透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工研究（可编辑）

透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工研究（可编辑） 透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工研究 合肥工业大学 硕士学位论文 透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工的研究 姓名:李凯亮 申请学位级别:硕士 专业:机械电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师:韩江 20100401透平膨胀机叶轮数字化建模及五轴加工的研究 摘要 五轴加工应用于航天领域,加工具有自由曲面的机体零部件、涡轮机零部 件和叶轮等复杂类零件已经有了很多年的历史,在最近几年,这种先进加工手 段的运用越来越广泛。五轴加工解决了普通三轴数控机床所不能解决或解决不 好的加工问题,显著提高了复杂零件的加工质量及效率,是在近些年来迅速崛 起的先进制造技术之一。 叶轮类零件种类繁多,而透平叶轮是~种典型的自由曲面零件,叶 轮小而 精密,其传统的设计和加工方法既费时又难保证精度,而专用的一些/ 软件价格又及其昂贵。因此,通过研究利用通用的/软件来设计、加 工出透平叶轮,对于类似零件的实际生产加工有着非常重要的意义。 本论文在深入研究自由曲面造型原理,总结前人对于叶轮类零件造型的方 法和叶轮五轴高速加工工艺的基础上,利用反求的方法通过对叶片边缘关键数 据点的采集,得到了理想的叶片边缘线,在此基础上扩展到叶片曲面,最后形 成叶片实体。把叶轮的几何模型导入到的加工模块中, 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 数控机床的代码, 并加工出叶轮产品。采用该方法可以在保证精度的前提下,充分利用、 等软件的建模、加工功能,使加工精度和效率明显提高.,为透平叶轮 这类典型的精密超薄自由啦面零件提供了有效的设计方法和加 工工艺。 关键词:透平叶轮;自由曲面;五轴加工;高速加工;后置处 理; ??,? ,?. ,.? , ,。., ,/ ,/ ., , ,. ? ,, , ., , ? , ,, ., , ,,? . ,. : ; , ,插图清单 图数控加工过程? 图卜高速与超高速切削速度范围.:??.. 图一型冲动式径流透平膨胀机.. 图? 型反作用径流式透平膨胀机??.. 图.直接传动的总体布置图.带减速器的总体布置图.透平膨胀机 机组组成图.俄罗斯进口透平机图片?. 图.两种规格叶轮二维图图.有理基函数?.. 图.有理三次样条曲线中改变权重的作用?. 图.反求工程原理图. 图.叶毂建模思路框图??.. 图.叶毂实体??. 图.初始点的输入? 图.截面图形??. 图.叶片曲面??. 图大叶片实体?.. 图.小叶片上部截面 图. 分流叶片实体.. 图.整体叶轮实体.. 图复杂零件数控加工流程图.. 图.走刀步长的参数线法图.行距的计算?.. 图.叶轮的基本几何特征图.流道半精加工中干涉面的选择??. 图.采用相对驱动面方式规划叶片加工轨迹??.. 图. 机床.? 图.叶轮结构图??.??. 图叶轮外轮廓在环境下的加工图..?.??. 图?叶轮夹具二维图...??.??.. 图.叶轮夹具实物图?..?. 图.叶轮五轴加工刀具图.?. 图?叶轮在环境下的加工图??..?..??.图 程序生成的一般过 程?.??.. 图选择进入机床选择菜单..? 图选择对应的机床.??.. 图 刀具清单图.?.??.. 图后置代码图??.图球头刀插补误差 图加工出的叶轮实物图?..表格清单 表叶轮外形尺寸.. 表叶轮外形尺寸.. 表一 主要参数表 表数控车削工艺参数表表叶轮五轴加工工艺参数表.. 表叶轮外轮廓加工轨迹表?. 表叶轮五轴加工轨迹表表进给系统分类?独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所 知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果, 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 也不包含为获得金胆王些太堂 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字: 签字日期:眸月日 夸瘸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金赶工业太堂.有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。本人授权 金肥工业太 兰可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名: 新繇弘、 导师签名: 。丫 档门甍 签字日期:砷。年月『日 签字日期:》,哞湖为 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话: 通讯地址: 邮编:致 谢 时光飞逝,转瞬间三年的硕士生活已接近尾声,回想起几年来的点点滴滴, 我深切感受到自己是在多位老师,同学和亲朋好友的关爱凝聚下,才一步一步地 走到今天. 至此,谨向三年来所有指导,帮助和关心过我的师友表示衷心的感谢 首先我要衷心感谢我的两位导师韩江教授和夏链副教授,在我读硕期间, 两位老师在学习和生活各个方面给予了我殷切地关怀和不遗余力地帮助和指导, 使我的科研能力,理论水平,研究方法,组织与协调能力等方面得到很大的提高: 在获取知识的同时,导师在学术上严谨求是的态度和生活上平易近人的作风也 对我产生了深刻的影响.