小型推进器转轮五轴数控加工
科技
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2024-10-15 17:00
四川
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张健，霍凤伟，徐金亭，庄志强. 小型推进器转轮五轴数控加工[J]. 工具技术, 2024, 58(7):86-90.Zhang Jian，Huo Fengwei，Xu Jinting，Zhuang Zhiqiang. Research on 5-axis CNC machining of rotating impeller of small propeller[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):86-90.推进器是一种通过旋转叶片来产生推力的装置，用来驱动交通工具前进或作为其他装置的动力来源。推进器在船舶、航空等领域应用较为广泛，其核心零部件转轮的加工制造质量直接影响相关产品的技术性能。随着现代工业科技的进步，产品几何形状设计日趋复杂，对加工制造精度的要求越来越严苛。对于这种复杂曲面类零件，五轴联动加工成为重要加工手段，因此对其开展三维数字化建模和五轴联动加工系统性研究具有现实意义。近年来，学者们针对推进器转轮的数控加工开展了一些研究，2016年刘艳申针对推进器底座及叶轮的编程与加工问题，以一种简化的螺旋桨推进器模型为载体，重点介绍利用UG NX9完成推进器复杂的底座和叶轮的自动编程。2020年韩忠冠针对推进器叶轮进行结构分析与五轴加工技术的研究，重点进行了推进器静力学分析以及五轴数控仿真加工工艺流程设计。2002年刘雄伟等对双转台型五轴数控机床后置处理技术进行了研究，并着重分析了通用型四、五坐标数控机床的后置算法。2006年何永红等针对双转台型五轴数控机床后置处理算法进行了研究，开发了配置Heidenhain430控制系统的UCP600型五轴数控机床专用后置处理程序。然而，这些后置处理技术方面研究没有提及回转刀具中心点编程（Rotate Around Tool Center Point，RTCP）功能的影响，针对双转台五坐标机床RTCP功能，樊曙天等讨论了五轴数控加工产生的非线性误差，阐述了在插补运算中嵌入RTCP功能的方法，并通过MATLAB软件进行了仿真计算，结果表明，该方法可显著提升加工精度。高伟强等在论述RTCP功能的基础上推导了RTCP通用数学模型，并对B-C轴双回转工作台五轴数控机床的RTCP算法进行了五轴加工仿真验证。刘旭华等进行的五轴加工RTCP与非RTCP编程比较研究表明，RTCP程序与机床结构及特征参数无关，更具通用性。上述有关双转台五坐标机床RTCP功能方面的研究没有提及如何进行RTCP参数检测或设置。对于双转台五坐标机床RTCP参数检测或标定，刘新山等提出了一种双摆工作台式五轴联动机床动态精度的标定及其补偿方法，阐述了千分表的示值数与机床有关误差之间的关系。2022年，魏双羽等在机床不具备球杆仪等专用测量装置情况下，探索出一种简单可行的RTCP误差检测与补偿方法，改进了机床制造商提供的经验计算公式。本文以小型推进器转轮的五轴加工为研究对象，基于曲面造型理论对转轮进行三维数字化建模，并对其数控加工工艺进行规划和编程，提出了双转台五轴数控机床具有RTCP功能的后置处理器开发关键技术，通过国内自主生产的i5M8.4双转台五轴联动机床实现小型推进器转轮的加工验证。为了更深入地了解推进器转轮的几何成型规律，本文对其几何成型方法进行了研究，并重点分析叶片直纹面和轮毂(回转)曲面的造型规律。 