一種面向葉輪的五軸數控高效加工方法*

賀 明，張 平

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)

一種面向葉輪的五軸數控高效加工方法*

賀 明，張 平

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)

針對葉輪加工，論述數控銑削生產的優勢，通過建模借助VC6.0平臺二次開發UG，應用主曲率和近鄰傳播聚類的分片算法，將葉輪型面進行劃分，分成若干子區域，生成刀具路徑，縮短加工行程，結果表明：此方法提高了效率，對葉輪生產發展提供了一定的借鑒。

UG二次開發；葉輪加工；曲面分片；刀具路徑

0 引言

葉輪是發動機的核心元件，廣泛應用航天航空、船舶航海、礦產機械、國防軍工等行業，其材料堅硬、型面復雜扭曲大、葉片較薄間距小、表面精度流線型高等因素，是公認的高難緊迫性加工類零件[1-3]。現階段加工葉輪的主要問題有：①刀具路徑規劃機制不完善；②加工效能低，未能實現高速大進給運動；③表面質量精度差，難以達到高尖科技應用要求等。

針對上述問題，本著追求“高效率、高精度、高質量”的加工目標，本文應用UG/OPEN函數和VC6.0平臺，基于主曲率和聚類傳播的分片算法[4-5]，提出一種高效葉輪的軌跡生成方法，豐富葉輪的加工理論和方法，為生產加工提供一定的借鑒。

1 數控加工模塊

葉輪葉片生產方式主要有精密鑄造、精密鍛造、數控銑削、電火花加工、電解加工和興起的3D打印技術。數控成為葉輪加工的最佳方式，集中表現：

(1)在理論上能完成任何復雜曲面的加工生產；

(2)生產成本低，易實現高速高精加工；

(3)強大的仿真軟件，可直觀模擬加工過程，方便數據處理；

(4)加工質量穩定，工作環境適宜，易于推廣應用等。

因此，五軸聯動數控系統被認為是目前解決葉輪葉片復雜零件加工的唯一手段。借助軟件可以實現模擬仿真，生成刀具軌跡，減少成本費用，其仿真模塊主要組成如圖1。將產生的刀位文件直觀的進行驗證，以供下位機生成可行加工代碼。

圖1 仿真模塊組成

葉輪的加工流程如圖2，半精加工和精加工過程中，采用一把刀具，分層加工，這對于曲率較大緩和開闊的表面來說，是一種時間和資源浪費，而在曲率小和變化扭曲的曲面處也易引起過切或少切，影響表面加工質量和生產效率。因此，提出基于主曲率匹配和近鄰傳播聚類算法的分片加工方法。將葉輪曲面劃分為子曲面區域，不同的區域采用不同的刀具，分塊生成刀具路徑，優化工藝參數，縮短加工路徑和時間。

圖2 葉輪加工流程

2 建模理論

自由曲面數學描述經過參數曲線曲面、貝塞爾曲線曲面、B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面發展，形成了現代曲線曲面建模的統一數學表達式——NURBS理論體系[6]。現有三維軟件都使用NURBS理論建立曲面曲線和實體模型。

設光滑曲面S(u,v)，其NURBS曲面有理分式為：

分別對u、v方向求偏導數，可得：

令

稱式中的E，F，G稱為第I類基本量。

根據曲面論，曲面S(u,v)上任意點的單位法矢為

令

上式中L，M，N稱為第II類基本量。

設(d)=du:dv為曲面S(u,v)在點c處的主方向，kn是沿主方向上的法曲率，滿足線性方程組

方程組有非零解，按照矩陣行列式方程解的關系得出公式計算主曲率

方程組的兩個根即為主曲率kmax，kmin。由根與系數的關系推出主曲率：

由歐拉公式，曲面上沿任方向的法曲率為kn(φ)=kmaxcos2φ+kminsin2φ。式中φ為所求任意方向與kmax對應的主方向間的夾角。

依據主曲率，曲面可劃分為拋物面、雙曲面和橢圓面，然后計算曲面的高斯曲率和平均曲率的符號，判定曲面上點的類型和凹凸性，將曲面上數據點分類，制得表1。

表1 曲面上點的類型

3 數控加工特性分析

表2 過切和主曲率關系

3 曲面分片

三維軟件建立的模型特征，其基礎是NURBS理論，用來描述復雜的曲線曲面，表征型面。因此，我們可以在模型中獲取自由曲面，將曲面劃分子區域的過程，即為曲面分片。

近鄰傳播算法根據樣本點之間傳遞的吸引度和歸屬度兩類消息自動識別高質量的聚類中心及個數。S(i,j)為點i和點j的相似度，表示數據點i在多大程度上適合作為數據點j的類代表，S(i,j)由輸入的偏向參數P(k)設置(P(k)<0)。A(i,j)表示點i對j的歸屬度，反映點i是否選擇點j作為其聚類中心。再根據曲面的主曲率，對整個曲面(型面)分片，得到加工子區域[10]。其大致過程如圖3。