他们对于我成长的无微不至的关怀,我将终生难忘. 深深感谢张文祥老师,许少平老师、尚朝阳高级工程师、余道洋老师、何 高清老师、祖垣老师在我学习期间的大力帮助。 诚挚感谢我的同学张江华、信傲、马超、葛敬、黄愿、季焓、姚银鸽等, 和他们在一起学习和生活的时光将永远值得我怀念。 真诚感谢我的师弟肖传清、李虎、陈党、王晓明、黄涛、张忠硭、王国峰、 刘凌全、张韬、肖扬、黄海金等给予我的帮助。 感谢合肥工业大学绿色设计制造研究所的好友孙博年来对我的帮助与鼓 励。 最后还要特别感谢我的爷爷、奶奶、爸爸、妈妈,是他们不辞劳苦、任劳 任怨的辛勤付出以及对于我的精神和物质上的强大支持,使我最终得以完成学 业。 正是由于以上的鼓励和鞭策,使我能够顺利完成自己的学习任务和学位论 文.谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师,同学,朋友,以及养育我的,始终 关心支持我的父母和家人. 作者:李凯亮 年月第一章 绪论 .论文的背景和意义: 在现代工业生产中,经常会遇到一些复杂零件,这些零件大多具有自由型 面,需采用//进行设计制造,如透平叶轮,汽车车身,各种模具等。 他们的型面不能用初等解析几何中的表达式表示出来,往往在设计时只知道一 些离散的信息,这类型面被称为自由曲面。在以往的传统设计中,自由曲面设 计方法是依靠手工几何作图,而对于自由曲面的加工则主要依靠手工修锉或电 脉冲加工来完成。为了在制造过程中进行 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ,还需要制作大量的型线板,这 样自由曲面的设计和制造周期长,材料消耗大,对工人技术要求也很高,而且 加工精度低,重复精度差,生产成本还很高。 随着计算机技术的出现和发展,人们试图用计算机来改进自由曲面的设计, 即自由曲面的计算机辅助设计。依据定义形状的几何信息,应用计算机辅助几 何设计所提供的方法,可建立相应的曲线、曲面方程即数学模型,并在计算 机上通过执行计算和程序处理,计算出曲线曲面上大量的点及其它信息。同时, 通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和综合就可以了解所定义形状的局部和整体几何特征,并且能方便地 改变原始输入数据,以便对初始曲面进行修改与控制,能对现有的曲面进行插 值或逼近计算,’最后完成对复杂产品的造型。 而复杂零件的加工则更多的依赖于五轴机床。五轴机床既是为了加工某些 具有特殊要求的复杂形面的大型工件而出现的,也是为了提高对这些形面的加 工精度、质量和工效才得到应用和发展的。 目前,航空航天领域广泛使用复 杂零件如整体叶轮就是五轴加工的代表产品,这类零件结构复杂,种类繁多, 工作型面的设计涉及到空气动力学等多个学科,因此曲面造型质量、加工手段等 对复杂类零件的性能参数都有很大的影响。本课题对五轴联动数控加工中的核 心技术:几何造型技术,刀具轨迹规划,数控编程,加工技术等进行深入研究。 以精密类小尺寸叶轮为研究重点,研究其数字化建模技术,五轴联动数控加工技 术,并对刀具轨迹进行干涉检查与处理,加工出符合项目要求的整体叶轮。项目 加工出的叶轮已成功应用于透平膨胀机的自主研发中,带来了良 好的经济和社 会效益。 .自由曲面造型技术概论叫。 ..自由曲面造型技术发展情况 计算机图形学和计算机辅助几何设计中的一项重要内容就是曲面造型,它 主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。曲面 造型肇源于飞机、轮船等复杂型面的外形放样工艺。在二十世纪六十年代由 、等大师奠定理论基础。曲面造型方法经过三十多年发展,现在已经形成了以贝塞尔和样条方法 为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体,以插值 、拟合、逼近这三种手段为骨 架的几何理论体系。我国很多学者在曲面造型技术的研究中也取得了显著的成 绩,主要体现在以下三个方面:复旦大学对参数曲线的分类以及形状控制 的研究和对多元散乱数据逼近拟合方法的研究。中国科大对贝塞尔曲面凸 性条件的研究和对隐式曲面算法的研究。浙江大学对曲面几何连 续拼接理 论的研究和对曲面几何逼近方法的研究。我国科研工作者的这些成绩已在国际 计算机图形界占有非常重要的地位。 随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强,随着 几何设计的对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显, 随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快,随着 激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善,曲面造型在近几年 来得到了长足的发展。这主要表现在研究领域的急剧扩展和表示方法的开拓创 新。 ..当代自由曲面造型研究热点 目前,曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面位差己代替曲面 表示、曲面求交和曲面拼接成为曲面造型技术国内外的研究热点。 曲面变形 :以往的非均匀有理样条 曲面模型只能通过调整控制顶点或者权因子来完成对曲面形状 的局部 改变,至多利用层次细化模型直接操作一些曲面特定点;而一些基于参数曲线 的曲面设计方法,如扫描法,蒙皮法,旋转法和拉伸法, 也只能通过调整生成曲线来改变曲面的形状。