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外文翻译离心叶轮综合加工方法
毕业设计（论文）外文翻译
题目离心叶轮综合加工方法
专业名称机械设计制造及其自动化
班级学号*********
学生姓名聂群
指导教师于斐
填表日期2010年5月15日
离心叶轮综合加工方法
台湾国立大学机械工程部
当一个三轴数控加工中心用于生产叶轮，很大的困难，是切割刀具具和叶轮之间的碰撞，可以看出。
在设计时，为达到所需的性能，叶轮的一个叶片通常设计成一个直纹面。
在加工过程中，由于表面通常是扭曲的，并且是一个在狭窄的深沟中的部件。
所以，它能够引起过切和碰撞问题，该叶轮的枢纽通常是设计成一个不规则表面。
问题在于如何满足质量要求，减少加工时间，以及避免发生碰撞。
这篇论文，结合相关的加工技术。
制定了一个综合五轴加工离心叶轮模块。
首先，在刀位（CL）数据的基础上，产生几何模型刀具和枢纽。
最后，刀位（CL）数据通过软件仿真。
核查的结果表明，该加工方法及程序成功。
关键词：
CAM;五轴联动数控五轴加工;叶轮;刀具路径规划
1.前言
五轴联动计算机数值控制（数控）机广泛用于生产航空航天部件，涡轮机叶轮，并加工模具。
这些零件通常都有复杂的几何形状，参数或自由曲面。
作为三轴加工的发展，五轴加工提供了更多的好处，例如更高的生产力和更好的加工质量。
在五轴加工机车上，刀具轴有两个额外的自由度，使得一个刀具路径更有效率。
利用五轴联动机床有效率的设计和制造加工离心叶轮就是一个很好的示范。
叶轮的曲面模型与其他大幅度极度扭曲面及其叶片相互重叠设计，如果用传统的三轴加工，将有严重的刀具和刀片之间的碰撞。
对于这种复杂的形状，一般的做法，是采用五轴加工。
三轴加工和五轴加工的主要区别是，五轴加工工具轴可以旋转，以适应切削表面的曲率变化，以避免刀具和工件碰撞或干涉。
此外，五轴加工可以改善加工表面的自由度，精度，效率和质量，以满足各种产品设计的要求。
由于费用高昂，五轴联动机器和趋势日益复杂。
对于刀具和工件相对定位，以及如何获取正确刀位数据（CL数据），了解如何规划有效的工具，路径，它是非常重要的。
这些对于产品生产以及目前的研究都是非常重要的任务。
为了缩短产品的开发过程，并更具竞争力，电脑辅助设计（CAD）和电脑辅助制造（CAM），被广泛运用于机械制造业。
根据性能的需要，为三轴加工机床设计的相应的CAM系统是行之有效的，但相对于五轴加工，三轴加工的CAM系统仍然有改进的空间。
我们的目标是设计和开发离心式叶轮制造五轴加工模块。
而开发的模块可以用来规划叶轮与同类几何特征的刀具路径，并有效地缩短设计与生产时间，降低制造成本。
2.理论模型
图1是一个圆形旋转离心叶轮的实体显示图。
它是由15个相同的叶片和一个枢纽组成的。
两叶片之间的角度变化是24°。
一般情况下，由初步的空气动力学和流体力学计算，利用优化算法。
使旋转枢纽曲线围绕旋转轴形成了枢纽面。
叶片的叶轮形成一个吸力，但从表面上看，是一种压力，而且表面上的领先于后缘。
经过修补的表面可确定外部形状的刀片。
从表面上看，在该表面上的刀片将吸力面和压力面缝合。
而旋转曲线围绕着旋转轴形成缝合面。
图1离心叶轮的曲面模型的[1]
有几个关于侧铣裁定表面的相关的研究。
西拉夫[1]，为了避免干扰问题，利用中点为基准点，并以这点为轴心旋转，然后旋转刀具，直到接触线对曲线表面上正常。
赖尔等人。
[2]他们的工作侧重于严重扭曲的非显影直纹面加工，使用密封式直纹面，逼近表面上的圆形表面或圆锥面，再对直纹面进行加工。
赖尔针对这个问题，利用运动学原理，使刀具与直纹面的一个边缘相切，并寻找交汇点，以尽量减少误差。
在目前，信息领先的加工仍在很大程度上依赖于数据和经验，对加工本来就处于领先地位的相关工作和技术，收集的来自工业实践的数据和经验是非常有限的。
