CN104615086A - 一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其针对螺旋桨的工作表面特点和工作要求，通过分析工作表面流体的流动方向和流场分布，以流函数的分析为基础，规划和计算刀具路径，并把机械加工表面完整性的因素引入到数值模拟中，加工出具有更加符合工作情况、表面质量更高的螺旋桨。

Description

一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法
技术领域
本发明属于五轴数控加工技术领域，具体涉及一种对螺旋桨桨叶的数控加工方法。
背景技术
螺旋桨是大型轮船潜艇等重型动力机械的核心部件，其性能的好坏直接影响甚至是决定着整机的性能。随着科技的发展，航空、航天、船舶等领域对螺旋桨的性能要求越来越高。
传统的大型螺旋桨加工分为砂型毛坯铸造、砂轮打磨、样板检查，在其加工过程中有部分工序是人工完成，这种加工方法周期长、制造成本高，不能保证螺旋桨的精度，同时耗费的人工劳动量大，工作环境恶劣，检验过程繁琐笨重，存在严重的材料浪费。随着数控机床和计算机技术的发展，螺旋桨的加工目前大多采用数控机床来完成，后抛光以保证工作面精度。由于盘面较大的螺旋桨桨叶之间存在重压，需要通过五轴数控加工来完成。随着螺旋桨加工技术的进步，制造自动化程度提高，产品精度得到了有效提高，生产效率和工人工作条件也得到很大改善。国外将数控技术应用到核潜艇螺旋桨的制造中取得良好的效果，很大程度上降低了核潜艇水下航行时的振动和噪声，改善了水下隐蔽性。
螺旋桨的工作表面是复杂的空间自由曲面，其设计和制造都有很高的技术难度。研究者对机械加工表面的微观几何形貌以及宏观表面完整性对零件的工作性能(耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等)的影响在摩擦学领域已经进行了深入探讨，目前却很少有从流体力学设计理论和设计方法上进行研究。同时，国外科技发达的国家一直致力于螺旋桨等复杂曲面零件的五轴数控加工技术研究，并将研究成果应用于大型螺旋桨的生产制造中，有效地减少了产品的加工时间和刀具磨损，改善了叶片的工作表面质量，从而大大降低了潜艇水下航行时的振动和噪声，改善了水下隐蔽性，同时提高了生产效率。
到目前为止，国内外的螺旋桨叶片加工方面的研究主要集中在提高加工精度以提高螺旋桨加工质量，缺乏结合螺旋桨工作情况和流体机械特性的分析，没有将其制造加工过程同设计环节和具体工作环节结合。由于以上所述的技术缺陷和研究的不足，现目前螺旋桨的加工不能最大程度的发挥机床的能力，使螺旋桨不能满足更高的工作性能要求，尤其是军用舰艇对噪声和隐蔽性的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和改进需求，提出一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其针对螺旋桨的工作表面特点和工作要求，通过分析工作表面流体的流动方向和流场分布，以流函数的分析为基础，规划和计算刀具路径，并把机械加工表面完整性的因素引入到数值模拟中，从而加工出具有更加符合工作情况、表面质量更高的螺旋桨。
为实现上述目的，本发明所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，具体包括以下多个步骤：
(1)利用建模软件构建螺旋桨桨叶模型；
(2)利用CFD软件对所述的螺旋桨桨叶模型进行数值模拟，生成螺旋桨桨叶表面流线，分析螺旋桨桨叶流场；
(3)对生成的螺旋桨桨叶表面流线进行适应数控加工特性的点位修正，完成沿流体流动方向的刀具路径规划；
(4)根据生成的刀具路径规划，进行面向零件轮廓的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在干涉或过切，若存在，则转步骤(3)，若不存在，则转步骤(5)；
(5)根据刀具路径规划，生成刀位源文件，进行后置处理，然后将刀位源文件转化为机床支持的程序代码；
(6)对生成的程序代码，进行面向数控加工的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在碰撞或干涉，若存在，则转步骤(5)，若不存在，则转步骤(7)；
(7)利用生成的程序代码，进行螺旋桨加工。
作为本发明的进一步改进，所述的数控加工方法为五轴数控加工方法。
作为本发明的进一步改进，所述的建模软件为CAD，或者为UG，或者为Pro/E。