动画业和实体造型业急需发展与 曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法,于是导致了自由变形法的诞生, 它是一种建立在弹性变形或热弹性力学等物理模型基础上的变形法,一种以求 解约束为基础的变形法,一种以几何约束为基础的变形法,同样也是基于多面 体对应关系或基于图象形态学中和操作的曲面形状调配技术。 曲面重建:在汽车车身设计或人脸雕塑曲面的动画制作 中,常用油泥来制作模型,再利用相关仪器对三维型值点进行采集。利用曲面 上采集到得相关信息来构建原始曲面的几何模型,称为曲面重建。采样工具为: 接触式探测数字转换器,激光测距扫描器,医学成象仪等。函数型曲面重建和 离散型曲面重建是曲面重建技术的两种基本形式。年建立的任意拓扑 样条曲面自动重建法和年创造的离散点集拟合法是函数型曲面 重建的代表工作。于年和年先后创造的分片线性或分片光滑 的曲面模型则是离散型曲面重建的代表工作。 近几年,浙江大学的汪国昭与陈凌钧等研究出了针对人体下颌下腺与子宫 内膜切片图象的曲面重建算法。等人又在年提出了一种基于计算 几何学中的图和三角化的全新的曲面重建算法,被称为外壳 算法,其优点在于输出的离散曲面在细节区域具有密集点而在无特征的区域只 有稀疏点。最近几年,曲面重建的研究成为了热点问题,这也促进了各种三维 采样设备的发展与进步。 曲面简化:目前,陆面简化也是国际研究热点之一。它 的基本思想是从重建后的三维模型中除去离散曲面或造型软件的输出结果中无 用的多余信息而同时又要保证模型的精确度,以利于图形显示的实时性、数据 传输的快速性和数据存储的经济性。对于分辨率高的曲面模型,曲面简化还有 利于建立曲面的层次逼近模型,进行曲面的分层显示,分层传输和分层编辑。 网格顶点剔除法,网格边界删除法,网格优化法,最大平面逼近多 边形法与参 数化重新采样法是曲面简化最主要的几种方法。年,浙江大学的杨勋年在 其博士论文中采用基于球面三角形逼近技术,将三角片构成的人脸模型进行简 化,在误差为%的条件下,把三角形片数由个成功减少到个,取 得了良好效果。 曲面转换 用不同的表达式表示同一张曲面,这种方法不仅 具有理论意义,而且具有工业应用的现实意义。例如,这种参数有理多 项式曲面存在着微分运算冗繁、积分运算误差很难控制的局限性。并且这两种 运算在曲面拼接及物性计算中是不可避免的。这就产生了把曲面转化成 近似多项式曲面的问题。在多项式曲面设计系统与曲面设计系统间的数 据传递和无纸化生产的工艺过程中也同样存在这样的要求。最近几年,国际图 形界对曲面转换方法的研究主要体现在以下几个方面:用多项式曲面来逼近 曲面的算法及收敛性;贝塞尔曲线曲面的隐式化及其反问题; 飞机设计系统的曲线向高维的各种推广形式的比较与互化;有理 贝塞尔曲 线曲面的降阶逼近算法及误差估计;曲面在矩形域上与三角形域上的相 互转化等。中国科大的陈发来与美国图形学专家,深入研究了 曲线的多项式逼近,其后浙江大学的汪国昭和郑建民又用围道积分法等方法证 明了收敛条件。除此之外,清华大学的胡事民他的博士论文中,提出并实现了 曲线在 贝塞尔三角曲面片裂变为三张矩形片的思想和算法,并发现? 递归和升降阶算法上优于曲线。 曲面位差:曲面位差曲面等距性在计算机图形及加工中有广 泛应用,同样也是近几年的研究热点。例如,曲面位差在数控机床刀具路径设 计时就要用到。从其数学表达式可以看出,平面参数曲线的等距曲线不是有理 曲线,超出了一般情况的系统的使用范围,导致了设计软件的复杂性和 数值计算的不确定性。国际图形界为解决这一问题,提出用简单曲线来逼近等 距曲线的各种相关算法,但是却引出新的问题,即收敛性考核、计算不稳定、 误差难控制等问题。美国科学家在年率先找到了~类特殊的平面 参数多项式曲线曲线具有这种性质。浙江大学的吕伟在年利用复 分析法,重新参数化和代数几何技术,给出了多项式与有理参数曲线的一般 形式,从根本上解决了平面曲线等距线的有理化问题。紧接着,广义曲线的 定义被浙江大学的郑建民提出,他给出一个充要条件来描述等距曲线和可以有 理参数化的更一般的曲线。吕伟在年证明了常用的二次曲面的有理等 距曲面均可用有理参数样条精确表示;同年,他与奥地利学者等,提 出了直纹面的几何交互设计方法;同时,证明了脊线为有理样条曲线的管道曲 面可以精确表示为有理样条曲面,并给出具体的参数化算法。 .自由曲面造型技术与数控加工的关系 自由曲面是现代工业生产中最复杂的曲面,并且这种曲面在设计造型过程 中会经常遇到,如螺旋桨叶轮和汽车车身等均为自由曲面。这些零件表面形状 复杂,加工精度要求很高,所以这些具有自由曲面的零件加工难度极大。 随着数控技术的产生与发展,数控加工从一开始便广泛有效地应用于盐面 加工中,使得曲面的加工效率得到了极大的提高,加工范围也越来越广泛。数 控加工也使曲面的加工更利于生产管理和向力工、以/一体化加工的 方向发展。而曲面加工的高要求同时也促进了数控技术向高效率、多功能、高 精度、集成化的方向发展。数控加工过程如图卜所示。 数控编程系统 ?.一塑王趁盥一?一~一?一?一妲萎墨 柝: 掣: 能 机床 机床 刀具 伺服控 ,零件成品 工装 制 驱动 结构 反馈 信息 图 数控加工过程 .五轴数控加工技术概述 ..五轴加工国内外发展状况哺。 ’ 装备制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生 产提供重要的手段,是不可或缺的战略性产业。无论是发达国家还是发展中国 家,都高度重视装备制造业的发展。近些年来,我国国力的日益增强和国防建 设的需要,促进了装备制造业的迅速发展。