CN112676768B - 复杂自由曲面叶轮的cam加工编程方法及专用加工刀具 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法及专用加工刀具。包括1)叶片整体粗开；采用固定轴铣削的方式进行整体开粗，去处大部分余量；2)叶片正面粗加工；对叶片正面进行粗加工，去除多余余量；3)叶片背面粗加工；对叶片背面进行粗加工，去除多余余量；4)叶片前缘粗加工；采用固定轴进行加工；5)叶轮流道粗加工；按照分割法在叶轮上加工出流道曲面；6)叶轮精加工得到成品。本发明编程效率高，程序质量高，不会出现意外断刀，零件加工轮廓精度、粗糙度和尺寸均能满足要求，且稳定可靠；专用加工刀具，能增加刀具强度，满足加工需求，提高加工效率。

Description

复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法及专用加工刀具

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法及专用加工刀具。

背景技术

通常叶轮为直纹面叶轮和自由曲面叶轮。自由曲面叶轮的编程现有技术主要有两类：(1)通过CAM软件的叶轮模块进行编程，结合零件实际结构在模块中对应的叶片加工、流道加工、R加工等模块设置相应参数来进行。该方法适用于结构较简单的叶轮；(2)通过CAM软件通用的编程命令，如平面铣、固定轴轮廓铣、可变轴轮廓铣等进行编程，分别对叶片、流道、R等进行加工。该方法因编程过程中所有加工方法均需要编程人员设计，导致编程方式自由、效率低、程序质量差、产品加工质量低，且该方法对技术人员要求很高。所以该方法在实际中很少使用。(3)通过专用的叶轮加工编程软件进行。专用的叶轮加工编程软件对于结构复杂的自由曲面叶轮也难以进行，及时勉强编制出刀具轨迹，程序的质量也极低，加工效率低、质量差。且专用的叶轮加工编程软件成本极高。

但由于现代新装备的要求越来越高，出现的各种复杂自由曲面结构叶轮页越来越多，通用的叶轮模块已不能完成编程，必须使用通用编程命令进行。但由于用通用编程命令的方式的缺点会导致生产质量的不稳定及生产周期的不可控，对生产产生极大负作用。

而复杂自由曲面叶轮的编程难点在叶轮体的流道面和叶片体的加工。主要有以下几大特点导致编程难度大：

(1)叶片反向弯曲大且无规律：整个叶片的正面、前缘、背面全为自由曲面，且曲面弯曲大，弯曲程度无规律，尤其是叶片前缘及叶片背面存在极大的反向弯曲，导致刀具难以到达。

(2)叶片间隙小：主叶片与分流叶片之间的间隙很小(不大于3mm)，结合叶片背面的反向弯曲，实际可进入的刀具不能大于

(3)流道面结构复杂：由于叶片结构复杂，被分割后的流道面结构也相应复杂。受叶片结构影响，通用的曲面加工方法难以完成流道面的编程。

(4)刀具长度大：为加工叶片前缘和叶片背面的反曲面，且避免与零件干涉，需要增加刀具长度。

(5)零件材料难加工：零件材料为钛合金，本身材料难加工。当刀具小、刀杆长、变刀轴等恶劣条件同时出现时，极易断刀。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法及专用加工刀具，编程效率高，程序质量高，不会出现意外断刀，零件加工轮廓精度、粗糙度和尺寸均能满足要求，且稳定可靠；专用加工刀具，能增加刀具强度，满足加工需求，提高加工效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，包括以下步骤：

