保证，叶片 的表面光洁度差，易造成应力集中，产生汽蚀，叶轮的动平衡性能差。这就迫切 需要寻求新的方法加工叶 轮。 数控机床在叶轮的加工

35、中得到了广泛的应用。起初是在三坐标数控铣床上用 球头刀采用行切法进行加工，由于球头刀球形表面法矢指向全空间，对曲面法矢 有自适应能力，编程相对简单，计算量相对较少，并且只要使刀具半径小于曲面 最小曲率半径便可避免干涉现象，得以快速推广。但是，用球头刀加工曲面存在 明显缺陷，从几何上讲，它属于双参数球面族的包络，刀具与被加工曲面之间为 点接触，加工精度和效率都较低。另外，三坐标数控加工具有运动轴数少、编程 简单、加工范围广等优点的同时也存在应用场合有限、加工效率低、加工质量差 等弱点 。而多轴（四轴、五轴 ） 联动机床可以采用非球头刀铣削加工，改善了切 削状态，在加工质量和效率方面有三轴加工无法比拟的优势，且可以采用球头刀、 立铣刀、环形刀、鼓形刀等多种刀具，摆脱了刀具种类的限制，叶轮类复杂曲面 零件的多轴数控加工理论和方法的研究逐渐成为热点。 Vickers G.W.w教授分别采 用球头刀和立铣刀进行曲面加工，比较后发现立铣刀能更好地与曲面的几何特性 相匹配，可以减少走刀次数，提高表面质量和切削效率，延长刀具使用寿命。実 国学者 Yuan-Shin