攪拌槳安裝定位分析及加工路徑優(yōu)化

段美珍，王長(zhǎng)國(guó)，李 曼

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.上海船廠(chǎng)技工學(xué)校，上海 200210)

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攪拌槳安裝定位分析及加工路徑優(yōu)化

段美珍1，王長(zhǎng)國(guó)1，李 曼2

(1.上海市材料工程學(xué)校，上海 200231；2.上海船廠(chǎng)技工學(xué)校，上海 200210)

針對(duì)攪拌槳加工，分析了攪拌槳的安裝定位對(duì)加工的影響，計(jì)算優(yōu)化了加工路徑，采用合理的加工參數(shù)，在避免刀具與工件干涉的同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)粗加工和精加工階段分別進(jìn)行分析，得出了形成工件輪廓的切入?yún)?shù)。應(yīng)用MATLAB軟件利用數(shù)值解法描述了一片切屑的切除過(guò)程，為實(shí)際加工提供了理論數(shù)據(jù)參考。

攪拌槳；安裝；刀具

本文針對(duì)攪拌槳加工，分析研究了其安裝定位，優(yōu)化了加工路徑，提高了生產(chǎn)效率。在確定零件安裝的方位時(shí)，首先應(yīng)保證刀具與工件不產(chǎn)生干涉，即在對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行加工時(shí)，沿刀軸方向刀具的投影與相鄰槳葉和輪轂的投影沒(méi)有重疊；同時(shí)，為保證待加工區(qū)域都能被加工到，還應(yīng)保證在該安裝的方位下待加工區(qū)域表面各點(diǎn)法矢與Z軸夾角<90°。滿(mǎn)足這2個(gè)條件的方位很多，在粗加工時(shí)，應(yīng)以增大行切間距為約束條件確定最佳安裝方位；精加工時(shí)，應(yīng)以改善球頭刀的切削條件，提高表面質(zhì)量和加工精度為約束條件，確定最佳安裝方位[1]。

1 粗加工

粗加工以提高金屬切除率為目標(biāo)，因此，在刀具和機(jī)床允許的情況下，應(yīng)盡量提高切削深度、進(jìn)給量和行間距；同時(shí)應(yīng)避免刀具和工件產(chǎn)生干涉。

1.1 攪拌槳葉面加工

葉面安裝定位和加工區(qū)域如圖1和圖2所示。在該安裝方位下，刀具與相鄰的槳葉和輪轂不產(chǎn)生干涉，且葉面(區(qū)域Ⅰ)都能加工到；在該安裝方位下，工藝系統(tǒng)剛度最好，有利于刀具切削條件的改善。

圖1 水平安裝圖

1.2 攪拌槳葉根加工

葉根安裝定位和加工區(qū)域如圖3和圖4所示。沿Y軸旋轉(zhuǎn)角度α，以提高加工效率為優(yōu)化目標(biāo)確定最佳安裝角度α。

三坐標(biāo)曲面的加工可以逐行加工走刀完成，行距大小是影響曲面加工質(zhì)量及效率的重要因素。行距過(guò)小，會(huì)使加工時(shí)間成倍數(shù)增加，還會(huì)導(dǎo)致零件程序膨脹；反之，表面殘余高度就會(huì)增大，后續(xù)的加工量大，整體效率降低。為了既滿(mǎn)足加工精度與表面粗糙度要求，又能提高生產(chǎn)效率，應(yīng)在符合殘余高度要求的情況下使走刀行距盡量大。

圖3 繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度α安裝圖

圖4 繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度α安裝時(shí)沿刀軸方向的投影圖

粗加工時(shí)采用平底立銑刀(見(jiàn)圖5)，刀軸矢量u在曲面法矢n上的分量un對(duì)加工帶的形狀有著重要的影響。un= (0,0,1)·n，它的大小不僅取決于零件的表面本身幾何形狀，而且還取決于零件的安裝方位。設(shè)螺旋槳繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度α的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

圖5 平底立銑刀加工示意圖

2 精加工

精加工時(shí)采用球頭立銑刀，以改善切削條件和提高球頭刀的耐用度為目標(biāo)優(yōu)化安裝方位。由于球頭刀切削刃上各點(diǎn)切削情況不一，越接近球頭刀的底部其切削條件越差(切削速度低，容屑空間小)，應(yīng)盡量避免使用球頭刀底部周邊進(jìn)行切削，利用刀軸傾角可改善不利的切削條件。在切削過(guò)程中，傾角影響著刀刃通過(guò)工件的軌跡[2-3]。采用切屑的截面積A(見(jiàn)圖6)來(lái)近似描述刀具切削刃上一點(diǎn)的負(fù)載，可以得出負(fù)載與刀具傾角的關(guān)系，從而確定最佳刀軸傾角。球頭刀切削時(shí)的切入?yún)?shù)(切削刃上進(jìn)行切削的一點(diǎn)的刀刃角k和切入角φ，l為切削軌跡長(zhǎng)度)可用工件和刀具幾何形狀的參數(shù)矢量描述來(lái)確定。

