CN103934726B - 一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，涉及一种封闭式曲面数控加工刀路轨迹规划方法。本发明解决了目前对封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划未有有效方法，加工精度和加工表面质量都不甚理想的问题。步骤：内弧加工采用刀轴插补的加工策略；外环加工刀轴采用指向直线，轮毂加工刀轴采用指向点的加工策略；背弧加工采用侧刃驱动--加前倾角的加工策略，且其中间部位加工采用在驱动体上的双4轴的加工策略；前缘、尾缘加工采用三轴的加工策略。本发明实现了封闭式非直纹曲面在五轴数控机床上一体化加工，加工精度在IT6内，特别适合大批量的生产封闭式非直纹曲面结构。

Description

一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及一种封闭式曲面数控加工刀路轨迹规划方法，特别涉及涡轮发动机闭式叶轮数控加工中刀路轨迹规划。
背景技术
封闭式非直纹曲面是闭式叶轮的典型结构，而闭式叶轮是涡轮增压发动机的核心部件，广泛应用于航天、航空以及国防、能源、电力等部门。采用整体数控加工，突破了传统的采用叶轮和外环分开加工后再铆接或焊接在一起的工艺束缚，创新的提出整体加工，这样避免了分体加工后再组装到一起存在的焊接开裂、焊接不实、叶片在高温下变型等诸多问题。同时，采用整体加工可大大减少叶轮部件结构中叶尖与叶轮外环之间的逸流损失，提高发动机的工作效率、推重比和安全可靠性。
对于封闭式非直纹曲面加工方式，文献《带冠整体叶轮加工现状及新方法探索》、《带冠整体叶轮的应用及其加工工艺的研究》、《带冠整体叶轮组合电加工关键工艺的研究》等提出精铸成型、电解加工、电火花成型加工以及电解、电火花复合加工等方法，但是这些加工方式加工范围有限，加工精度低，加工表面质量差，对于高质量的整体闭式叶轮加工，需对其通道进行铣削加工。封闭式非直纹曲面加工刀路轨迹规划技术属国际性难题，文献《闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹规划》中提出了基于最小面积原理的叶盘插铣通道边界最佳直母线求解算法，分别针对叶片曲面及叶盘内外环面，提出了通道偏置直纹包络面的生成方法，给出了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹，但该方法研究对象为闭式直纹曲面加工刀路轨迹规划。目前对封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划也未有有效方法，加工精度和加工表面质量都不甚理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，从而实现闭式叶轮加工精度和加工表面质量的提高。
本发明的技术方案是：一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法的具体步骤为：
步骤一：封闭式非直纹曲面结构的叶片内弧的加工采用刀轴插补的加工策略，在内弧面上定义一系列的矢量以控制刀轴，内弧面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U-V双向线性插值或样条插值获得；
矢量的定义经过不断的调试和修改，最终要达到，刀具在闭合的空间内合理的摆动，使得刀具尽可能地接近两侧的轮毂和外环，而又不过切轮毂及外环的表面，最大限度地减少内弧面与轮毂及外环间的残留区；
步骤二：外环加工刀轴采用指向直线，直线的确定应使刀轴摆动角度在允许范围内，同时使叶根加工平滑；通道内的轮毂5加工角度在-5°至15°之间，其刀轴采用指向点，顺着流道方向加工；
步骤三：叶片背弧数控加工采用侧刃驱动--加前倾角的加工策略，定义沿驱动曲面的侧刃划线移动的刀轴，若刀具不带锥度，刀轴将平行于侧刃划线，若刀具带锥度，刀轴将与侧刃划线成一定角度，但二者共面，驱动曲面支配刀具侧面的移动，而部件表面支配刀尖的移动；叶片背弧中间部分采用在驱动体上的双4轴；指定一个4轴旋转角、一个前倾角和一个侧倾角，在双4轴中，分别为单向运动和回转运动定义不同的参数；
步骤四：前缘、尾缘数控加工，应用三轴的加工策略予以完成。
优选的：在步骤二中，外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，以相切法确定加工区域，采用正反两次装夹，每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，外环加工面积大于轮毂加工面积。
