CN108229019A - 闭式整体叶盘叶片精加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭式整体叶盘叶片精加工方法，包括步骤1：确定加工方向；步骤2：确定加工曲线及曲面；步骤3：刀路规划；该闭式整体叶盘叶片精加工方法能够提高加工精度，方便控制加工刀轴，保证叶片强度，在提高闭式整体叶盘加工质量和加工效率方面有显著效果，可应用在铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金整体叶盘叶片铣削加工中，也可应用到其他薄壁大悬伸零件的加工过程中。
Description
技术领域
本发明涉及数控铣削加工制造技术领域，尤其涉及一种闭式整体叶盘叶片精加工方法。
背景技术
叶盘类零件是航空航天发动机的核心部件，这类零件结构发展的趋势是采用带叶冠的闭式整体结构。采用闭式整体叶盘后，发动机的气动性能和工作可靠性得到明显提高。然而，闭式整体叶盘的流道狭窄并呈半封闭状态，其叶片长、弯扭大，且叶盘的材料多为钛合金、高温合金等难切削材料，这就给制造技术提出了挑战。
目前，国内外广泛采用多轴数控铣削加工。闭式整体叶盘是现代高推重比航空发动机采用的新结构，由于其具有结构复杂、开敞性差，叶片薄、加工变形控制难等工艺特征。因此，需要探索新型工艺方法来解决上述问题。
现有技术中的闭式整体叶盘叶片精加工刀轴难以控制、加工精度低，叶片强度无法保证。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够提高加工精度，方便控制加工刀轴，保证叶片强度的闭式整体叶盘叶片精加工方法。
本发明提出的一种闭式整体叶盘叶片精加工方法，包括以下步骤：
步骤1：确定加工方向；
步骤1.1：定义从叶片前缘到后缘的方向为长度方向；
步骤1.2：定义从围带到轮毂方向为深度方向；
步骤1.3：定义绕叶盘旋转方向从一侧叶片到另一侧叶片为宽度方向；
步骤2：确定加工曲线及曲面；
步骤2.1：定义前缘最高点为前缘极点，后缘最低点为后缘极点；定义前缘极点所对应的曲线为前缘极曲线，后缘极点所在的曲线为后缘极曲线；
步骤2.2：将前缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为前缘封闭曲面，将后缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为后缘封闭曲面。
步骤3：刀路规划；
步骤3.1：确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面；
步骤3.2：确定分层面；
步骤3.3：通过内层偏置面和外层偏置面分别与分层面求交，确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.4：通过前缘封闭曲面、后缘封闭曲面确定长度终止曲线；
步骤3.5：通过长度终止曲线确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分；
步骤3.6：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择刀位轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的前缘或后缘部分轨迹曲线确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.7：通过最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线确定最终的刀路轨迹。
进一步的，步骤3.1中所述确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面的方法是：以叶片的最大u值在叶片上取一条等参线(即v线)，将该等参线在叶片面的v值区间范围内线性插值出n个v值；再在叶片面的u值范围内线性插值得到m个u值；以n个v值和m个u值一一对应，求得叶片面上的m*n个点，并且求得这些点的法向；将这些点沿法向方向偏置一个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此得到n条叶片面的偏置曲线，称为内层偏置面；再同样将原来的点沿法向方向偏置两个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此再得到n条叶片面的偏置曲线，称为外层偏置面。
进一步的，步骤3.2中所述确定分层面的方法是：用一个辅助面穿过轮毂面、围带面得到两条交线，在这两条交线上分别离散x个点，再将这些点对应连接，得到x条线段，再根据设置的加工深度，分别在这些线段上按范围比例截取一段线段，然后分别将这些截取后的线段离散成y个点，按顺序取这些线上的第1个离散点拟合成一条母线，再取第2离散个点拟合成一条母线，以此类推，得到y条母线，以这些母线绕叶盘旋转轴做回转面，得到y个分层面。
进一步的，步骤3.3中所述确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：将内层偏置面与y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，再将这些点拟合成曲线，如此得到了内层偏置面上的y条刀路轨迹曲线，再将外层偏置面与第1个和第y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，将这些点拟合成曲线，如此得到外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
