汽轮机叶片圆环形盘铣刀包络加工理论研究

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1、沈阳工业大学博士学位论文汽轮机叶片圆环形盘铣刀包络加工理论研究ResearchonCircularDiskCutterEnvelopMillingTheoryforTurbineBlade作者：王建军单位：机械工程学院指导教师：王可教授单位：机械工程学院协助指导教师：单位：论文答辩日期：2015年3月4日学位授予单位：沈阳工业大学摘要随着经济转型升级，在工业产品中，为追求更高的产品性能，具有复杂曲面的零件越来越多，且已广泛应用于航空航天、汽车、能源和船舶等几乎所有工业领域。汽轮机是将蒸汽的热能转换为机械能的旋

2、转式动力机械，是火电和核电的主要设备之一。汽轮机中数量最多的一类零件是叶片，其型面为多曲面混合的复杂曲面，叶片的加工效率直接影响着汽轮机生产企业响应市场的速度，为追求汽轮机组具有更高的工作性能，叶片叶身曲面日趋复杂，如何在保证叶片加工精度的前提下，提高汽轮机叶片的加工效率是一项需要持续研究的课题。本文在总结现行复杂曲面加工技术和曲线曲面成形理论的基础上，从圆环形盘铣刀包络加工理论研究入手，构建圆环形盘铣刀的几何模型，分析其包络加工过程中圆环面与被加工曲面的相对运动关系，明确被加工曲面成形由盘铣刀刀尖圆弧回转形

3、成的圆环面完成，在探讨影响最大有效切削半径的因素后得出，为避免过切或欠切，盘铣刀半径需小于被加工曲面与切削圆平面相交线的最小曲率半径。针对圆环形盘铣刀刀具轨迹的设计，在给定残留高度的情况下，推导出刀具轨迹行距计算模型，并对刀具的位置参数选择和圆环形盘铣刀加工曲面的联动轴数进行了说明。针对汽轮机叶片，提出了圆环形盘铣刀对其加工的新方法，构建了圆环形盘铣刀加工汽轮机叶片的全轴包络模型和铣削路径模型，通过径向包络和轴向包络加工效果比较，确定采用圆环形盘铣刀轴向包络加工汽轮机叶片的方式。为保证刀具轨迹线排列有序和良好

4、的加工效率，获取符合叶片曲面走向的刀具轨迹，建立了等残留高度计算行距的模型，分析等残留高度法的不足，提出了最大等残留高度控制法，该方法是在保持刀具轨迹与叶片曲面扭曲方向一致的前提下，控制相邻刀具轨迹间的最大残留高度相等来设计刀具轨迹。鉴于圆环形盘铣刀加工汽轮机叶片的过程中，圆环面与被加工叶片曲面的接触点在圆环面的一个区域内变化而不易确定，为解决刀位点计算问题，在构建两曲面间距离模型的基础上，提出了定向最小距离算法，并对该算法中的求解条件、距离计算模型、凸凹面判断、初始点选择和曲面网格化处理等进行了研究，该算法

5、将刀位点增量的计算转换为求解圆环面与被加工叶片曲面的定向最小距离，从而间接得到刀位点的轨迹。定向最小距离求解过程中，曲面按纵横两个方向进行网格化离散，两个方向的离散间距与叶片曲面的位置有关。结合给定弯扭叶片的原始数据，采用三次样条插值建立径向截面型线的拟合方程，I沈阳工业大学博士学位论文为解决同截面最大曲率计算的难题，对分段连续拟合出的三次样条函数进行人工干预处理，通过比较指定区间的最大曲率得出整个截面型线的最大曲率，再对不同截面进行比较求得全局最大曲率，以此确定圆环形盘铣刀的最大有效切削半径的取值范围。叶片

6、径向截面型线和横向截面型线在空间中形成了曲线网，为建立叶片曲面方程和计算网格线交点处的切平面及法向量，引入了曲线变换的概念。圆环形盘铣刀残留高度的计算是最大等残留高度控制法应用的基础，计算过程可简化为求解两圆交点与截面型线的距离，距离的求解需增加交点的位置判断，相邻行间最大残留高度径向截面对应点确定后，按照轴向型线拟合方程，即可确定不同截面上的轴向对应点。对不同截面对应点进行轴向拟合，可形成一组与叶片弯扭方向相同的空间曲线，为利用定向最小距离算法获取刀具的运动轨迹，研究过程中，将这些空间曲线作为刀具运动轨迹计

7、算的控制线，并按设定步长进行插值离散处理得到刀具轨迹的控制点，以此逐步确定圆环形盘铣刀包络加工汽轮机叶片的运动轨迹点。使用圆环形盘铣刀加工汽轮机叶片，包络加工模型的建立是将该方法应用到叶片制造的基础，相关数学模型的建立为刀具轨迹求解提供了计算方法，刀具轨迹设计中，叶盆或叶背与过渡圆弧的切线容易获取，可作为轨迹计算的起始线。文中采用的轴向截面包络加工方法，既符合曲率吻合原理，同时在减少空走刀、优化刀具路径方面作用明显，实例仿真加工结果显示，利用圆环形盘铣刀包络加工汽轮机叶片，刀具路径长度有大幅缩短，数控程序明显

8、减少，研究成果可为汽轮机叶片加工专用数控机床设计、叶片加工抛光机设计等提供一定的理论基础。关键词：复杂曲面，汽轮机叶片，圆环形盘铣刀，残留高度，定向最小距离IIAbstractWiththeeconomytransformingandupgrading,andinthepursuitofhigherproductperformance,therearemoreandmorecomponentswit