ISO参数方法，经常被用来规划枢纽表面刀具路径。
每个刀具轨迹生成沿某个方向的每个参数。
往往比计划的刀具路径要多，并且将高度集中于狭窄的曲面。
在这种情况下。
富有成效的加工方法，必须减少刀具轨迹数据的数量。
（Suresh和杨[3]通过控制扇贝曲线，铣刀直径，扇贝曲线，和曲率半径。
并间隔刀具路径，来计算刀具路径。
（Suresh和杨觉得这方法可以减少数额刀具轨迹数据，但在实际应用中仍然存在着很多有待解决问题。
林和koren[4]提出了一种有效的规划方法，他们使用胶印的刀具路径，从而保证了刀具将始终在一个平面内运动，并且从表面上看，没有多余的加工。
他们的工作，也涉及到一个准确的刀具轨迹区间及其换算成参数。
基于对球磨刀具三轴加工方法。
刀具轨迹有对曲面所造成的残余扇贝形地区之间的误差。
刀具沿移动方向的误差也将有共鸣。
弦误差会影响切削点所需要的每个刀具路径。
为控制误差，有必要评估刀具路径和工件曲线之间的直线距离。
福克斯和ozsoy[5]用数值分析法计算参数值，并根据所得结果，以确定是否有必要添加额外的切点。
上述工作侧重于算法的一个单一的表面或个别加工技术。
没有为作为一个综合加工方法。
为缩小和深加工领域的差距。
我们的工作重点，是探讨对加工各种几何模型，包括侧铣一个扭曲直纹面，刀具路径规划中遇到的问题。
加工工艺为离心式叶轮和五轴加工整合，在这项工作中。
将一并讨论叶轮的完整制造过程中的规划。
3.叶轮规划过程
为讨论离心叶轮工艺规划，首先要讨论的是叶片加工中遇到的问题，为在刀片加工中工具轴通过获得刀位数据，然后给出了建议。
重点是资料校正和刀片和枢纽之间的联系，与选择
加工程序。
考虑加工的要求，从表面上看，加工规划是对枢纽刀具轨迹算法的深入讨论。
其结果是为叶轮加工设计完整的制造过程。
3.1工具轴算法
直线在加工上处于领先地位，因为它是用来约束直纹面的两个边界曲线的。
bohez等。
[6]描述了一种新的刀具轨迹生成算法，可进一步降低刀具移动，从表面上的已被加工的表面正常一个点P的对等参线，到外缘的叶片表面和该刀具是相切的。
点P是指表面上的正常点P和外缘的叶片表面之间的夹角。
刀具半径为R，两个正常平面之间的夹角是φ。
刀具轴线，沿正常的曲面自由点P移动的距离是R/COS（φ/2）。
我们采取在加工领域中处于领先优势的"线逼近法"。
正常的边界曲面是用来确定初始刀具主轴。
基于特别的扭曲直纹面，主要错误发生在另一端的曲面。
如图2所示，为避免过切。
图2线逼近法
刀具轴需要加以修饰。
最初的工具轴是基于正常边界，在直纹面的外缘。
和处于较内的优势直纹面将有很大误差。
为了使刀具的内部优势面和外缘的直纹面相切，切刀的定位点应移至沿着正常的外边缘的直纹面距离T的内缘直纹面。
当刀具半径R和角两边界之间角度φ是正常值时。
该位移量是T=R（Secφ-1）。
该算法对叶片表面侧铣采用"最高载体位移法"。
最初的工具轴线选定，要使工具轴平行于直纹面。
这意味着刀具必须抵消刀具半径的距离。
锥形铣刀往往用于增加强度。
现在定义测定刀具轴线的方法。
由于锥度不同。
刀具沿同一方向，在两边的内在和外缘的直纹面，抵消的位移会不一样。
因此与最初的工具轴平行的直纹面，将有一个是过切的直纹面。
由于角度不同，最大的过切现象发生在外缘的直纹面[7]。
在其他优势的直纹面和刀具方向转移后，过切量是最大的。
为进一步研究最大误差，刀具轴线是用来作为正常的参考平面。
为评估误差数值，直纹面被分为了几条数据收集直线。
交叉工具轴和每条参考直线之间的距离，是通过交叉融合的计算方法得到的。
在比较了所有刀具主轴和交汇点的数值之后，然后确定最短距离。
如果距离小于刀具半径，将产生过切。
否则，是一个比刀具半径更大的切削距离。
然后刀具转移到切线直纹面，以取得最后的工具轴，如图3所示.