作为本发明的进一步改进，所述的CFD软件为FLUENT，或者为CFX，或者为PHOENICS。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤(1)中，从正向设计的角度分析整体螺旋桨桨叶的几何特点，主要是工作面特点，结合材料特性和加工要求，分类研究工艺，获得有限的数控加工工艺特征曲面类型，对待加工的螺旋桨进行软件建模，获得螺旋桨桨叶模型。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤(2)中，对螺旋桨的三维建模进行数值模拟的网格划分，设定螺旋桨转速、前进比、马赫数和雷诺数，考虑叶片表面粘性，对螺旋桨进行敞水试验，分析螺旋桨流场，建立螺旋桨工作表面的流场分布与运动的数学模型，从而生成螺旋桨桨叶表面流线。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤(3)中，将螺旋桨桨叶叶片划分为多个区域，对每个区域采用不同的刀具路径规划，对叶面和导边进行沿螺旋桨表面流线方向的加工刀具路径规划，对叶背和随边进行沿圆周方向的加工刀具路径规划，桨毂沿螺旋线方向规划加工刀具路径，确定刀具的步长和行距，形成桨叶沿流体流动方向的刀具路径规划。螺旋桨的CAD(计算机辅助设计)建模，从正向设计的角度分析整体螺旋桨桨叶的几何特点，主要是工作面特点，结合材料特性和加工要求，分类研究工艺，获得有限的五轴加工工艺特征曲面类型，对待加工的螺旋桨进行CAD建模，获得螺旋桨桨叶。
总体而言，本发明所述的数控加工方法相对于现有技术，具有如下技术效果：
1)在螺旋桨的流场分布的分析中以函数的形式引入了粗糙度的等效扰动，把加工数据反馈到设计分析过程中，提高了数值模拟的可靠性和流场分布曲线的准确性，以提高此类自由曲面设计制造的精确性；
2)流函数曲线(桨叶表面流线)具有适合数控加工的多种优势，如叶轮叶片曲面表面流体流动轨迹的包络即为设计所得到的自由曲面，流动轨迹没有交叉，流体中一点到另一点的轨迹在无障碍的情况下一定沿最短路径等等，同时满足流体动流动曲线，可降低流体阻力，这些特点都满足数控加工刀具轨迹的基本要求；
3)本发明在螺旋桨工作表面的流体的流场分布与运动的数学模型的基础上，设计和规划出的沿流体流动方向的切削加工路径，具有短、平稳、灵活的优点；
4)本发明针对实际的桨叶表面流线中存在不适合数控加工路径的鞍点和拐点等，在刀具路径规划前要先对桨叶表面流线进行适应数控加工特性的点位修正，使其能符合数控加工工艺的要求，选择刀具路径规划的算法规划出刀具路径，按此方法规划的刀具路径加工出的螺旋桨将更符合流体在螺旋桨工作表面的流场分布，降低螺旋桨工作时的噪声和振动，使桨叶所在的船体具有更好隐蔽性。
5)本发明所述的方法规划的刀具路径切削加工，零件工作表面符合流线设计，刀具轨迹短而且具有平稳性和灵活性，加工出的零件可有效降低诸如潜艇的水下航行时的振动和噪声，改善其水下隐蔽性。
附图说明
图1为按照本发明实施例的基于流函数的螺旋桨桨叶数控加工方法流程图；
图2为按照本发明实施例的螺旋桨结构简图；
图3为按照本发明实施例的螺旋桨三维建模实体图；
图4为按照本发明实施例的螺旋桨叶的叶面数控加工刀具轨迹；
图5为按照本发明实施例的螺旋桨叶的叶背数控加工刀具轨迹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为按照本发明实施例的基于流函数的螺旋桨桨叶数控加工方法流程图。
图2为按照本发明实施例的螺旋桨结构简图。
图3为按照本发明实施例的螺旋桨三维建模实体图。
图4为按照本发明实施例的螺旋桨叶的叶面数控加工刀具轨迹。
图5为按照本发明实施例的螺旋桨叶的叶背数控加工刀具轨迹。
如图1所示，本发明实施例的加工方法具体包括以下多个步骤：
(1)利用建模软件构建螺旋桨桨叶模型；
如图2所示，由艇尾后面向前看时见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂联接处称为叶根，桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称为导边，另一边称为随边，本发明所述的螺旋桨桨叶数控加工方法，仅涉及桨叶部分的加工，不包括毂的加工。
螺旋桨的CAD建模以螺旋桨二维型值表为基础，型值表给出了桨叶在与转轴同轴的不同半径圆柱截面上的一系列点，通过这些点可以得到不同半径处的螺旋桨截面形状，再通过这些截面生成螺旋桨桨叶曲面。