外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，加工时刀具与叶片干涉严重，需采用两次装夹，应使每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，消除两次装夹加工产生的接刀痕。
优选的：在步骤三中，以边界曲线关系确定刀轴角度范围，确定出刀轴所指向的点和直线位置，以及刀轴摆动的最大前倾角和侧倾角。从而更好地实现封闭非直纹曲面刀路轨迹规划。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明的优点在于：根据封闭式非直纹曲面结构特征，对于其数控加工，不同的位置采用不同的加工策略，实现了在五轴数控机床上一体化加工，加工柔性和加工效率高，且加工稳定，生产准备周期短，各个叶片形状的一致性好，动平衡性高，加工精度在IT6内，实现闭式叶轮加工精度和加工表面质量的提高，特别适合大批量的生产。
附图说明
图1为封闭式非直纹曲面结构示意图，包括1叶片内弧、2外环、3尾缘、4叶片背弧、5轮毂和6前缘；
图2为通道偏置面生成示意图；
图3为s4面相切线示意图；
图4为s2面上相切线示意图；
图5为加工区域确定示意图；
图6为刀轴角度确定示意图(α1、α2表示加工F1O4AO区域时边界前置角；β1、β2表示加工F1O4AO区域时边界侧倾角)。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明进行详细描述。
本发明一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，该方法包含以下步骤：
(1)内弧加工采用刀轴插补的加工策略，在内弧面上定义一系列的矢量以控制刀轴，内弧面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U-V双向线性插值或样条插值获得。矢量的定义经过不断的调试和修改，最终要达到，刀具在闭合的空间内合理的摆动，使得刀具尽可能地接近两侧的轮毂和外环，而又不过切轮毂及外环的表面，最大限度地减少内弧面与轮毂及外环间的残留区。
(2)外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，加工时刀具与叶片干涉严重，需采用两次装夹。应使每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，消除两次装夹加工产生的接刀痕。外环加工面积大于轮毂加工面积，外环加工刀轴采用指向直线，直线的确定应使刀轴摆动角度在允许范围内，又可以使叶根加工平滑。通道内轮毂加工角度小，其刀轴采用指向点，点位置的确定原则与直线相同。
(3)背弧数控加工采用侧刃驱动--加前倾角的加工策略，定义沿驱动曲面的侧刃划线移动的刀轴。如果刀具不带锥度，刀轴将平行于侧刃划线。如果刀具带锥度，那么刀轴将与侧刃划线成一定角度，但二者共面，驱动曲面支配刀具侧面的移动，而“部件表面”支配刀尖的移动。
(4)背弧中间部分曲面曲率的变化非常急剧，采用在驱动体上的双4轴。指定一个4轴旋转角、一个前倾角和一个侧倾角，在“双4轴”中，分别为单向运动和回转运动定义不同的参数。
(5)前缘、尾缘数控加工，应用三轴的加工策略即可实现。
步骤(1)(2)(3)(4)中加工区域和刀轴运动角度范围确定可通过如下步骤实现：
①设置刀轴运动安全空间，做出安全偏置曲面。偏置曲面通过将为内弧、外环、背弧、轮毂面向内偏置距离d实现。d值等于刀轴半径、半精加工余量与安全距离之和，通道偏置面如图2所示，s1、s2、s3、s4分别为偏置后内弧、外环、背弧、轮毂面，M、N分别为正、反两次装夹时刀具进口位置。
②加工区域确定。应保证每次装夹加工，加工面积最大。在s4面上过O1做直线l1A相切曲线O4O8于A点，作曲线O1O5与O4O8的公切线l3A切曲线O4O8于C点,如图3所示，同理，在s2面上过O2做直线l1B相切曲线O3O7于B点，做曲线O2O6与O3O7公切线l3B相切曲线O3O7于D点,如图4所示。连接AB、CD，发现区域O3O4AB与O7O8CD存在未相交区域AOC,同时为提高加工质量，加工区域应尽量重叠，故O3O4AB可作为从M处进刀时加工区域。O7O8AOD可作为从N处进刀时加工区域。AB与CD相交与点O，过O点作面与s2、s4同心，为避免刀具干涉，O7O8AOD、O3O4AB又应分为左右区域分别加工，FF1作为其分界线，如图5所示。