进一步的，步骤3.4中所述确定长度终止曲线的方法是：取前缘极曲线、后缘极曲线绕叶盘旋转轴做回转面，得到前缘封闭曲面、后缘封闭曲面，用一个辅助面穿过前缘封闭曲面和后缘封闭曲面，得到两条交线，在这两条交线上分别离散i个点，再将这些点对应连接，得到i条线段，根据设置的加工长度，依比例分别在i条线段上取长度终止点，将i个长度终止点分别拟合成长度终止曲线。
进一步的，步骤3.5中所述确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分的方法是：将长度终止曲线绕叶盘旋转轴做回转面，再将这个面与y条刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线求交，将刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线截断为前缘、后缘两部分。
进一步的，步骤3.6所述确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择前缘或后缘部分轨迹曲线，取进刀轨迹曲线、退刀轨迹曲线的前缘极点或后缘极点，进刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为起点，只取叶盆一侧的曲线；退刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为终点，如果刀路轨迹曲线数目y为偶数，则只取叶盆一侧的曲线，否则只取叶背一侧的曲线，得到最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
进一步的，步骤3.7中所述确定最终的刀路轨迹的方法是：以最终的进刀轨迹曲线在叶盆侧的终点，连接第1条刀路轨迹曲线在叶盆侧的起点；然后以第1条刀路轨迹曲线在叶背侧的终点，连接第2条刀路轨迹曲线在叶背侧的起点；以此类推，以第y条刀路轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的终点，连接最终的退刀轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的起点，以此完成整个刀路轨迹的连接，得到整个加工区域最终的刀路轨迹。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：该闭式整体叶盘叶片精加工方法能够提高加工精度，方便控制加工刀轴，保证叶片强度，在提高闭式整体叶盘加工质量和加工效率方面有显著效果，可应用在铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金整体叶盘叶片铣削加工中，也可应用到其他薄壁大悬伸零件的加工过程中。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：一种闭式整体叶盘叶片精加工方法，包括以下步骤：
步骤1：确定加工方向；
步骤1.1：定义从叶片前缘到后缘的方向为长度方向；
步骤1.2：定义从围带到轮毂方向为深度方向；
步骤1.3：定义绕叶盘旋转方向从一侧叶片到另一侧叶片为宽度方向；
步骤2：确定加工曲线及曲面；
步骤2.1：定义前缘最高点为前缘极点，后缘最低点为后缘极点；定义前缘极点所对应的曲线为前缘极曲线，后缘极点所在的曲线为后缘极曲线；
步骤2.2：将前缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为前缘封闭曲面，将后缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为后缘封闭曲面。
步骤3：刀路规划；
步骤3.1：确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面；
步骤3.2：确定分层面；
步骤3.3：通过内层偏置面和外层偏置面分别与分层面求交，确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.4：通过前缘封闭曲面、后缘封闭曲面确定长度终止曲线；
步骤3.5：通过长度终止曲线确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分；
步骤3.6：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择刀位轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的前缘或后缘部分轨迹曲线确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.7：通过最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线确定最终的刀路轨迹。
步骤3.1中所述确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面的方法是：以叶片的最大u值在叶片上取一条等参线(即v线)，将该等参线在叶片面的v值区间范围内线性插值出n个v值；再在叶片面的u值范围内线性插值得到m个u值；以n个v值和m个u值一一对应，求得叶片面上的m*n个点，并且求得这些点的法向；将这些点沿法向方向偏置一个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此得到n条叶片面的偏置曲线，称为内层偏置面；再同样将原来的点沿法向方向偏置两个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此再得到n条叶片面的偏置曲线，称为外层偏置面。