推进器转轮叶片形状根据流体动力性能指标设计，设计图纸分别给出了叶片曲面压力侧和吸力侧的叶顶、叶根共4条曲线的离散点坐标，需将这些数据点进行样条拟合插值，进而构建直纹面形式的叶片曲面。在计算机辅助几何设计中，曲面范围通常用u与v两个参数的变化区间表示，曲面方程可表示为如果曲面P=P(u，v)的u线与v线等两族参数线中有一族是直线，则该曲面称为直纹面，直纹面上的这族直线也称为母线。在直纹面上取一条曲线ρ=ρ(u)和所有母线相交，称这条曲线为准线。沿该准线上每一点的母线方向定义一个非零矢量τ(u)，则该直纹面方程可表示为轮毂曲面是以参数曲线（轮廓线）绕中心轴旋转而成的曲面，曲面由参数表示。 推进器转轮包括叶片和轮毂，其中6个叶片沿整个圆周均匀分布。叶片型面数据给出了两组叶根曲线和叶顶曲线上一系列对应点的坐标值，图纸给出了转轮轮毂曲线方程以及主要外形结构尺寸。在建模时，先输入数据并转化成UG软件系统能够识别的数据格式，并对其中的坐标数据进行排序，删除粗大误差点；采用样条（NURBS）函数分别拟合叶顶曲线和叶根曲线，通过软件系统的直纹面函数生成叶片曲面。对推进器转轮零件进行曲面建模时需遵循由点到线再到面的原则。在UG NX12.0系统进行几何建模过程如下：①利用旋转曲面命令生成除叶片曲面之外的转轮轮廓表面；②利用样条曲线命令生成直纹面型叶片准线；③利用直纹面命令生成单个叶片曲面；④利用阵列命令生成其他叶片曲面，进而生成完整的转轮曲面模型。曲面建模完成后，通过曲面延伸、缝合以及布尔运算等操作，即可生成推进器转轮的实体模型。图1为推进器转轮实体模型。推进器转轮形状复杂，叶片曲面扭曲程度大，材料去除量大，其加工参数选择以及某个参数变化均会对推进器转轮的表面质量和加工效果产生很大影响。转轮的加工工序主要包括轮毂曲面与叶片曲面的粗加工、叶片曲面精加工、轮毂曲面精加工及叶根精加工。粗加工时可选择较高的进给速度，精加工时可选择较高的主轴转速。在粗加工转轮时，一般需选用较大直径的平底铣刀或立铣刀；精加工时，一般选用球头铣刀。具体加工工艺参数见表1。在转轮粗加工编程过程中，需要根据加工区域依次在UG CAM环境下选择型腔铣或可变轴轮廓铣、指定部件、创建刀具、创建工序、刀轨设置并设置进给速度和切削速度，最后生成刀具路径和路径模拟显示。粗加工即非叶片加工编程，包括加工毛坯轮廓、抛物面、轮毂、包覆几个部分，生成的刀具路径和路径模拟如图2~图5所示。在转轮精加工编程中，需根据加工区域依次在UG CAM环境下选择型腔铣/可变轴轮廓铣方法、指定部件、创建刀具、创建工序，并进行刀轨、进给速度以及切削速度设置，最后生成刀具路径和路径模拟显示。精加工包括抛物面、轮毂、叶片、圆角几部分，生成的刀具路径和路径模拟显示如图6~图9所示。UG CAM数控编程生成的刀具路径不能直接传递到机床上进行加工应用，需要通过专门的后置处理器才能生成机床可以识别的数控加工程序。五轴机床主要有双摆头、单摆头单转台、双转台三种类型的结构布局，同时数控系统有RTCP功能和非RTCP功能区别。本文主要讨论用于推进器转轮加工验证的双转台型五轴机床的RTCP功能后置处理算法。机床开启RTCP功能后，控制系统自动计算并保持旋转刀具中心一直在编程的坐标位置上，回转坐标的每个运动都会被编程坐标系的直线位移进行补偿。一般情况下，五轴机床的RTCP参数补偿值需先通过检测工具或切削样件进行测量。数控系统需要设置的参数包括：A轴旋转中心相对于机床参考点的Y轴方向偏差、A轴旋转中心相对于机床参考点的Z轴方向偏差、C轴旋转中心相对于机床参考点的X轴方向偏差、C轴旋转中心相对于A轴旋转中心的Y轴方向偏差以及C轴台面中心相对于A轴旋转中心的Z轴方向偏差。