1)叶片整体粗开；对于复杂自由曲面叶轮，采用固定轴铣削的方式进行整体开粗，去处大部分余量；

2)叶片正面粗加工；经步骤1)的叶片，对其正面进行粗加工，去除多余余量；

3)叶片背面粗加工；经步骤1)的叶片，对其背面进行粗加工，去除多余余量；

4)叶片前缘粗加工；采用固定轴，选择小刀具且悬伸长，刀轴方向按远离叶片方向侧倾2～10°；

5)叶轮流道粗加工；按照分割法在叶轮上加工出流道曲面；

6)叶轮精加工，将粗加工后的叶片和流道进行精加工，得到成品。

进一步的，所述步骤1)的具体过程是：

1.1)用大刀具、大切削量(直径大于精加工刀具2mm以上，切削量大于精加工5倍以上)快速加工，去除大余量，走刀方式为分层的轮廓铣或插削方式；

1.2)用小刀具(直径大于精加工刀具0.5mm以内)，去除大刀具加工的剩余量，使得余量均匀。

进一步的，所述步骤3)的具体过程是：

3.1)构建直线

以叶片背面曲面的四个端点P1、P2、P3、P4构建两条直线P1P2、P3P4；

3.2)构建曲面

提取叶片的两条边线L1、L2；以直线P1P2或P3P4为截面线，以曲线L1、L2为引导线，进行扫略，得到扫略曲面，该曲面为直纹面，无反向弯曲；

3.3)编制程序

通过可变轴轮廓铣中的曲面驱动方式进行编程；其中，加工面选择叶片背面，驱动面选择通过扫略构建的面，刀轴设置为相对于驱动体。

进一步的，所述步骤5)的具体过程是：

5.1)将叶轮流道曲面分割为易加工部分和难加工部分；

5.2)易加工部分的编程：用通用的曲面铣削方法进行；

5.3)难加工部分的编程：通过合理构建刀轴曲面，控制刀轴方向随着加工位置的变化而调整，以适合零件结构。

所述步骤5.3)的具体过程是：

5.3.1)提取相近两叶片边曲线，并以此为基础构建曲线L3、L4；

5.3.2)分别以曲线L3、L4的对应端点构建曲线L5、L6；

5.3.3)以曲线L3、L4为引导线，以曲线L5、L6为截面线进行扫略，生产扫略曲面；

5.3.4)在编程软件中，利用可变轴轮廓铣方式进行编程；加工面选择流道底面，驱动面选择扫略曲面，刀轴方向设置为垂直于驱动体；

5.3.5)生成刀轨时，若有缺陷，通过调整L3、L4及曲线L5、L6优化，最终编制的程序刀轨应光顺连续无突变。

所述步骤5.3.3)的具体过程是：曲线L5和曲线L6构建要求:以该两条曲线为基础，将曲线上的点沿该点的法相投影到流道曲面，投影仪点应覆盖流道曲面两边缘；且在两边缘处，投影矢量的反向矢量方向远离相邻叶片的夹角在2～20°。

进一步的，所述叶轮为钛合金或是铝合金，所述叶轮粗加工余量为0.2～0.3mm或0.3～0.4mm。

一种复杂自由曲面叶轮的专用加工刀具，包括从上自下依次相连的刀杆以及刃部；所述刃部侧壁与其轴向之间的夹角θ为2～30°。

进一步的，所述刃部底端面为球面，且其所述球面直径与叶片根部直径大小相匹配。

进一步的，所述刃部的高度应不大于叶片的最大高度。

本发明的有益效果是：

1、本发明中，叶片经整体粗开、叶片正面粗加工、叶片背面粗加工、叶片前缘粗加工；然后再进行精加工。通过固定轴整体粗开以后，由于叶片背面未加工到，余量很大，必须进行余量去除，并且为确保精加工余量均匀，

2、本发明中，叶片背面粗加工的具体过程是：3.1)构建直线，以叶片背面曲面的四个端点P1、P2、P3、P4构建两条直线P1P2、P3P4；3.2)构建曲面，提取叶片的两条边线L1、L2；以直线P1P2或P3P4为截面线，以曲线L1、L2为引导线，进行扫略，得到扫略曲面，该曲面为直纹面，无反向弯曲；3.3)编制程序，通过可变轴轮廓铣中的曲面驱动方式进行编程；其中，加工面选择叶片背面，驱动面选择通过扫略构建的面，刀轴设置为相对于驱动体。这是由于叶轮背面曲面反向弯曲大，且从前缘到后缘变化无规律，采用此方法对叶片背面进行加工，有效解决了通用的曲面编程方法(如侧刃加工、流线加工)很难完成，或者刀轨的刀轴变化、不连续，极易断刀，程序不能用于实际加工的问题。可以确保刀轴连续、无突变；可以设置相对于驱动体的角度来调整最优加工角度(如考虑刀具最大，最短等)；相对于驱动体可以设置刀具的前倾角及侧倾角。当一个程序不能完成整个曲面加工时，可以通过调整前倾角及侧倾角将曲面分段加工，来完成整个曲面加工。