图3最大载体位移法
3.2刀具联系资料校正
一般情况下，叶片和枢纽的表面应该是相连的，而圆角基于几何模型的刀片，但是，从原来的几何数据来看，刀片是一个单一的直纹面，和底部的叶片和中心的枢纽表面是简单的连接。
如果刀具路径计算是基于一个单刃而不考虑到关系叶片表面和枢纽表面上，过切现象将发生在上下部分的枢纽表面。
所以在规划叶片表面刀具路径时，既要考虑叶片表面也要考虑枢纽表面。
有两种方法，可以避免过切。
一是要修剪叶片表面及磨一个圆角形的刀尖和枢纽表面，然后纳入新表面数据代入算法，以避免对枢纽表面过切。
另一种方案是在原来刀片表面数据的基础上，移动刀具使其远离枢纽表面，直到刀正好切在枢纽表面上。
本研究采用的是后一种办法。
3.3对刀尖的刀具路径规划
一般的加工程序通常包括粗铣，半精加工和精铣。
刀片是一个薄组成，处于领先地位。
如果用世界前沿的刀片做正常加工程序，由于潜在的机械振动，领先优势是很容易丧失的。
这不是刀具路径的问题，而是一个错误的刀具主轴导致的。
在加工过程中，振动是难以控制的。
要避免这个问题，就要重新整理加工程序。
这项工作表明，它有非常重要的领先优势，它可以保持刀片的强度。
这一程序大大降低了震动对刀片所造成的损害。
铣削加工叶片的表面在叶片加工中处于领先地位。
叶片的上部分和下部分是机械压力面，然而刀片从上游的一部分对较低部分是吸力面。
通过铣这一加工程序，可以减少振动对加工过程的影响。
3.4刀具路径规划对枢纽表面
科学地规划枢纽表面刀具路径就要先计算刀具路径，然后进行刀具路径规划。
为了得到加工的界限，加工部分必须清楚地确定。
这里所谓的加工部分是两个枢纽表面之间的交界。
通常把上缘，下缘的枢纽表面均视为加工的界限。
而要得到加工的界限，必须利用叶片表面。
这里有两种方法可以计算出边界。
其一是创建一个圆角形的叶片表面和枢纽表面。
使边界曲线的获得和修改具备了新的表面修磨圆角。
新曲线可视为加工部分的新左，右界限。
另一中方法更为精确。
本研究利用侧铣的刀具轨迹对叶片的左和右边界作为加工部分。
这将减少刀具轨迹和叶片枢纽曲面间多余的加工，但前提是刀具路径为侧翼铣削。
加工部分成为了叶片加工和枢纽表面边界的刀具轨迹是相当不正常。
在一个极其狭窄的平面内，加工部分的中上层部分有一个狭隘的开放形漏斗。
上，下两个部分的面积和宽度存在着很大的差别。
国际标准化组织参数方法并不适用于刀具轨迹计算这个领域，由于刀具路径是非常密集的。
而采用ISO参数方法产生了不平坦的表面和低效率，因此，非恒参数方法是刀具路径规划更好的一个选择。
为加工枢纽曲面，每个刀具路径在交叉口处，被分为左，右两个工作边界分别计算。
如果有一个以上的交汇点在工作边界曲线上的，其中一个单数点的曲线路径确定为刀具路径而偶数编号的曲线路径将被淘汰。
如图4所示。
为方便判断连接边界曲线，加工部分分为上，下两个部分，单数点所界定的距离最短，左、右边界上的为参数平面。
这会令两条曲线的形状，更简单和更方便地处理。
单向方法就是通过这方面的工作规划枢纽曲面刀具路径，从表面上看，这意味着一个面的工作边界用来作为初始路径。
首先，工作边界由该加工部分界定。
在刀具轨迹的生成的基础上，今后的刀具路径计算方法会不断减小弦误差，直到这条路径运行到其他工作边界。
由于是不规则形状的加工，本条中，接触不良点应被淘汰，在这一进程结束时，有必要做到不超过该工作部分的界线。
图4边界检查方法
对于工具轴线上枢纽曲面的规划，表面上是通过一个插值计算的。
底部叶片的厚度大于顶部。
当确定了一个平面，足以横跨两刀片，截面的叶片和中心的枢纽平面构成一个"V"字形。
由于刀片本身是一个循环组成，它应是一个可行的几何形状，如果采用内插法，为找到规划的刀具主轴。