由于A轴与C轴的轴线理论上垂直相交，在机床转台实际制造过程中，受零件加工和装配精度的影响，不可避免地会产生误差，因此上述参数是为了补偿这些偏差。i5数控系统是国内自主研发的数控系统，其RTCP参数设置界面如图10所示。机床控制系统在开启RTCP功能的模式下，旋转轴运动引起的直线轴坐标变化由机床控制系统自动计算并进行实时补偿。后置处理器不需要把机床各回转轴中心的偏置值代入其运动学计算公式中，并且刀具路径数据经后置处理也不需要进行刀位点的计算，只需计算机床回转轴的转动坐标即可。为方便分析和讨论，进行以下假定：工件坐标系为OwXwYwZw，工件可绕X轴摆动A角，工件可绕Z轴回转C角，工作台回转方向与A轴、Z轴运动方向符合右手定则。如图11所示，机床坐标系为ORXRYRZR，OwOR=d；刀心点C0在工件坐标系中的位置坐标为（xc0，yc0，zc0），刀轴矢量a在工件坐标系中为（ax，ay，az），计算机床回转运动坐标值A和C。五轴机床在加工时，刀轴的矢量转动关系如图11所示。假定刀轴矢量a为自由矢量，需将刀轴矢量a转到与Z轴正方向一致。具体方法为：将刀轴矢量的起点平移到工件坐标系的原点位置，使刀轴矢量绕Z轴顺时针方向转到（-Y）（+Z）平面，再将刀轴矢量绕X轴顺时针方向转到与Z坐标正方向一致。这种转动可以保证当az≥0时，刀轴矢量绕X轴顺时针方向转动角度在-90°和0°之间，即刀具相对于工件绕X轴逆时针方向转动的角度为0°~90°。对于双转台五轴雕铣中心，为实现上述转换，工作台先绕Z轴顺时针转动C角，然后工作台再绕X轴顺时针转动A角。推进器转轮加工验证采用国内自主开发的i5M8.4立式五轴加工中心，其主要技术规格为：主轴最高转速12000r/min，工作台直径Φ400mm，X，Y，Z，A，C五轴联动，设备配置为i5数控系统，三爪卡盘夹具。推进器转轮毛坯选择圆柱棒料，材料选择铝合金，铝棒料直径设为110mm。编程软件采用 UG NX12.0，结合加工工序生成转轮毛坯轮廓、抛物面、轮毂与叶片的粗加工路径、轮毂精加工路径、叶片与叶根圆角精加工刀具路径，采用自行开发的后置处理器转化完成数控加工程序。叶片精加工刀具路径及经后置处理的加工程序如图12和图13所示。五轴机床的实际加工流程：安装夹具，装夹毛坯；安装刀具并对刀；运行程序，进行模拟加工；运行程序进行实际切削加工。经检测，加工的推进器转轮样件满足质量要求，验证了刀具路径和后置处理器的正确性和可靠性。推进器转轮加工过程及成品样件如图14所示。以小型推进器转轮的五轴加工为例，从三维数字化建模、数控加工工艺规划和编程、后置处理器开发等方面进行了研究，得出以下主要结论。（1）基于曲面造型理论完成推进器转轮的三维建模，根据其设计要求和几何特征提出了转轮的数控加工工艺方案，通过UG NX软件编制了推进器转轮的粗、精加工刀具路径，该方案可以为其他类似复杂曲面类零件造型和数控加工编程提供借鉴。（2）探讨了五轴机床具有RTCP功能的后置处理关键技术，通过RTCP参数设置和后置处理算法实现双转台五轴数控机床的RTCP功能后置处理器自主开发。该方法可以推广应用到其他类似的五轴数控机床上。（3）通过自行开发的后置处理器生成转轮数控加工程序，在国内自主开发的立式五轴加工中心上完成了高质量高效加工，验证了刀具路径和后置处理器的正确性和可靠性，为充分发挥五轴数控机床的加工潜能提供了思路。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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