机床的优劣体现了一个国家制造业 水平的高低,而五轴联动数控机床则代表了机床制造业的最高水平。 五坐标数控集计算机控制、高性能伺服系统驱动和精密技术于一体。广泛 应用于自由曲面的高效精密加工。五轴数控加工的两个关键技术是:五坐标数控 系统和编程系统。国外最新的数控系统都将两者集成在一起,性能很强,已远 远走在前面。近些年来,德国推出的数控沙带磨系统具有六轴且能五 坐标联动,能对叶轮叶片等具有复杂型面的零件进行精加工,具 有浮动磨削、 仿形磨削、数控磨削三种加工方式。该系统还配有多坐标测量头,可以将 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 型面的几何数据读入系统内存,并自动编写出加工刀具轨迹的数控程序并产生 相应数控指令。 我国五坐标数控系统的研究开发起步比较晚,国内虽然在年代以后先 后引进一些先进的数控系统与/系统,但由于资金短缺,引进难以配套, 因此难以发挥效用和难以吸收发展。西北工业大学在五坐标数控系统方面作出 了很大努力,年以来,完成了航空发动机叶轮的三维建模及五坐标数控加 工图象编程软件,但是其通用性较差,未能商品化。年代以后转入技术攻关 阶段,数控系统是数控机床的核心,从年开始,在、等国际、 国内机床展览会上,我国的五轴数控机床产品纷纷亮相,国内五轴数控机床的市 场逐渐被打开,随后国际机床界的巨头纷纷进入中国市场,五轴数控机床的品种 和数量逐年上升。在、两次展览会中,国内机床厂推出台 五轴联动机床:国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份 有限公司分别展出了主轴转速/ 的五轴高速龙门加工中心,北京市机 电院的主轴转速/的五轴高速立式加工中心:清华大学与昆明机床 股份有限公司联合研制的,采用标准平台结构,可实现六自由 度联动:大连机床厂自行研制的串并联机床一,其数控系统由清华大学 开发。这些机床均已达到国际先进水平,体现出我国机床工业又有突破性提高。 ..五轴加工中心的分类 立式加工中心和卧式加工中心是加工中心的两种基本形式,立式加工中心 三轴最有效的加工面仅为工件的顶面,卧式加工中心借助回转工作台,也 只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展, 五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点,工件一次装夹就可完成五面体的 加工。并且在五轴联动高档数控系统的支持下,还可以对复杂的自由曲面进行 高精度加工。 立式五轴加工中心 立式五轴加工中心的有两种方式的回转轴,一种是工作台回转轴,定义为 轴,它设置在床身上的工作台上,并且可以绕轴回转,通常情况下,轴的 工作范围为.度度。另外,工作台的中间还设有一回转台,可以绕轴 回转,我们把它定义为轴,轴都是度回转。轴与轴的组合使得主轴可 以加工工件的除了底面外的另外五个面。轴和轴最小分度值一般为.度, 这样又可以把工件细分成任意角度,加工出倾斜孔、倾斜面等特征。轴和 轴在与三直线轴实现联动的情况下,就可以加工复杂的空间自由曲面,这 也需要高档的伺服系统、数控系统以及相关/软件的支持。其优点是 主轴的结构比较简单,刚性好,制造成本比较低。 另一种是依靠立式主轴头的回转。有一个回转头在主轴的前端,它能自行 环绕轴度,就是轴,回转头上具有可环绕轴旋转的轴,一般可达 度以上,实现上述功能。其优点是大大增加了主轴加工的灵活性,可以将工作 台设计的很大,使得一些庞大的工件都可以在这类加工中心上加工。另外,这 样的设计还有一个优点:当使用球头刀加工自由曲面时,当刀具的中心线垂直 于被加工表面时,此时,球头刀的顶点线速度为零,加工出的工件表面质量会 比较差,主轴回转的设计使主轴可以相对工件转过一个角度,使球头刀‘避开顶 点切削,具有一定的线速度,大大提高表面加工质量。这种结构非常受模具高 精度曲面加工的欢迎,这是工作台回转式加工中心难以做到的。 卧式五轴加工中心 卧式加工中心的回转轴也具有两种形式,一种是工作台的一个回转轴再加 上卧式主轴摆动作为一个回转轴,实现五轴联动加工。这种设置方式的优点是 简单而且灵活,当需要主轴立、卧转换的时候,工作台只需分度定位,即可简 单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度, 对工件实现五面体加工,制造成本降低,又非常实用。也可对工作台设置数控 轴,最小分度值.度,但不作联动,成为立、卧转换的四轴加工中心,适 应不同加工要求,价格非常具有竞争力。 另一种为传统的工作台回转轴,工作台轴设置在床身上,它的工作范围 一般在. 度至度。另外~个回转台轴工作台的中间,轴可双向 度回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比第一种方式好,常用于加工大型 叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈,分度精度达到几秒,当然这 种回转轴结构比较复杂,价格也昂贵。 ..五轴加工中心发展趋势【州 最近几年,不断进步的驱动技术和控制系统,推动了加工中心结构与性能 的不断提高与创新。而在模具加工机床的多种结构中,通过直线电机和转矩电 机使加工中心发展成全采用直接驱动的五轴加工中心,显著提高了加工中心的 行程速度、动态性能和定位精度。五轴加工中心性能的提高主要体现在以下几 个方面: 电主轴 高速电主轴是高速加工中心的核心部件。~直径的立铣刀在模具自 由曲面和复杂轮廓的加工中经常被采用,但是加工铜或石墨材料的电火花加工 用的电极,要求非常高的切削速度,所以,电主轴必须具有很高的转速。