3、本发明按照粗加工控制原则完成粗加工后，精加工时叶轮均匀，只需要考虑零件表面质量、尺寸精度等问题；极大提高生产加工效率。

4、本发明采用CAM编程方法，形成了一套比较完整的复杂自由曲面叶轮的加工编程方法模式，编程效率高、程序质量高、不会出现意外断刀(达到刀具使用寿命的除外)，零件加工轮廓精度、粗糙度、尺寸均能满足要求，且稳定可靠；该方法可以推广应用到其它复杂非叶轮零件的编程中；在生产中，该方法可以有效指导技术人员进行加工程序编制，提高编程效率及编程质量。

5、本发明，复杂自由曲面叶轮的专用加工刀具包括从上自下依次相连的刀杆以及刃部；刃部侧壁与其轴向之间的夹角θ为2～30°；刃部底端面为球面，且其球面直径与叶片根部直径大小相匹配。刃部的高度应不大于叶片的最大高度。专用加工刀具以加工效率为核心，增加刀具强度，在通用刀具无法进行加工或者效率极低，采用专用加工刀具能提高加工效率。

具体实施方式

现结合实施例对本发明做详细的说明。

叶轮类零件从结构上可以分为叶轮体、叶片体两部分组成。叶轮体为回转类结构，其中与叶片相接的面为流道。叶轮体精度要求高(流道除外)，通常有0.01mm以内的跳动要求，可以通过车削、磨削来加工；叶片体为曲面结构，根据设计需要，有直纹面叶片和自由曲面叶片；复杂结构自由曲面叶轮，叶片体结构分为：包覆面、叶片正面、叶片背面、叶片前缘和根部R。

复杂自由曲面叶轮通用的叶轮模块编程方法难以完成，需要针对具体部位结合实现情况分开进行编程。在刀具小、刀具长、材料难加工的苛刻的条件下，程序有两大核心控制原则是：(1)刀轴变化小、连续无突变；(2)切削余量均匀以上两条。任意一点不满足，加工中刀具极易断刀，无法完成加工。

复杂自由曲面叶轮的程序加工顺序是影响加工余量均匀性的重要因素。本发明分析叶轮结构，提出一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法。

实施例1

现按照编程原则及编程流程进行编程方法分析，其中精加工的编程方法与粗加工方法原理一致，不重复说明。为保证精加工的质量及效率，在粗加工阶段应进行有效的余量控制，确保精加工余量均匀。

本实施例，以复杂曲面叶轮采用该方法进行加工编程。

本实施例提供的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法包括：

1)整体开粗

整体开粗不需要考虑加工质量，仅考虑加工效率，尽可能多、尽可能快的去处大部分余量即可。

对于复杂自由曲面叶轮，采用固定轴铣削的方式进行整体开粗是最有效的，可以根据需要分两步进行：

1.1)用大刀具、大切削量(直径大于精加工刀具2mm以上，切削量大于精加工5倍以上)快速加工，去除大余量。

走刀方式可以选择分层的轮廓铣，也可以选择插削方式，在设备的能力范围内，选择效率更高的即可。

1.2)用小刀具(直径大于精加工刀具0.5mm以内)通过参考刀具的方式去除大刀具加工的剩余量，确保精加工余量均匀。该条以余量均匀为主。

2)叶片正面粗加工

叶片正面在开粗后是否再进行粗加工，以两条控制原则为判断标准，示例零件正面无反曲结构，粗开后以能达到要求。对于不能达到要求，需要进行的，按照后面介绍的叶片背面粗加工方法同理进行。

3)叶片背面粗加工

通过固定轴整体粗开以后，由于叶片背面未加工到，余量很大，必须进行余量去除，并且为确保精加工余量均匀，加工方法应尽可能与精加工一致，同时兼顾加工效率。

由于叶轮背面曲面反向弯曲大，且从前缘到后缘变化无规律，通用的曲面编程方法如侧刃加工、流线加工都很难完成，或者刀轨的刀轴变化、不连续，极易断刀，程序不能用于实际加工。针对这种情况，此处给出一种新的编程方法进行编程：

