一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流函数的螺旋桨桨叶的数控加工方法
本专利技术属于五轴数控加工
，具体涉及一种对螺旋桨桨叶的数控加工方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。作为本专利技术的进一步改进，所述的数控加工方法为五轴数控加工方法。作为本专利技术的进一步改进，所述的建模软件为CAD，或者为UG，或者为Pro/E。作为本专利技术的进一步改进，所述的CFD软件为FLUENT，或者为CFX，或者为PHOENICS。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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，本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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为按照本专利技术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为按照本专利技术实施例的螺旋桨结构简图；图3为按照本专利技术实施例的螺旋桨三维建模实体图；图4为按照本专利技术实施例的螺旋桨叶的叶面数控加工刀具轨迹；图5为按照本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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为按照本专利技术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为按照本专利技术实施例的螺旋桨结构简图。图3为按照本专利技术实施例的螺旋桨三维建模实体图。图4为按本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；螺旋桨桨叶的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多个点，通过得到的点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，最后对得到的曲面进行合并和实体化；(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，进行面向机床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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑金来，邵新宇，沈大为，姜昕亚，崔海斌，喻道远，吴胜，邹志华，丁玲，蒋勇平，
申请(专利权)人：江苏高精机电装备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32