双方用插补刀具主轴。
由于采用前侧铣加工叶片，因此，最初的刀具主轴为枢纽曲面。
然后通过干涉检查，找到最后的工具主轴。
3.5叶轮的完整制造过程
完整的离心式叶轮制造过程包括曲面加工，枢纽表面粗铣，叶片侧铣，和枢纽表面精细研磨。
以下部分详细介绍了每一个加工步骤的加工数据和计算结果。
以及加工仿真。
首先，叶轮外轮廓的枢纽平面是由机械转动形成的。
在开机完成后，刀片将着手对枢纽表面两平面进行粗铣。
对枢纽表面的粗铣形成了粗糙的概况叶轮。
粗糙的刀具路径是从该刀具侧铣围绕旋转轴路径的某一特定角度区间得到的。
在同一时间内，刀具顶端位置沿刀具轴线远离枢纽表面，以提供足够的铣削空间。
其余的材料将在精铣枢纽表面时被切除。
处于边缘的刀片是一个相对较薄的几何形状。
为了避免机械振动和提高材料的强度，在完成侧铣工作后，立即对枢纽表面进行粗铣。
因为刀具前沿的几何形状，是一个负曲率的直纹面，在本研究中采用直线来代替表面上的边界。
计划用刀具轴线侧翼铣的方法加工。
为尽量减小这种方法理论上的误差。
其加工方法由6个子程序构成。
叶片表面的加工程序，是首先加工叶片的压力面，然后加工吸力面。
用"最大位移矢量法"规划侧铣，刀具轴的联系，与处于生产领先地位的方法略有不同。
为了避免不同刀具的刀具主轴不同所带来的影响，从叶片压力表面上看，在轴线加工几个平面时。
有必要认为刀片吸力面有领先优势。
这使得刀具坐标系的转换变得顺利。
叶片加工刀具轨迹如图5所示。
由图5可以看出刀具刀尖路径是相连的。
有6个刀片的加工程序处于领先地位的，并且6个处于领先地位的刀具轨迹在显示方式上是独立的。
刀具轴线在每个切割点的显示图如图5（b）。
为了清楚的显示刀具轴，刀具轴线处于领先优势的在加工中为第一次加工序列。
在实际加工中，每个刀具轴线
的加工顺序是不一样的。
用持续的扇贝高空作业方法，来对枢纽表面进行精磨刀具路径规划。
加工部分分为上，下两层，上层最先加工。
第一刀具路径使用正确的加工部分为边界，并不断地用扇贝高空作业方法来理想的控制右边和左边两个平面的刀具路径。
然后将刀具路径用曲线连接起来，就可以清楚的看出枢纽表面上局部形状和大概的几何形状之间的差异。
结果可以发现，每个刀具路径之间不存在重叠，而且有很高的加工效率。
叶轮完整的加工刀具轨迹如图5。
图5叶轮完整的加工刀具路径
4.加工仿真与验证
叶轮的曲面模型如图1。
其中还包括枢纽和刀片的显示方式。
两叶片之间的夹角是24°（一个完整的叶轮有15个叶片）。
使用的刀具是一个0.05英寸的自由长度为50毫米锥角3°的圆锥球轧机。
枢纽表面上理想的弦误差和扇贝高度为0.01毫米。
以下的加工仿真用的是packageAnvilVerify软件。
用AnvilVerify软件对世界前沿的刀片的加工仿真如图6所示。
由于在机械加工中每个加工序列的颜色不同，两者之间的差别可以在加工序列中看出。
对叶片表面的加工如图6。
侧翼铣的顺序是从下层部分到上层压力面。
在对压力面的铣削加工完成后，刀具迁移到吸力面，
对吸力面的铣削是从上对下进行的。
图6加工仿中真刀具的领先优势
在图7中，显示的是枢纽曲面的模拟加工。
在加工过程中，刀具并不干扰两边界的加工。
这正好印证了插工具主轴的可行性。
虽然每个刀具的路径是在一个适当的区间角内左右旋转，最后完成对叶轮的加工旋转。
在这种情况下，有15个叶片，因此每对叶片的夹角是24°。
根据对枢纽表面的粗铣顺序，表面加工处于领先地位，然后是对枢纽曲面的精铣。
然后就完成了叶轮的完全模拟加工。
图7枢纽表面加工仿真
5.误差分析
误差分析的目的，是比较加工后的表面与原设计模型。
通常，在CMM中是用自由曲面来衡量的。
加工表面相对于原来的曲面模型的误差会被认出来。