目前, 主流的加工中心主轴转速一般在/,瑞士的高速加工 中心/其主轴转速已达 /。而在模具的微细铣 削中,则需要更高的转速。如德国公司的五轴高精度铣床,其最高主轴 转速达 /。但是,高转速产生的热量以及切削时可能产生的振动是 影响模具加工精度的关键因素。在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传 感器,以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控,这样可保 证高速电主轴工作的稳定性。由此为数控系统提供相关的修正数据,以修改主 轴转速和进给速度,对加工参数的设置进行优化。 ’ 直线电机 目前,尽管大多加工中心还是采用伺服电机与滚珠丝杠,但是一些高档的 加工中心已采用直线电机,例如德国公司的/型高 速铣床和德吉马公司的 型高速加工中心其轴加速度达和快 速行程速度达/。直线电机的运用,免去了将回转运动转换为直线运 动的传动组件,很大程度上提高了轴的动态性能、移动速度和加工精度。采用 直线电机驱动的机床显著提高了生产效率与高速机床的动态性能。 转矩电机 目前,在高速加工中心上,广泛采用转矩电机来实现回转工作台的摆动以 及叉形主轴头的摆动和回转等运动。转矩电机是一种同步电机,其转子直接固 定在所要驱动的部件上,与直线电机一样是直接驱动装置。转矩电机所能达到 的角加速度要比传统的蜗轮蜗杆传动高倍,在摆动叉形主轴头时加速度可达到 。由于转矩电机具有很高的静态和动态负载刚性,因此提高了回 转轴和摆动 轴的定位精度和重复精度。 控制系统 控制系统是加工中心的最关键组成部分,它在很大程度上决定着机床 加工的速度、精度和表面质量。所以,对于加工自由曲面的加工中心,数控系 统的性能好坏具有非常重要的意义。加工高精度自由曲面时,由微段直线和圆 弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序,这些数据需要控制系统来存储和处理, 所以,程序段处理时间的长短是决定数控系统工作效率的重要指标。目前,高 档控制系统的程序段处理时间一般可达. 海德汉的汀数控系 统,而个别数控系统的程序段处理时间已缩短到.~.。 现代 数控系统,除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理 以 时间外,还应具有矛样条插补功能,并能以纳米的分辨率进行工作, 便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。目前,~些高档的数控 系统能与不同公司的/系统进行连接,/集成到控制系统 上.在很大程度上能使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果,并对缩短调整时 间和编程时问做出十分重要的贡献。 高速数控加工技术概述四 高速加工定义 高速加工是指采用超硬材料的刀具,通过极大地提高切削速度和进给速度. 以提高材料切除率,提高加工精度和加工质量和加工表面质量的现代加工技术。 以切削速度和进给速度界定:高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的 .倍。 船科 铝告畚 钿 铸铁 镝 锰。垒 镍台盒 临: 切削追度 圈高遗与超高速切削述篮范嘲 匕:高谜切削二超商建切削 图卜 高速与超高速切削速度范围 高速加工切削速度范围随加工方法不同而不同:高速车削的切削速度范围 通常为?/;高速铣削的速度范围为./;高速钻削的速度 范围为一;而高速磨削的速度范围为/。 以主轴转速界定:高速加工的主轴转速?/。高速加工的特点 与普通加工相比,高速加工具有如下特点: 加工效率高进给率较常规切削提高到倍,材料去除率可提高?倍。 切削力小较常规切削至少降低%,径向切削力降低更明显,这样更 有利于减小工件受力变形,适于加工薄壁件和细长件。 切削热少加工过程迅速,%以上的切削热被切屑带走,工件积聚热 量少,温升低,适台于加工熔点低,易氧化和易于产生热变形的零件。 加工精度高高速加工刀具檄振频率远离工艺系统固有频率,不易产生 振动:由于切削力小.热变形小,残余应力小,易于保证加工精度和表面质量。 工序集中利用同一设备既可对工件进行高速粗加工,也可进行高速精 加工,实现工序集中。工序集中对于模具加工具有特别的意义。.. 高速加工的应用: 目前,高速加工已广泛应用于模具,汽车,航天等领域。高速加工对于航 ? 天工业中带有大量薄壁,细筋的大型轻合金整体构件,材料去除率达 /;并且具有良好的质量。此外航天工业中许多镍合金,钛合金零件,也 适合采用高速加工,切削速度达./。 在目前的汽车工业中,产品的更新换代速度很快,由高速数控机床和高速加 工中心组成的高速柔性生产线,可以实现多品种,中小批量生产,满足了汽车 市场的需要。 用高速铣削代替传统的电火花成型加工模具,可使模具制造效率提高 倍。对于复杂面模具,模具精加工费用往往占到总费用的%以上,采用高速 加工,可使模具精加工费用大大减少,从而降低模具生产成本。在仪器仪表工 业中,目前高速加工主要用于精密光学零件加工。 ..高速加工的关键技术 高速加工具有很多优点,但由于技术复杂,相关技术要求高,高速加工的 应用仍然受到一定程度上的限制。与高速加工密切相关的技术主要有: 高速加工刀具,磨具材料与制造技术。 高速主轴单元与高速进给单元制造技术。 高速加工在线检测与控制技术。 其他技术,如高速加工毛坯制造技术,干切技术,排屑技术,安全防护 技术等。 ..高速加工应用方面研究发展趋势 高速加工应用方面研究主要包括以下内容?