首先要通过二维型值表计算得出绘制螺旋桨曲面所需的所有型值点在笛卡尔坐标系中的空间坐标，供CAD建模直接使用。
本实施例中，在CAD软件中导入同半径圆柱截面处的型值点，生成该截面处的型线。螺旋桨桨叶曲面的生成还可以有蒙皮曲面生成法和扫描曲面生成法，例如UG(交互式CAD/CAM系统)中主要用到蒙皮曲面生成法，而Pro/E(Pro/E为Pro/Engineer的简称，是一种CAD/CAM/CAE一体化的三维操作软件)中主要用到边界混合生成叶片表面曲面。蒙皮法要使各截面曲线要具有相同的次数和节点矢量；边界混合法要先生成导边和随边、叶背最大厚度线和叶面最大厚度线，以这几条曲线和叶片型线为基准生成桨叶曲面。桨榖是标准的回转体，可方便实现。
最后对曲面进行合并和实体化，三维建模如图3所示。
(2)对所述的螺旋桨桨叶模型进行数值模拟，通过分析螺旋桨桨叶流场确定优化的螺旋桨桨叶表面流线。
本实施例中，利用CFD软件进行数值模拟，对螺旋桨进行敞水试验，得出流场分析结果，建立的螺旋桨工作表面的流场分布与运动的数学模型。
本实施例中优选采用的CFD流场分析软件为FLUENT,但本发明中不限于此，也可以为同类CFD软件，例如CFX、PHOENICS等。
具体地，螺旋桨进行实体几何模型的建立后，将建模的文件导入模拟软件，进行网格划分。具体可以如下：选择螺旋桨外较大圆柱体水域为计算域为计算域，先对计算域进行网格划分，在导边、随边、叶稍、叶根这些曲率小、形状复杂区域进行网格加密，网格尺寸由螺旋桨表面向外逐渐增大，保证了计算精度的同时降低计算时间，后设置边界条件，最后输出结果。
FLUENT文件根据输出的结果，设定流体性质、求解器、湍流模型、离散方法、螺旋桨转速、轴向移动速度等参数，进行流场分析。
在CFD软件对螺旋桨流场的分析中，要求建立表面流场分布曲线与表面几何形状和表面粗糙度之间关系的数学模型，将由于工作表面粗糙度的等效扰动以函数的形式引入到流体动力学数值模拟中，在现有的流场分析的基础上引进加工数据，同时设置粗糙度最大的方向为与叶面流线方向垂直和同向两种情况，进而得出具有更高可靠性和准确性的分析结果。
整体流场分析中，取整个圆柱表面为外边界，进出口为圆面，进行湍流模型的选择和边界条件的设定。流动控制方程优选采用雷诺时均方程，选择RNG k-ε湍流模型，进口边界条件设置为速度进口，给定均匀来流的各速度分量；在流体域出口边界给定充分发展Outflow条件；螺旋桨和桨毂给定无滑移固壁条件。同时，压力选择PERSTO！进行离散，其它采用一阶迎风格式。计算域内的流体按MRF模型设置为绕轴以一定的角速度旋转。设定螺旋桨转速、来流速度、马赫数、雷诺数和进速系数，对不同叶片表面粗糙度最大方向下的压力场、速度场、流线分布等桨敞水性能进行分析，得到的结果显示，当表面粗糙度最大方向与叶面流线方向相同时，螺旋桨敞水性能为最佳。
流场分析得出的具有高可靠性和准确性的桨叶表面流线是刀具路径规划的基础。
(3)对生成的桨叶表面流线中的鞍点和拐点等进行适应数控加工特性的点位修正，完成沿流体流动方向的刀具路径规划。
刀具路径的规划通过已经建立的螺旋桨CAD实体模型，在CAD/CAM软件中完成。
以FLUENT对流场分布与运动的分析的数学模型为基础对生成的桨叶表面流线中的鞍点和拐点等进行适应数控加工特性的点位修正，使其能符合数控加工工艺的要求。
本实施例中，将叶片划分为三个加工区域：叶背和随边、叶面和导边、以及叶根，采用不同刀具路径规划方法。叶背为吸力面，流体与叶背表面的相互作用力小，采用参数线法进行刀具路径规划。叶面与压力面由于流体与桨叶表面相互作用力大，易产生不稳定流动，诱发振动和噪声，其刀具路径规划以进行了点位修正后符合数控加工工艺要求的桨叶表面流线为基准，按照螺旋桨桨叶的加工效率要求和表面加工精度等要求，使刀具路径与叶片表面流线吻合。叶根为过渡圆角，加工刀具路径沿桨毂与叶片交线方向形成封闭的刀具路径。
选择高效的道具形状、刀具尺寸，根据表面加工精度的要求，确定刀具的步长和行距，形成完整的沿流体流动方向的刀具路径。叶面和导边的刀具路径示意图如图4，生成的叶背和随边的刀具路径示意图如图5。
(4)根据生成的刀具路径规划，进行面向零件轮廓的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在干涉或过切，若存在，则转步骤(3)，若不存在，则转步骤(5)
为了减少在实际数控加工中产生干涉碰撞或过切的可能性，确保加工能安全、正常地进行，在实际加工前进行仿真验证是很必要的。