由加工表面所造成的剩余扇贝高度或弦误差，可以用特种设备来衡量表面粗糙度。
因为CMM仅限于3轴，所以它不能用来测量加工表面。
因此，CMM的不能用于误差分析。
在表面粗糙度测量上，也遇到了类似的问题。
我们的误差分析方法，是利用软件来模拟实体加工，并与原来表面模型比较。
详细的误差分析程序如下：
建立原曲面模型，获得实体的物理数据后进行加工仿真，然后进行误差分析。
5.1原曲面模型
由于原形的几何数据都是表面，为构建曲面模型，要形成一个封闭的面。
螺旋软件是用来兴建原曲面模型，如图8示。
原曲面模型在叶片自下而上和枢纽表面上的连接处没有圆角。
为加工叶轮，侧铣使得刀片和自下而上枢纽表面之间的连接平稳，并由半球形的刀具提供圆角。
这使得原曲面模型上的圆角是没有必要的。
图8沿横截面方向的加工路线
5.2模拟物理加工数据
仿真功能VERICUT技术[9]，是用来进行加工仿真，以获得经过加工的物理数据。
VERICUT技术可以产生加工仿真过程中的物理数据。
物理数据都记录成STL格式。
记录成STL格式的物理数据只限于表面上的数据。
其中又分为几种三角补丁，每个补丁包括3个角落的三角形的正常补丁，但是，由于这些数据是STL格式，一个真实的曲面模型如果没有拓扑数据就不能改建。
VERICUT技术的自动差异和切片模块，和误差分析有一定联系。
不同的是，用来比较STL文件的曲面模型与实物加工数据的差异可以显示在显示器屏幕上。
但分析更为直观的，是数值结果。
由用户界面录入物理加工数据，可用于切片制造交叉融合。
该结果交汇点，可作为一个IGES的输出格式。
在这项工作中，切模块用来输出物理加工数据，用它来与原有的表面模型进行误差分析。
5.3误差比较
对轮廓尺寸进行误差比较。
该方法使用相同的平面作截面上的物理加工数据和原曲面模型计算轮廓误差，并作出两横截面轮廓之间的对比。
在这项工作中，VERICUT技术的切片功能用来对经过Helix软件的IGES界面的物理加工数据进行断面加工。
该过程对原曲面模型的计算方法是在Helix环境下进行的。
由于计算机的限制，只能选定一个加工断面。
这意味着将只能形成两个叶片截面和该枢纽之间的形状。
工件其余部分是不可加工区域。
表1显示的是交叉平面的位置数据。
有两种方法来确定交叉平面：
一是有三个点;另一个是定义一个正常平面和以正常平面间的一段距离。
这些数据在VERICUT软件中。
沿刀具轨迹方向作出断面1和断面2。
主要目的是为了观察该刀片的等高线和原轮廓之间的差异，以及对枢纽的表面加工情况。
通过这种方式获得的横截面图如图8。
VERICUT技术所得的断面是一个折线，并且不是连续的。
可以用直线来连接断线。
由于截面和坐标定义是相同的，这两个模型两者的差别可以通过适当的软件看出。
截面1的误差比较如图9所示，显示两个相互重叠的断面形成的
趸船上线，是轮廓的原始表面模型。
这表明位置和形状两等高线匹配得很好。
如图10所示，为了进一步探讨他们之间的不同。
叶片的等高线被扩大。
用参考网格线来衡量误差数值。
从放图上看，位置和最大误差是确定的。
可以通过网格线获得误差数值。
在图10中，每个网格的面积是1平方毫米。
这表明最大的误差是刀具引发的。
经过适当的误差评价，误差约0.04毫米。
基于一般的加工要求，这是一个很好的结果。
在图中，在刀片和左右枢纽平面的联合部分，从表面上看，加工轮廓和原来的轮廓有圆形形状误差。
这是因为原曲面模型没有兴建圆角。
从等高线的
形状可以看出，半径（1.27毫米）几乎等于使用的刀具。
用同样的方法，可以用来处理其它断面并估计误差。
因为误差非常小，为了评定误差，有必要放大部分来比较误差。
结果表明，最大误差再次出现在中间的刀锋。
估计误差削弱了约0.05毫米。