步骤3.2中所述确定分层面的方法是：用一个辅助面穿过轮毂面、围带面得到两条交线，在这两条交线上分别离散x个点，再将这些点对应连接，得到x条线段，再根据设置的加工深度，分别在这些线段上按范围比例截取一段线段，然后分别将这些截取后的线段离散成y个点，按顺序取这些线上的第1个离散点拟合成一条母线，再取第2离散个点拟合成一条母线，以此类推，得到y条母线，以这些母线绕叶盘旋转轴做回转面，得到y个分层面。
步骤3.3中所述确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：将内层偏置面与y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，再将这些点拟合成曲线，如此得到了内层偏置面上的y条刀路轨迹曲线，再将外层偏置面与第1个和第y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，将这些点拟合成曲线，如此得到外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
步骤3.4中所述确定长度终止曲线的方法是：取前缘极曲线、后缘极曲线绕叶盘旋转轴做回转面，得到前缘封闭曲面、后缘封闭曲面，用一个辅助面穿过前缘封闭曲面和后缘封闭曲面，得到两条交线，在这两条交线上分别离散i个点，再将这些点对应连接，得到i条线段，根据设置的加工长度，依比例分别在i条线段上取长度终止点，将i个长度终止点分别拟合成长度终止曲线。
步骤3.5中所述确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分的方法是：将长度终止曲线绕叶盘旋转轴做回转面，再将这个面与y条刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线求交，将刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线截断为前缘、后缘两部分。
步骤3.6所述确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择前缘或后缘部分轨迹曲线，取进刀轨迹曲线、退刀轨迹曲线的前缘极点或后缘极点，进刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为起点，只取叶盆一侧的曲线；退刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为终点，如果刀路轨迹曲线数目y为偶数，则只取叶盆一侧的曲线，否则只取叶背一侧的曲线，得到最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
步骤3.7中所述确定最终的刀路轨迹的方法是：以最终的进刀轨迹曲线在叶盆侧的终点，连接第1条刀路轨迹曲线在叶盆侧的起点；然后以第1条刀路轨迹曲线在叶背侧的终点，连接第2条刀路轨迹曲线在叶背侧的起点；以此类推，以第y条刀路轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的终点，连接最终的退刀轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的起点，以此完成整个刀路轨迹的连接，得到整个加工区域最终的刀路轨迹。
该闭式整体叶盘叶片精加工方法，采用的刀具为硬质合金球头铣刀(包括直柄球头铣刀和锥柄球头铣刀)，其具体加工方法为在叶片长度方向(即叶片前缘到后缘方向)进行分层加工，该工艺方法重点在于刀位点的生成和刀轴的干涉检查。
加工过程的具体操作步骤为：
一、在数控机床上设置主叶片、左右相邻叶片、围带、轮毂的加工余量和在前后缘位置的扩展量；
二、在数控机床上设置加工的起始位置(前缘右侧左侧、前缘右侧或者后缘左侧、后缘)和铣削的叶片(主叶片、左叶片或者右叶片)；
三、在数控机床上设置叶片的加工区域、径向刀路数；
四、在数控机床上设置刀具的碰撞检查点数和刀轴控制角度；
五、在数控机床上设置刀具的具体尺寸、转速和进给量。
该闭式整体叶盘叶片精加工方法能够提高加工精度，方便控制加工刀轴，保证叶片强度，实现高效闭式整体叶盘叶片的五轴数控加工，提高了闭式整体叶盘叶片的加工质量和加工效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定加工方向；
步骤1.1：定义从叶片前缘到后缘的方向为长度方向；
步骤1.2：定义从围带到轮毂方向为深度方向；
步骤1.3：定义绕叶盘旋转方向从一侧叶片到另一侧叶片为宽度方向；
步骤2：确定加工曲线及曲面；
步骤2.1：定义前缘最高点为前缘极点，后缘最低点为后缘极点；定义前缘极点所对应的曲线为前缘极曲线，后缘极点所在的曲线为后缘极曲线；
步骤2.2：将前缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为前缘封闭曲面，将后缘极曲线绕叶盘旋转轴旋转得到的回转面定义为后缘封闭曲面。
步骤3：刀路规划；
步骤3.1：确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面；
步骤3.2：确定分层面；
步骤3.3：通过内层偏置面和外层偏置面分别与分层面求交，确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.4：通过前缘封闭曲面、后缘封闭曲面确定长度终止曲线；