以: 采用干切削方式实现绿色切削; 在重切削工艺中进行高速切削; 开发和完善各种高速切削工艺方法; 难加工材料的高速切削; 基于新型检测技术的加工状态监控系统; 与高速加工相适应的软件。 目前,高速超高速切削工艺的研究已从实验阶段转入实用化阶段,超高速 。一方面是利用 切削的工艺研究已成为当代最为活跃的研究热点领域之一【。 现有技术平台,进行工艺性能和工艺范围的应用研究,另一方面是进行高速到 超高速的关键技术方面的基础研究。高速切削的研究在我国也是按照上述两个 方向并行发展,一方面是对高速电主轴和高速轴承等关键技术进行基础研究, 实现高速机床的国产,另一方面则是通过试验或引进的先进设备直接进行工艺 研究,尽快解决关键零部件的加工工艺问题。 .论文的课题来源和主要研究内容 本论文研究课题来自合肥工业大学研究所与中科院合肥物质研究院 等离子体物理研究所合作项目一透平膨胀机工作轮自由曲面造型与五轴联动高 速、高精度数控加工。同时该工作也为研究所承担的安徽省自主创新专项 项目“高档数控机床与数控系统开发的开展打下较好基础。 自由曲面的设计与制造相对于常规机械零件复杂得多,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,曲面的整体性能必将受到影 响,因此自由曲面的设计与制造密不可分。 透平膨胀机叶轮是种典型的精密超薄自由曲面零件。因此,合理模型的建 立以及刀具路径的规划和加工参数的选择是其加工成败的关键。论文的主要研 究内容为: 研究国内外相关资料,介绍了目前自由曲面造型与五轴高速加工的关键 技术和发展趋势。以透平膨胀机叶轮为例,阐明了论文对复杂曲面的建模和加 工研究的重要意义。 利用自由曲面造型原理,通过对叶轮轮廓数据的测量,透过逆向工程技 术应用软件绘制出透平膨胀机叶轮的实体模型; 通过对五轴加工中的等参数线法的研究,以及高速加工中加工工艺的优 化,总结出适合透平膨胀机叶轮的加工工艺,并利用软件计算出叶轮 加工的加工刀轨。进一步研究自由曲面五轴高速加工工艺,并对透平膨胀机叶 轮的加工工艺进行一定的优化,达到更好的加工效果。 研究数控系统的 加工中心及其 特点,对所得的叶轮刀轨进行后置处理,并实现叶轮的实际加工。 第二章 透平膨胀机原理和对叶轮要求 透平膨胀机国内外发展情况陋? 绝热等熵膨胀是获得低温的重要效应之一,而透平膨胀机则是实现接近绝 热等熵膨胀过程的~种有效设备。目前,从空气调节装置,低温环境模拟设备 到气体的液化,低温分离装置,都能看到透平膨胀机的实际应用。 .透平膨胀札国外发展情况 采用透平作为获得低温的膨胀机的想法早在年就由英国人 提过,以后又有不少人提出了具体的设想,但是始终未能取得成功。 直到年德国的 工厂才成功的把一台单级轴流冲动式透平用于气体 的液化装置中。年以后,意大利人 提出的向心径流式透 平得到了成功的应用图一。在透平膨胀机的发展中有较大影响的应为 年苏联人.几. 提出的反作用式向心径流透平。他的根本特点在 于:在工作轮的通流部分中也完成了一部分焓降,因而表现在结构上具有较大 的进出轮径比。由于采用了这种结构形式,使透平膨胀机的等熵 效率首次达 到%,成为现代透平膨胀机发展的基础。到年美国人描述 的改进后的向心径流反作用式透平膨胀机就成了现代透平膨胀机的基本模式图 ,它的等熵效率超过了%,有的达到%,它的结构简单,流动损失小。 以后的改进都是局部性的。七十年代以来,两相透平膨胀机的出现指出了设计 理论方便新的研究方向。向心径流反作用式透平膨胀机的容积流量大,结构简 单.工作可靠,由于它的容积流量大,效率又得到提高.因而使一度被淘汰的 空气制冷循环叉获得了一定的应用。当然,这种型式的透平膨胀机也有一定的 局限性。在焓降较小而气量更大时,则以采用轴流式为宜。在焙降很大的场合, 就需要采用多级膨胀。在流量过小时,采用容积式膨胀机的效率就比较高。 遁墓 嚯鬻 阁 型冲动式径流透平膨胀机正是由于透平膨胀机具有尺寸小,重量轻,寿命长,结构简单,操作维护 方便,工质少污染等优点,和活塞式螺杆式等所谓容积型膨胀机相比,获得了 日益广泛的应用。世界上近代透平膨胀机在低温领域中,五十年代主要用于低 压,大流量场合,六十年代发展到了中小流量和中高压装置中,七十年代更扩 展到了更小流量的低温装置和微型制冷机中。 圈 型反作用径流式透平膨胀机我国透平膨胀机发展状况 我国在解放后,随着国民经济的发展,低温装置不断出现,透平膨胀机也 获得了广泛的应用。年首先在飞机空调装置中采用了向心径流冲动式透平 膨胀机;】年又在高低压流程的空分装置中采用了向心径流冲动式透 平膨胀机。年开始,我国又自行设计和试验了低压空分装置用的向心径流 反作用式透平膨胀机。年以后,相继设计和制造了产氧量从到 ‖/的各娄全低压空分装置使用的低压空气透平膨胀机:产氧量为 和一/的中压空分装置用的中压空气装置透平膨胀机。此外,还有低焙 降的空气氮洗联合流程用大气量,低转速的透平膨胀机和高焓降 的中压氮液化 装置用分两级膨胀的中压膨胀机。 在型武方面,除了应用广泛的径轴流反作用式透平膨胀机外,还出现了轴 流式透平膨胀机和多级透平膨胀机。在结构方面,有半开式工作轮,也有闭式 工作轮。有风机制动的,也有电机制动的。有转动喷嘴叶片调节的,也有开启 喷嘴组调节的。 在制造工艺方面,也先后试验成功了工作轮的精密浇铸成型,闭式工作轮 的轮盖衔接工艺,工作轮的电火花加工成型,气体轴承的挤压成型等新工艺。 当然,与国际上先进水平相比,我国在透平膨胀机的发展方面仍存在一定 的差距。例如设计上还缺少综合性的虽优化设计程序,对高速转子一轴承系的动 力性能还缺少深入的理论分析,对流通部分的气动性能试验研究较少.对两相流动的透平膨胀机的研究还需深入,在结构设计中的冷量调节机构的可靠性较 差,此外在工艺上也存在着不相适应的情况。随着科学技术的现代化,这些差 距必将一得到解决。 .透平膨胀机机组的组成 机组的总体布置:当前单级透平膨胀机使用十分普遍,在机组的总体布置 上也几乎是具有共同的特点。带有风机或其他同轴制动器的透平膨胀机机组一 般都采用两端悬臂,中部安置两个轴承的布置方式,如图所示。这种布置 可以采取卧式或直立式。对于带有电机等低速制动器的透平膨胀机,则需要通 过减速机构传动,如圆柱人字齿轮或行星齿轮,其总体布置则如图所示。 这些布置都有一个共同特点,就是低温部分处于轴的一端,因而使进出口低温 管道布置方便,结构紧凑;轴的最大应力部分避开了低温区:可以采用刚性轴. 使轴的强度,刚度及振动等问题都比柔性轴要有利些,可靠性得到增强。 机组的润滑系统和冷却系统可以根据低温装置的总体设计来考虑。基本上 有两种类型。 种是把润滑系统和冷却系统与机组放置在一起,它的优点是结 构紧凑,集中管理,维持方便。另一种类型的布置则采取与机组分开的单独的 润滑系统和冷却系统,它具有机动灵活的特点,可以与装置很好的配合,而比 较笨重的润滑冷却系统则可按照具体情况布置。 嗣 嗣 图直接传动的总体布置 爨 四 驴 图带减速器的总体布置透平膨胀机机组组成包括膨胀机本体,制动设各,减速器与联轴节等传动 设备,润滑系统和冷却系统,气封系统,安全保护设备和监测仪控系列等,如 图?。 气封系统与外泄漏: 为了防止透平膨胀机内低温气体的外漏和防止常温部分润滑油渗入密封, 采用密封气体是比较有效的。通常密封气体引自常温的工艺气体。密封气的压 力根据设计要求可以采取两种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。一种方案的压力略高于周围 压力约 . .这时引八气封的位置中,压力可以和供气压力平衡,从引入口 到轴承侧的泄露气就成为常温密封气。这种方案的密封气耗量较少,但是低温 气体仍然有外漏。另一种方案是把供气压力提高到与膨胀机工作轮的轮背压力 相平衡。这时冷气体基本上不再外漏,但是密封气耗量大,而且密封气将进入 膨胀气体内,影响制冷量和气体组分。 润滑系统: 机组的润滑系统用来为轴承,齿轮及其他摩擦零件润滑和冷却使用。由于 透平膨胀机转速高,一般都采用带压力的连续循环润滑,而且经过强制冷却。 进入润滑点的油压一般要求不低于 ,油温不高于?。此外,为了保证 安全运转,还设有紧急供油箱和辅助油泵。紧急供油箱可采用安放在较高位置 的高位油箱,利用重力自动供油;或者采用压力油箱,它是利用正常供油时的 油压使油箱上部的空气得到压缩而保持一定的压力,一旦供油压 力消失时,利 用容器内空气的压力保持短期的供油。 .一,,售壅霎霹\ 国 透平膨胀机机组组成.透平机基本工作原理及叶轮在透平机中的作用 ..透平机基本原理 透平机,就是涡轮机的音译.具有叶片的动力式流体机械。 其特点是装有叶片的转子作高速旋转运动,流体流经叶片之间通道时,叶片与 流体之间产生力的相互作用,借以实现能量转化。按能量转化方向的不同,透 平机械分为原动机和从动机。原动机将流体的能量转化为机械能,通过主轴带 动发电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和 风力机等。从动机由电动机或其他原动机拖动,将机械能转换为流体的能量, 即提高流体的压力。从动机有通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。从动 机和原动机在原理和结构上基本相同,只是工作过程相反。透平机械的工质可 以是气体,如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体,也可以是液体,如水、 油或其他液体。透平机械主要分为轴流式和径流式离心式或向心式两种。 在轴流式机械中,流体沿轴向流动;径流式机械中,流体主要沿着径向流动。 还有一种斜流式机械,流体的流动方向介于上述两者之间。 ..透平机中叶轮的作用 全气透平膨胀机一般有个叶轮,膨胀轮和制动轮。他们分别安装在主轴 端,工作时一起同转速转动,项目加工的为膨胀轮。 透平膨胀机工作轮的主要作用是把能量有效地转换为机械功并输入给轴 端,带动主轴旋转。同时,工作轮还应把膨胀后的低温气体引导到扩压器中。 在径轴流式透平机中,工作轮~般由主体段和出口段两部分组成,主体段气体的 流动方向主要是由外围向中心的径向流动,而导流段则是轴向流动。两者的组 合成常见的径轴流式工作轮。如果没有轴流段,那么就成为径流式工作轮,这 时出口气转向时的流动损失大,如果没有径流段,则成为轴流式 工作轮,这时 焓降较小。两者组合后具有焓降指一千克干空气的焓和与它相对应的水蒸气 的焓的总和大和损失小的特点。工作轮不但接受从喷嘴出来气流的动能,而 且气体还在工作轮中继续膨胀作功进一步降低焓值和温度。 叶轮的形状尺寸精度对透平机的工作影响主要有以下几点: 叶轮的形状决定了气体的流动方向是径向、轴向还是径轴流式。 叶轮的叶片之间的间隙决定了气体在流道中的流量,一般情况下在满足 其他方面要求的情况下叶轮的流道越大,气体流量越大,从而提高透平效率。 叶轮的叶片厚度影响到使用寿命,叶片太薄会导致工作一段时间后叶片 的损坏。 叶片上部的扭曲形状决定了气体的出口方向是否正确,符合要求的叶片 出口角会减少气体的流动损失。 叶轮的叶片数要合适,叶片数过少会使气流参数不均匀,因而增加流动损失、降低效率。 叶轮形状精度主要影响气体流道,远对透平效率影响比较丈:还有就是影响 透平转子的动平衡性能,加工对称性越好,动不平衡量就越小,动平衡性能就越好, 反之亦然。 .项目中透平机对叶轮的要求 项目所要加工的叶轮为径轴流式,共两种规格。大叶轮直径,片太 叶片.片分流叶片,共片叶片。小叶轮直径,片大叶片,片分流 叶片,共片叶片,图?