（图10）
表1横截面的定位数据
断面数量
截面数据
断面1（沿叶片的刀具轨迹方向）
正常截面（0.09917，0.85438，0.51009），
截面和原始点垂直距离=27.3894
断面2（沿叶片的刀具轨迹方向）
正常截面（0.09787，0.61223,0.78460），
截面和原始点垂直距离=6.42038
图9重叠的横截面1
图10截面的扩大部分
5.4误差讨论
基于轮廓误差的结果，不难发现，大多数误差是削弱误差并且最大误差处于刀具的中间部位。
这说明该叶片侧铣算法刀具产生的最大削弱在中间。
如果使用多路径加工刀具，误差可以减少。
通过轮廓比较，在联合枢纽和刀片之间的表面上可以观察一些过切现象。
这是侧铣刀尖改装过程中造成的。
如图11所示，虽然刀尖可以向枢纽表面作出切线撤消该刀具造成的削弱效果，但是由于刀具和枢纽表面的曲率不同，半球形的刀具会切入枢纽表面。
在侧铣过程中，使用圆锥形的刀具，从加工表面沿刀具轴线回缩会增加削弱效果。
它们之间的不同，在图中以一个阴影区域显示出来。
由于刀具轴线已经修改，所以刀具和叶片表面接触的确切位置无法准确估计。
此外，我们不能保证回缩切割，在侧铣过程中不会产生其他错误。
这个问题仍然有待解决。
图11刀具引起的误差
6.结论
本研究的目的是提出一种采用5轴加工提高叶轮的加工效率。
该主模块是在C++语言基础上，自动生成刀具路径的叶轮模型，并避免了刀片变形和颤振，并缩短预先制造的交货时间降低制造成本。
在这项工作中，加工区大致划分成两部分：
刀片和枢纽。
其几何特征的研究和介绍适当的加工方法。
该生产工艺是用5轴加工相关技术集成一个离心叶轮和完整的生产工艺规划。
所有生成的CL数据均通过软件仿真得到证实。
为分析误差，做了物理加工数据和原始表面模型的对比。
最后，核查结果证明加工方法和应用程序是成功有效的。
参考文献
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5.GregoryC.Loney，TulgaM.Ozsoy,"自由曲面数控加工"，电脑辅助设计，19
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6.ErikL.J.Bohez,S.D.RanjithSenadhera,KetanPole,JoostR.
Duflou，TsauTar,"五轴联动加工离心叶轮和几何造型算法"，制造系统杂志，16（6），422-436页，1997。
7.B.K.Choi，J.W.Park，C.S.Jun，“五轴曲面加工刀位数据优化”电脑辅助设计，25（6），377-386页，1993。
8。
MCS公司，"铁砧快车5.0"，1999年
9.CGTech,"VERICUT4.1版本"，1999年。
AnIntegratedMachiningApproachforaCentrifugalImpeller
H.-T.YoungandL.-C.Chuang
DepartmentofMechanicalEngineering,NationalTaiwanUniversity,Taiwan
Whena3-axisCNCmachiningcentreisusedforproducinganimpeller,greatdifficulties,i.e.collisionsbetweenthecuttingtoolandtheimpeller,canoccur.Thebladeofanimpellerisusuallydesignedwitharuledsurface.
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