步骤3.5：通过长度终止曲线确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分；
步骤3.6：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择刀位轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的前缘或后缘部分轨迹曲线确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线；
步骤3.7：通过最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线确定最终的刀路轨迹。
2.根据权利要求1所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.1中所述确定叶片面的内层偏置面和外层偏置面的方法是：以叶片的最大u值在叶片上取一条等参线(即v线)，将该等参线在叶片面的v值区间范围内线性插值出n个v值；再在叶片面的u值范围内线性插值得到m个u值；以n个v值和m个u值一一对应，求得叶片面上的m*n个点，并且求得这些点的法向；将这些点沿法向方向偏置一个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此得到n条叶片面的偏置曲线，称为内层偏置面；再同样将原来的点沿法向方向偏置两个刀具半径，将偏置后的点沿v向拟合成曲线，如此再得到n条叶片面的偏置曲线，称为外层偏置面。
3.根据权利要求2所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.2中所述确定分层面的方法是：用一个辅助面穿过轮毂面、围带面得到两条交线，在这两条交线上分别离散x个点，再将这些点对应连接，得到x条线段，再根据设置的加工深度，分别在这些线段上按范围比例截取一段线段，然后分别将这些截取后的线段离散成y个点，按顺序取这些线上的第1个离散点拟合成一条母线，再取第2离散个点拟合成一条母线，以此类推，得到y条母线，以这些母线绕叶盘旋转轴做回转面，得到y个分层面。
4.根据权利要求3所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.3中所述确定内层偏置面上的刀路轨迹曲线和外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：将内层偏置面与y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，再将这些点拟合成曲线，如此得到了内层偏置面上的y条刀路轨迹曲线，再将外层偏置面与第1个和第y个分层面求交，每与一个分层面求交后得到n个点，将这些点拟合成曲线，如此得到外层偏置面上的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
5.根据权利要求4所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.4中所述确定长度终止曲线的方法是：取前缘极曲线、后缘极曲线绕叶盘旋转轴做回转面，得到前缘封闭曲面、后缘封闭曲面，用一个辅助面穿过前缘封闭曲面和后缘封闭曲面，得到两条交线，在这两条交线上分别离散i个点，再将这些点对应连接，得到i条线段，根据设置的加工长度，依比例分别在i条线段上取长度终止点，将i个长度终止点分别拟合成长度终止曲线。
6.根据权利要求5所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.5中所述确定刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线前缘、后缘两部分的方法是：将长度终止曲线绕叶盘旋转轴做回转面，再将这个面与y条刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线求交，将刀路轨迹曲线、进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线截断为前缘、后缘两部分。
7.根据权利要求6所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.6所述确定最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线的方法是：根据选择是从前缘或后缘进刀，选择前缘或后缘部分轨迹曲线，取进刀轨迹曲线、退刀轨迹曲线的前缘极点或后缘极点，进刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为起点，只取叶盆一侧的曲线；退刀轨迹曲线以前缘极点或后缘极点为终点，如果刀路轨迹曲线数目y为偶数，则只取叶盆一侧的曲线，否则只取叶背一侧的曲线，得到最终的进刀轨迹曲线和退刀轨迹曲线。
8.根据权利要求7所述的闭式整体叶盘叶片精加工方法，其特征在于：步骤3.7中所述确定最终的刀路轨迹的方法是：以最终的进刀轨迹曲线在叶盆侧的终点，连接第1条刀路轨迹曲线在叶盆侧的起点；然后以第1条刀路轨迹曲线在叶背侧的终点，连接第2条刀路轨迹曲线在叶背侧的起点；以此类推，以第y条刀路轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的终点，连接最终的退刀轨迹曲线在叶盆侧(若y为奇数，则为叶背侧)的起点，以此完成整个刀路轨迹的连接，得到整个加工区域最终的刀路轨迹。
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