圖6 有傾角時(shí)球頭立銑刀的切入?yún)?shù)

2.1 刀具幾何形狀的描述

具有半徑R的球頭立銑刀的幾何形狀(見(jiàn)圖7)可描述成參數(shù)u(實(shí)際半徑系數(shù))、k(刀刃角)和φ(切入角)的函數(shù)：

式中，0≤k≤π/2， 0≤φ≤2π，0≤u≤1。

圖7 刀具幾何形狀參數(shù)描述

刀具的傾角可通過(guò)刀具表達(dá)式的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。βf表示由進(jìn)給方向和工件曲面法矢量所確定的平面中刀具的傾角，βn表示垂直于上述平面中的刀具的傾角(為簡(jiǎn)化，令其等于0)，則旋轉(zhuǎn)矩陣為：

式中，D是旋轉(zhuǎn)矩陣；Df是切向矩陣；Dn是法向矩陣。

傾斜后球頭立銑刀可按下述矢量計(jì)算：

2.2 工件幾何形狀的描述

為了確定切入?yún)?shù)，需要描述工件的幾何形狀。工件輪廓幾何形狀參數(shù)描述示意圖如圖8所示。圖中ap是背吃刀量。

圖8 工件輪廓幾何形狀參數(shù)描述示意圖

對(duì)于每一切入角φ，產(chǎn)生刀具軌跡輪廓的點(diǎn)，即工件表面由刀刃角度產(chǎn)生，刀具幾何的法線(xiàn)在刀刃上垂直于進(jìn)給方向。

2.3 形成工件輪廓的切入?yún)?shù)的計(jì)算

用球頭立銑刀切削時(shí)，當(dāng)切除一個(gè)切屑時(shí)，刀刃的不同部位切入工件。工件輪廓由3條邊界線(xiàn)確定。對(duì)于給定的切入角φ，邊界曲線(xiàn)1、2的刀刃角度k1,2可由下式方程組計(jì)算：

對(duì)于給定的切入角φ，邊界曲線(xiàn)2、3的刀刃角度k2,3可用下式計(jì)算：

邊界曲線(xiàn)3、1的刀刃角度k1,3可用相鄰的兩切屑比較得到：

式中，fz是Z方向進(jìn)給量。

應(yīng)用MATLAB軟件利用數(shù)值解法解上述方程，可得到形成工件輪廓的切入?yún)?shù)，這些計(jì)算參數(shù)描述了一片切屑的切除過(guò)程，得到的切入?yún)?shù)特征曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 刀具切入?yún)?shù)特征曲線(xiàn)

[1] 吳健生,易楠.不銹鋼攪拌槳的數(shù)控加工[J].金屬加工,2010(4)：66-68.

[2] 寧曉光, 湯赫男, 趙晶, 等.礦漿攪拌過(guò)程中不同位姿攪拌槳葉的磨損狀況分析[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新, 2016,29(1)：12-15.

[3] 于超,郭建燁,李景奎. 葉片鍛模曲面數(shù)控加工程序編制[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2010(2)：120-121.

責(zé)任編輯 鄭練

Design and Optimization based on Feature Mapping Impeller Crafts of Numerical Control Machining

DUAN Meizhen1, WANG Changguo1, LI Man2

(1.Shanghai Material Engineering School, Shanghai 200231, China; 2.Shanghai Shipyard Technical School, Shanghai 200210, China)

Through the optimized impeller installation location by calculation, the path of machining process, and adopting reasonable processing parameters, avoid the interference cutter and work piece. According to different stages of processing, for the roughing and finishing analysis respectively, and finally it is concluded that formation of the workpiece contour cutting parameter describes the numerical methods using MATLAB software with a piece of chip removal process. The results provide the theoretical reference data to the actual processing, and improve the production efficiency.

impeller, installation, the cutting tool

TQ 051.7

A

段美珍(1980-)，女，大學(xué)本科，講師，主要從事數(shù)控教學(xué)等方面的研究。

2016-06-24