圖3 分片過程示意圖

4 實驗驗證

數據收集。應用SiemensPLMSoftware公司出品的產品工程解決方案UnigraphicsNX軟件，為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段。基于葉輪的特征參數，通過螺旋線、掃掠、葉片加厚、倒圓倒角和陣列等特征，得到葉輪葉片數據模型如圖4。然后利用曲率和近鄰傳播算法進行曲面分片，可得效果如圖5。創建4把刀具，按照子區域最小曲率選擇刀具，選用等殘高法的方法來建立刀軌，可得數據見圖6。圖7為傳統數控的路徑規劃方法得到的數據，經過數據統計，得出表3，對于分片算法加工葉輪，刀具路徑長度減少了16.4%，可見，滿足精度要求的情況下，所提出的分片算法能獲得較短的路徑長度，能有效提高效率。

圖4 葉輪模型 圖5 葉輪分片效果

圖6 分片刀具路徑 圖7 傳統刀具路徑表3 參數對比

刀具半徑/mm分片路徑長度/mm總路徑長度/mm傳統法r=10rf=0.46148.27分片算法等殘高刀1r=25rf=11540.40刀2r=20rf=0.6627.54刀3r=12rf=0.41239.92刀4r=8rf=0.21874.915282.77(減少16.4%)

5 結論

面向葉輪加工，提出基于曲率匹配和近鄰傳播的分片算法，實現分塊換刀加工策略，將葉輪型面劃分子區域，規劃刀具路徑，在同等的條件下，能減少刀具路徑的總長度，提高生產效率。實驗結果和數據說明，分片算法應用葉輪生產方案可行，具備經濟價值。

[1] 重大技術裝備制造業發展研究[A].2007-2008中國生產力發展研究報告[C].:2009:94.

[2] 斑雯.閉式葉輪數控加工刀具路徑規劃[D].大連:大連理工大學,2008.

[3] 曹利新,馬曉嘉.五坐標加工整體葉輪粗加工刀位規劃[J].大連理工大學學學報,2008,48(1): 68-73.

[4] 劉飛鵬，周世偉．環形刀五軸數控自由曲面分片光順軌跡規劃研究[J]．機電工程技術，2011，39(8):106-109．

[5] 楊長輝，魯紅梅．復雜自由曲面 NC 加工自適應刀具軌跡規劃[J]. 機床與液壓，2011，39(19):48-50．

[6] FREYBJ，DUECK D． Clustering by Passing Messages Be-tween Data Points[J]．Science，2007，315(5814):972-976．

[7] 顧玉娜．整體葉輪的曲面造型及五軸數控加工[D]．武漢：華中科技大學,2007．

[8] 曾志迎. 復雜曲面的五坐標數控加工關鍵技術研究[D].太原:太原科技大學,2012.

[9] 章永年. 五軸數控加工中無碰刀具軌跡生成算法的研究[D].南京:南京航空航天大學,2012.

[10]董佳琦. 基于曲面分片的五軸刀具軌跡規劃研究[D].廣州:廣東工業大學,2013.

(編輯 李秀敏)

A High Efficiency Method for ImpellerMachining by Five-axis CNC

HE Ming,ZHANG Ping

(Faculty of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

Studying on impeller machining,this paper expounds the advantage of numerical control milling production, by building models in UG and using VC6.0 platform for UG customization, applies an algorithm based on main curvature and affinity propagation (AP) clustering to Surface subdivision.First, dividing the impeller type surface into several sub areas, then to generate tool path, the method will make the path shorter and a higher efficiency, The results show that: this method improves the efficiency and provides a certain reference in impeller.

UG customization；impeller machining；surface subdivision；tool path planning

1001-2265(2014)07-0139-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.040

2013-11-01;

2013-12-05

廣東省科技重大科技計劃項目 (2009B010900041)

賀明(1988—)，男，廣東工業大學碩士研究生，研究方向為數控技術，(E -mail)bilgate@ 163. com。

TH166;TG659

A