半开式整体叶轮的定轴插铣加工

摘要

透平机械作为一种能量转换的机械，广泛应用于交通、航空航天、石油化工、能源电力等行业，在国民经济中占有重要的地位。叶轮是影响其性能的核心部件，因此做好叶轮的设计制造对提高行业竞争力、促进国民经济发展具有重要的作用。叶轮加工所涉及方面较多，企业和学术界都从不同方面作了大量研究，但是叶轮的粗加工阶段的加工效率一直得不到有效提高。本文针对半开式整体叶轮，利用目前应用较少且效率较高的插铣方法，提出了一种基于最大刀位规划区域的定轴插铣方法;为了进一步提高效率，又提出了将流道进行分段加工，每段选用不同刀具以提高加工效率的方法。文章主要内容有:
　　首先，给出了构建叶轮数字化模型的思路。介绍了构建模型的数学工具:B样条曲线、直纹面和回转面，并对建模过程中所涉及的算法和原理进行了推导和分析。构建了叶轮的数字化模型。
　　为了提高叶轮粗加工阶段的加工效率，本文采用目前研究较少的定轴插铣方法。为了提高材料去除比率，针对叶轮定轴插铣时所切除的材料形状是一般柱体的特点，根据去除材料体积与一般柱体投影线围成区域面积成正比的规律，提出了刀位规划区域的概念;并建立了以刀位规划区域面积最大为优化目标的数学模型。在满足工程需要的前提下，对模型进行了适当转化，并给出了所涉及的相关算法。利用Matlab软件求解模型得到了刀位规划区域面积最大时的刀轴方向。
　　针对目前流道分段加工没有通用的算法的情况，提出以流道宽度作为分段标准;对流道宽度做出定义，并给出了在流道轴盘和盖盘宽度相同处对流道进行分段的具体算法;以每个分段作为加工对象，通过前述定轴插铣方法优化得到不同刀轴方向，在每个分段选用不同的刀具进行加工;最后通过仿真实例验证了所提算法的有效性。
　　在UG软件上完成了对叶轮的叶片半精和精加工，轮毂精加工，清根加工。
　　最后本文进行了三因素四水平正交插铣试验，用极差分析法对所得数据进行了分析，在分析结果的基础上对插铣切削用量选择提出了合理建议。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 插铣加工研究现状

1．2．2 叶轮加工研究现状

1．2．3 刀位规划研究现状

1．3 论文主要内容及文章结构

2 叶轮数字模型构建

2．1 叶轮结构分析及数据

2．1．1 叶轮结构分析

2．1．2 叶轮数字模型构造流程确定

2．2 叶轮造型

2．2．1 叶片型值曲线构造

2．2．2 叶片曲面构造

2．2．3 叶片阵列及轮毂面构造

2．3 本章小结

3 基于最大刀位规划面积的定轴插铣算法

3．1 定轴插铣加工区域最大化的数学模型

3．1．1 基本原理图

3．1．2 数学模型建立

3．2 数学模型的转化

3．2．1 B样条曲线的投影变换

3．2．2 B样条曲线求交

3．2．3 求交实例

3．3 模型求解

3．3．1 模型求解函数介绍

3．3．2 定义域转换

3．4 插铣刀位计算及抬刀安全高度确定

3．4．1 插铣平面内刀心的计算

3．4．2 定轴插削深度确定

3．5 数值算例

3．6 本章小结

4 叶轮流道分段加工方法

4．1 流道分段基本原理

4．2 基于流道宽度流道分段算法

4．2．1 流道宽度定义

4．2．2 流道分段算法

4．3 点到空间参数曲线的最小距离

4．3．1 细分算法获得粗略解

4．3．2 迭代算法获得精确解

4．4 数值算例

4．4．1 按照曲线参数均匀分段定轴插铣

4．4．2 按照流道宽度分段定轴插铣

4．5 本章小结

5 叶轮的半精和精加工

5．1 叶片半精加工

5．2 轮毂加工

5．3 叶片精加工

5．4 清根加工

5．5 本章小结

6 插铣加工切削力试验

6．1 插铣受力分析

6．2 插铣试验平台构建

6．3 试验方案

6．4 插铣铣削力建模

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