③刀轴角度范围确定。以加工F1O4AO区域为例，过A点做曲线O4O8的切线和法线分别为l1和l2，连接AF1，AF1与l1的夹角为α1，DE与l2的夹角为β1。过O点做曲线FF1的切线和法线分别为l3和l4，连接OO2，OO2与l3的夹角为α2，OO2与l4的夹角为β2。min(α1,α2)、min(β1,β2)为加工F1O4AO区域最大前置角和侧倾角，同理可得到加工O3F1OB、O7FOD区域时前置角和侧倾角范围，如图6所示。对于加工区域O8FOA，刀轴控制方法采用指向点，过A点向N端做直线，直线与曲面s1相切，点可确定在此直线上。
实施例：
针对某型号发动机闭式叶轮零件为例，采用本发明提出的刀路轨迹规划方法进行试验。该闭式叶轮外环直径为81.3mm，轮毂直径为59mm，叶轮高度为25mm，叶片高度为10mm，叶片为典型封闭式非直纹面，叶片间最小间距2.61毫米。内弧加工刀路轨迹前倾角和侧倾角为9.8°，矢量点坐标为(8.714，39.004，0.150)、(8.715，30.829，0.149)、(8.716，30.829，0.149)、(-1.116，30.029，9.609)；背弧加工刀路轨迹Zig切削前置角为-65°、侧倾角为26°，Zag切削前置角为65°、侧倾角为-26°；轮毂刀轴矢量点坐标为(-8.284，35.155，26.798)；背弧中间部分加工刀路轨迹旋转角为0，前倾角和侧倾角为60°；外环加工刀轴指向的直线经过点(-9.930，37.371，27.928)，且该矢量与X平面夹角为34.66°，与Z平面夹角为5.15°；前缘、尾缘加工刀路轨迹最大拐角角度135°。
将针对该闭式叶轮的刀路规划程序在VERICUT软件上进行切削仿真，并采用Ф2.4mm球头刀，刀具材料为YL10.2，刀柄长为50mm，在MIKRONUCP1350五轴数控加工中心机床上进行试件加工，封闭式非直纹曲面叶片在加工过程中，机床运行平稳，刀具与叶片表面无干涉，刀轴方向无突变现象，刀具受力较为均匀，叶根及叶片处无过切现象，曲面衔接处光滑连续。经过检测，表面粗糙度Ra小于0.8μm，叶型偏差低于0.04mm，符合加工工艺要求。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，其特征在于：封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法的具体步骤为：
步骤一：封闭式非直纹曲面结构的叶片内弧(1)的加工采用刀轴插补的加工策略，在内弧面上定义一系列的矢量以控制刀轴，内弧面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U-V双向线性插值或样条插值获得；
矢量的定义经过不断的调试和修改，最终要达到，刀具在闭合的空间内合理的摆动，使得刀具尽可能地接近两侧的轮毂和外环，而又不过切轮毂及外环的表面，最大限度地减少内弧面与轮毂及外环间的残留区；
步骤二：外环(2)加工刀轴采用指向直线，直线的确定应使刀轴摆动角度在允许范围内，同时使叶根加工平滑；通道内的轮毂(5)加工角度在-5°至15°之间，其刀轴采用指向点，顺着流道方向加工；
步骤三：叶片背弧(4)数控加工采用侧刃驱动--加前倾角的加工策略，定义沿驱动曲面的侧刃划线移动的刀轴，若刀具不带锥度，刀轴将平行于侧刃划线，若刀具带锥度，刀轴将与侧刃划线成一定角度，但二者共面，驱动曲面支配刀具侧面的移动，而部件表面支配刀尖的移动；叶片背弧中间部分采用在驱动体上的双4轴；指定一个4轴旋转角、一个前倾角和一个侧倾角，在双4轴中，分别为单向运动和回转运动定义不同的参数；
步骤四：前缘(6)、尾缘(3)数控加工，应用三轴的加工策略予以完成。
2.根据权利要求1所述的一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，其特征在于：在步骤二中，外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，以相切法确定加工区域，采用正反两次装夹，每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，外环加工面积大于轮毂加工面积。
3.根据权利要求1或2所述的一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，其特征在于：在步骤三中，以边界曲线关系确定刀轴角度范围，确定出刀轴所指向的点和直线位置，以及刀轴摆动的最大前倾角和侧倾角。
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