如图1所示，仿真实验主要有两部分，面向零件轮廓的仿真和面向数控加工的仿真，通过面向零件轮廓的仿真判断被加工零件在加工中是否存在干涉或过切，若存在，则需对刀具轨迹进行修改和完善，否则继续下一步骤。
(5)根据刀具路径规划，生成刀位源文件，进行后置处理，然后将刀位源文件转化为机床支持的程序代码。
刀具路径文件并不能直接用于数控加工，要利用CAD/CAM软件和数控系统，导入所规划和计算出的刀具路径文件，生成刀位源文件，进行后置处理(Post Processing)，将加工轨迹的刀位源文件(CLSF，Cutter LocationSource File)转化为机床支持的程序代码。
根据生成的机床代码，即可进行螺旋桨桨叶的五轴加工。
(6)对生成的程序代码，进行面向数控加工的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在碰撞或干涉，若存在，则转步骤(5)，若不存在，则转步骤(7)
对生成的机床代码，进行面向机床数控加工仿真判断各坐标轴的运动速度及其变化率是否超出其允许的最大速度与伺服驱动能力，根据机床各轴的速度、加速度与平稳性要求对合成进给速度进行校核，判断是否存在碰撞或干涉，若存在，则需对重新生成生成刀位文件，进行后置处理，否则继续下一步骤。
(7)利用生成的程序代码，进行螺旋桨加工，即可完成螺旋桨的数控加工。
针对螺旋桨的工作表面特点和工作要求，本发明通过分析工作表面流体的流动方向和流场分布，以流函数的分析为基础，规划和计算刀具路径，并把机械加工表面完整性的因素引入到数值模拟中，从而可以加工出具有更加符合工作情况、表面质量更高的螺旋桨。
以上对本发明的实施例进行了具体的说明，但本发明并不局限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造思维的前提下还可以作出各种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)对待加工的螺旋桨进行CAD建模，构建螺旋桨桨叶模型；
(2对所述的螺旋桨桨叶模型进行流体动力学数值模拟，通过分析螺旋桨桨叶流场确定优化的螺旋桨桨叶表面流线；
(3)对生成的螺旋桨桨叶表面流线进行点位修正，并完成沿流体流动方向的刀具路径规划；
(4)根据生成的刀具路径规划，进行面向零件轮廓的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在干涉或过切，若存在，则转步骤(3)，若不存在，则转步骤(5)；
(5)根据刀具路径规划，生成刀位源文件，进行后置处理，然后将刀位源文件转化为机床支持的程序代码；
(6)对生成的程序代码，进行面向数控加工的仿真试验，判断被加工零件在加工中是否存在碰撞或干涉，若存在，则转步骤(5)，若不存在，则转步骤(7)；
(7)利用生成的程序代码，进行螺旋桨加工。
2.根据权利要求1所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过利用CFD软件进行数值模拟，对螺旋桨进行敞水试验，得出流场分析结果。
3.根据权利要求1或2所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其特征在于，所述螺旋桨桨叶流场分析中，通过建立表面流场分布曲线与表面几何形状和表面粗糙度之间关系的数学模型，将由于工作表面粗糙度的等效扰动以函数的形式引入到流体动力学数值模拟中，同时结合桨叶加工数据并设置粗糙度最大的方向为与叶面流线方向垂直或同向，建立螺旋桨工作表面的流场分布与运动的数学模型，实现获得准确的流场分布曲线。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中进行刀具路径规划时，通过将螺旋桨桨叶叶片划分为多个区域，对每个区域采用不同的刀具路径规划，确定刀具的步长和行距，从而形成桨叶沿流体流动方向的刀具路径。
5.根据权利要求4所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法，其特征在于，所述叶片划分为三个加工区域：叶背和随边、叶面和导边、以及叶根，其中，对叶背和随边进行沿圆周方向的加工刀具路径规划，对叶根沿螺旋线方向规划加工刀具路径。
6.利用权利要求1-5中任一项所述的基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法加工制备的螺旋桨桨叶。
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