变倾角变导程螺旋槽的数学建模和加工方法

摘要

变倾角变导程螺旋槽是航天液体火箭发动机喷管外表面上的一种新型冷却通道，该型喷管主要用来调整火箭的姿态。对该型喷管变倾角变导程螺旋槽的加工是航天制造领域的一项技术难题。本文针对这一技术难题，完成了变倾角变导程螺旋槽的数学建模、加工方法、数据处理和动态仿真等一系列从理论到仿真试验的研究。 本文应用运动学理论，研究了任意回转体外表面上的变倾角变导程螺旋线的通用模型。提出了将螺旋角和导程设计为半径的函数，并建立了圆柱型轮廓、圆锥型轮廓、鼓型轮廓、细腰型轮廓、一元多项式型轮廓的回转体外表面上螺旋槽的数学模型。 针对具体的设计要求，基于螺旋槽加工的运动合成原理，研究了变倾角变导程螺旋槽的五轴联动棒铣刀加工方法；为了克服螺旋槽加工轨迹复杂、刀具路径计算困难等问题，选择了数控加工的CAD/CAM自动编程方法及具有强大曲面建模和加工仿真功能的CAD/CAM集成系统软件Pro/Engineer。 变倾角变导程螺旋槽的数学模型是复杂的曲线积分方程，Pro/Engineer无法直接对其进行三维建模，需转换成Pro/Engineer可以处理的方式，研究了辛普森插值算法，对螺旋槽进行了数据处理，并用Matlab编程实现了数据处理过程。 变倾角变导程螺旋槽CAD模型复杂，针对某一典型工件，研究了螺旋槽的三维曲面造型技术，解决了螺旋槽的CAD建模问题；在螺旋槽仿真加工过程中，为了提高加工精度和加工效率，研究了铣削加工方法和刀具路径规划方法，并进行了仿真试验，解决了最优刀具路径的生成问题；自动生成的刀位文件经过后置处理，转换成可用于实际加工的数控代码，解决了螺旋槽的数控程序编制问题。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1螺旋线概述

1.1.2火箭发动机喷管概述

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.2.1喷管直槽冷却通道铣削加工的国内外发展概况

1.2.2喷管螺旋槽冷却通道铣削加工的国内外发展概况

1.3数控加工技术与程序编制系统

1.3.1数控加工技术概况

1.3.2自动编程系统简介

1.4课题完成的主要工作

2变倾角变导程螺旋槽的数学建模

2.1刀刃螺旋线的形成过程

2.1.1由螺旋角确定的刀刃螺旋线

2.1.2由导程确定的刀刃螺旋线

2.2任意母线轮廓变倾角变导程螺旋槽的数学模型

2.2.1圆柱型轮廓

2.2.2圆锥型轮廓

2.2.3圆弧型轮廓

2.2.4高次多项式型轮廓

2.2.5离散点型轮廓

3变倾角变导程螺旋槽的加工方法

3.1火箭发动机喷管螺旋槽的设计要求

3.2四轴联动加工变倾角变导程螺旋槽的缺陷

3.2.1等倾角螺旋槽的加工方法

3.2.2四轴联动加工变倾角变导程螺旋槽的缺陷

3.3喷管变倾角变导程螺旋槽的五轴联动棒铣刀加工方法

3.3.1变倾角变导程螺旋槽加工方法

3.3.2变倾角变导程螺旋槽自动编程方法

3.3.3自动编程软件选择

4螺旋槽数据处理及MatLab算法实现

4.1Pro/Engineer的四种曲线输入方式

4.1.1通过点

4.1.2使用X截面

4.1.3从方程

4.1.4自文件

4.2曲线积分数字化方法

4.2.1梯形法

4.2.2辛普森法

4.2.3牛顿-柯特斯闭式求积公式

4.2.4高斯-勒让德求积公式

4.3数据处理过程及Matlab算法实现

4.3.1 Matlab软件简介

4.3.2螺旋槽数据处理过程

4.3.3 Matlab算法实现

5螺旋槽自动编程过程

5.1 CAD建模

5.1.1参考模型

5.1.2工件

5.1.3制造模型

5.2制造设置

5.2.1操作设置

5.2.2机床选择

5.2.3加工零点

5.2.4刀具选择

5.2.5退刀设置

5.2.6制造参数

5.3生成刀具路径

5.3.1铣削加工方法选择

5.3.2刀具路径选择

5.4刀具路径检验

5.5数据后置处理

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