所示的印为直径为的叶轮装在俄罗斯进透 平机中的照片。 叶片造型需要满足如下几个要求:叶片边缘必须通过反求出的叶片边 缘数据点。叶片表面光顺。叶轮外形与叶片自身的尺寸形状要求,如 表?、 与图?。大叶片的变化趋势,由下到上,又外到内,厚度逐 渐变小。小叶片顶部截面边缘线为直线。叶片襄面粗糙度正常即可。 加工出的叶轮其透平效率不得低于%。 叶轮基本外形尺寸 名称 直径 出口内径 出口外径 轮背厚度 叶片高度 轴向长度叶轮基本外形尺寸 表叶轮外形尺寸,单位.皿 名称 叶片根部厚度 叶片边缘厚度 叶片出口角 叶片个数??? 圈?俄罗斯进口避平机围图? 两种规格叶轮二维图 .本章小结 本章首先对透平膨胀机的国外发展历史作了简单介绍,以国外透平膨胀机 的发展情况,结合我国透平膨胀机在解放后的发展情况,分析了和世界先进水 平的差异。其次,对透平膨胀机的基本工作原理和机组组成作了介绍,对透平 膨胀机的组成部分中的气封系统和润滑系统作了重点介绍。晟后.根据项目需 要,对两种规格的叶轮要求做了阐述,为下一章的叶轮建模做了前期的准备。第三章 透平机叶轮自由曲面建模 .自由曲面造型理论 现代社会对产品的外观要求越来越高,人们在选择消费品时,除了要求具 备优良的功能外,对产品的外观的要求也是越来越高。所以,产品设计者需要 越来越多的用复杂的自由曲面来改进产品的外观,使其变的时尚。 计算机技术和数学方法的不断发展使得曲面造型技术逐步产生和发展起 来,它主要是研究在计算机图像系统的环境下对曲面的创建,表 达,显示及分 析等。 随着计算机图形技术以及工业制造技术的不断发展,曲面造型在近几年又 得到了长足的发展,这主要表现在以下三个方面: 从研究领域来看,曲面变形,曲面重建,曲面简化,曲面转换和曲面等 距性等逐渐代替传统的曲面表示,曲面求交和曲面拼接,成为当代曲面造型的 研究热点。 从表示方法来看,高度运用了以网格细分为特征的离散造型方法。 从曲面造型的方法来看,一些新的造型方法,如:基于偏微分方程的曲 面造型方法;基于物理模型的曲面造型方法;流曲线曲面造型方法等相继出现。 ..自由曲面技术的数学概念。们 曲面造型技术随着数学相关研究领域的不断深入而得到长足的进步,多种 曲线、曲面被广泛应用。 .贝塞尔曲线与曲面 年,法国雷诺公司的提出的一种构造曲线曲面的方法,即 曲线与曲面,它是三次曲线的形成原理,它是由四个位置、、、定义 的曲线。通常将、、?..组成的多边形折线称为控制多边形,多 边形的第一条折线和最后一条折现代表曲线的起点和终点的切线方向,其他曲 线用于定义曲线的阶次与形状。 . .样条曲线与曲面 样条曲线不但具有曲线的优点,还采用特征多边形及权函数定义曲 线,所不同的是权函数不采用伯恩斯坦基函数,而采用样条基函数。 样条曲线与特征多边形十分接近,同时便于局部修改。与曲面生成 过程相似,由样条曲线很容易推广到样条曲面。 样条定义 样条的定义有很多种,他们之间相互等价。截尾幂函数的差商定义在理论 上较多地采用。而在工程领域,作为标准算法的德布尔一考克斯递推定义却有 着更加实际的意义,因此将它的递推算法介绍如下: 州......籍岖 一 、七?二等?纠耋虹正 ‰“一 【‰~%’ 规定旦 州八?’中的第二下标表示次数,第一下标表示序号。由该递推公式,我们 可以知道欲确定第个次样条、驯,需用到,,?共 个节点。我们称区间【坼,卅,为、的支撑区间。、七的第一个下标等于 其支承区间左端节点的下标,既表示该样条在参数轴上的位置。曲线中相 应个控制点?,,,?,,要用到个次样条基函数八驯, ,,。它们每一个都是次样条。它们的支承区间所含的节点的 并集就是定义这一组样条基德节点矢量,地,..’,材。 样条曲线的分类 样条曲线通常按照节点矢量分类,由于零次与一次样条曲线分别就是 控制顶点与控制多边形自身,与所取节点矢量无关,所以这两种样条曲线按 节点矢量分类就没有意义。现在我们主要考虑高于一次样条曲线按节点矢量?,,次数为,于是节点矢量为 的分类。设琏制顶点’,, 【‰,,..‘,“肘“ 。样条曲线按节点矢量中的分布情况不同,可划分为女 种类型: 均匀样条曲线? 节点矢量中节点沿参数轴均匀或等距分布,所有节点区间长度?,“川一列, 常数,,,。这样的节点矢量定义了均匀样条基。 准均匀样条曲线?, 其节点矢量中两端节点具有重复度 即 ?%?,所有内节点均匀分布,具有重复度。 %“??‰,’,毪 定义域“?【‰,“槲内节点区间长度宠常数,,...,与均匀 样条曲线定义域内节点分布相同,差别仅在于两端节点。这样的节点矢量定 义了准均匀样条基。 一般非均匀样条曲线? ? 在这种类型里,任意分布的节点矢量【‰,铂,..’,甜袱,,只要在数学上成立 其中节点序列非减,两端点重复度?,内节点重复度?都可取。这样的 节点矢量定义了~般非均匀样条基。可见前两种类型都可以作为特例被包括 在这种里。 非均匀有理样条曲线与曲面 是 ?的缩写,是非统一有理样条的 意思。具体解释是: 非统一:指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创 建一个不规则曲面的时候,这一点非常有用。同样,统一的曲线和曲面在透视 投影下也不是无变化的,对于交互的建模来说,这是一个严重的缺陷。 有理:指每个物体都可以用数学表达式来定义。 样条:指用路线来构建一条曲线,在一个或更多的点之间 以内插值替换。非均匀有理样条 其方法的主要贡献 是统一了描述自由型曲线曲面的样条方法和精确表示二次曲线与二次曲面的 数学方法。由于在定义形状方面有着强大的功能和潜力。国际标准组织 在年正式颁布的工业产品几何定义标准中将规定为自由 型曲线、曲面的唯一表示方法。 在年将样条推广到四维齐次坐标空 间中,从而引出有理样条曲线。设在四