攪拌槳安裝定位分析及加工路徑優化

段美珍，王長國，李 曼

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

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攪拌槳安裝定位分析及加工路徑優化

段美珍1，王長國1，李 曼2

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

針對攪拌槳加工，分析了攪拌槳的安裝定位對加工的影響，計算優化了加工路徑，采用合理的加工參數，在避免刀具與工件干涉的同時，提高了生產效率。通過對粗加工和精加工階段分別進行分析，得出了形成工件輪廓的切入參數。應用MATLAB軟件利用數值解法描述了一片切屑的切除過程，為實際加工提供了理論數據參考。

攪拌槳；安裝；刀具

本文針對攪拌槳加工，分析研究了其安裝定位，優化了加工路徑，提高了生產效率。在確定零件安裝的方位時，首先應保證刀具與工件不產生干涉，即在對加工區域進行加工時，沿刀軸方向刀具的投影與相鄰槳葉和輪轂的投影沒有重疊；同時，為保證待加工區域都能被加工到，還應保證在該安裝的方位下待加工區域表面各點法矢與Z軸夾角<90°。滿足這2個條件的方位很多，在粗加工時，應以增大行切間距為約束條件確定最佳安裝方位；精加工時，應以改善球頭刀的切削條件，提高表面質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，因此，在刀具和機床允許的情況下，應盡量提高切削深度、進給量和行間距；同時應避免刀具和工件產生干涉。

1.1 攪拌槳葉面加工

葉面安裝定位和加工區域如圖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生干涉，且葉面(區域Ⅰ)都能加工到；在該安裝方位下，工藝系統剛度最好，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域如圖3和圖4所示。沿Y軸旋轉角度α，以提高加工效率為優化目標確定最佳安裝角度α。

三坐標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量及效率的重要因素。行距過小，會使加工時間成倍數增加，還會導致零件程序膨脹；反之，表面殘余高度就會增大，后續的加工量大，整體效率降低。為了既滿足加工精度與表面粗糙度要求，又能提高生產效率，應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軸旋轉角度α安裝圖

圖4 繞Y軸旋轉角度α安裝時沿刀軸方向的投影圖

粗加工時采用平底立銑刀(見圖5)，刀軸矢量u在曲面法矢n上的分量un對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。設螺旋槳繞Y軸旋轉角度α的旋轉矩陣為：

圖5 平底立銑刀加工示意圖

2 精加工

精加工時采用球頭立銑刀，以改善切削條件和提高球頭刀的耐用度為目標優化安裝方位。由于球頭刀切削刃上各點切削情況不一，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)，應盡量避免使用球頭刀底部周邊進行切削，利用刀軸傾角可改善不利的切削條件。在切削過程中，傾角影響著刀刃通過工件的軌跡[2-3]。采用切屑的截面積A(見圖6)來近似描述刀具切削刃上一點的負載，可以得出負載與刀具傾角的關系，從而確定最佳刀軸傾角。球頭刀切削時的切入參數(切削刃上進行切削的一點的刀刃角k和切入角φ，l為切削軌跡長度)可用工件和刀具幾何形狀的參數矢量描述來確定。

圖6 有傾角時球頭立銑刀的切入參數

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(見圖7)可描述成參數u(實際半徑系數)、k(刀刃角)和φ(切入角)的函數：

式中，0≤k≤π/2， 0≤φ≤2π，0≤u≤1。

圖7 刀具幾何形狀參數描述

刀具的傾角可通過刀具表達式的旋轉來實現。βf表示由進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(為簡化，令其等于0)，則旋轉矩陣為：

式中，D是旋轉矩陣；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算：

2.2 工件幾何形狀的描述

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

圖8 工件輪廓幾何形狀參數描述示意圖

對于每一切入角φ，產生刀具軌跡輪廓的點，即工件表面由刀刃角度產生，刀具幾何的法線在刀刃上垂直于進給方向。

2.3 形成工件輪廓的切入參數的計算

用球頭立銑刀切削時，當切除一個切屑時，刀刃的不同部位切入工件。工件輪廓由3條邊界線確定。對于給定的切入角φ，邊界曲線1、2的刀刃角度k1,2可由下式方程組計算：

對于給定的切入角φ，邊界曲線2、3的刀刃角度k2,3可用下式計算：

邊界曲線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方向進給量。

應用MATLAB軟件利用數值解法解上述方程，可得到形成工件輪廓的切入參數，這些計算參數描述了一片切屑的切除過程，得到的切入參數特征曲線如圖9所示。

圖9 刀具切入參數特征曲線

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

[2] 寧曉光, 湯赫男, 趙晶, 等.礦漿攪拌過程中不同位姿攪拌槳葉的磨損狀況分析[J]. 機電產品開發與創新, 2016,29(1)：12-15.

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

責任編輯 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，大學本科，講師，主要從事數控教學等方面的研究。

2016-06-24