3.1)构建直线

以叶片背面曲面的四个端点P1、P2、P3、P4构建两条直线P1P2、P3P4。

3.2)构建曲面

提取叶片的两条边线L1、L2。以直线P1P2或P3P4为截面线，以曲线L1、L2为引导线，进行扫略，得到扫略曲面，该曲面为直纹面，无反向弯曲。

3.3)编制程序

通过可变轴轮廓铣中的曲面驱动方式进行编程。

其中，加工面选择叶片背面，驱动面选择通过扫略构建的面，刀轴设置为相对于驱动体。

这样的优点是：i、可以确保刀轴连续、无突变；ii、可以设置相对于驱动体的角度来调整最优加工角度(如考虑刀具最大，最短等)；iii、相对于驱动体可以设置刀具的前倾角及侧倾角。当一个程序不能完成整个曲面加工时，可以通过调整前倾角及侧倾角将曲面分段加工，来完成整个曲面加工。但是在加工是需注意：i、当余量较大，不能一次完成加工时，进行分层加工，保证刀具的正常使用；ii、为保证切削效率，侧倾角应在2～20为宜，越小越好；前倾角在0～20为宜；iii、使用单向走刀，不能用往复的方式，为减小空行程时间，移刀可以采用G0速度；iv、尽可能选择大刀具，保证切削效率。

4)叶片前缘粗加工

叶片前缘部分曲面法相急剧变化，并且叶片倾斜角度很大，只能选择小刀具且悬伸长。这种情况下，五轴联动加工极易断刀，不能采用。此处采用固定轴进行，刀轴方向按远离叶片方向侧倾2～10°选择，具体值结合刀具大小进行，原则为：曲面全能加工上、刀具尽量大、刀长尽量小。

5)叶轮流道粗加工

复杂自由曲面叶轮的流道通常难以通过一个程序加工完成，需要按照实际情况进行分割，而后进行分别加工。

5.1)将流道曲面分割为易加工部分和难加工部分；

5.2)易加工部分的编程：用通用的曲面铣削方法进行；

5.3)难加工部分的编程：通过合理构建刀轴曲面，控制刀轴方向随着加工位置的变化而调整，以适合零件结构；

5.3.1)提取相近两叶片边曲线，并以此为基础构建曲线L3、L4；

曲线L3、L4应尽量长度接近；

5.3.2)分别以曲线L3、L4的对应端点构建曲线L5、L6；

曲线L5、L6相对于流道底面及两侧叶片的弯曲程度是影响刀轴的核心因素；

曲线构建要求:以该两条曲线为基础，将曲线上的点沿该点的法相投影到流道曲面，投影仪点应覆盖流道曲面两边缘；且在两边缘处，投影矢量的反向矢量方向远离相邻叶片的夹角在2～20°；

5.3.3)以曲线L3、L4为引导线，以曲线L5、L6为截面线进行扫略，生产扫略曲面；

5.3.4)在编程软件中，利用可变轴轮廓铣方式进行编程；

加工面选择流道底面，驱动面选择扫略曲面，刀轴方向设置为垂直于驱动体，在编程软件中查看刀轴矢量是否连续无突变。

5.3.5)完成其它设置后，生产刀轨，若有缺陷，通过调整L3、L4及曲线L5、L6优化。最终编制的程序刀轨应光顺连续无突变。

6)叶轮的精加工

按照粗加工控制原则完成粗加工后，精加工时叶轮均匀，只需要考虑零件表面质量、尺寸精度等问题。此时编程的核心控制点为质量控制为主、效率为辅。

精加工的编程方法与粗加工基本一致，按照编程流程进行即可，这里不再赘述。

本实施例中，粗精加工的余量控制及加工参数，叶轮为钛合金等钢件，变形量较小，粗加工余量留0.2～0.3mm；叶轮为铝合金等铝件，变形量较大，粗加工余量留0.3～0.4mm。

加工参数受刀具质量、设备、编程参数(切深、切宽等)影响较大，应根据实际情况确定；以能够稳定加工、不断刀为主要依据。

采用上述CAM加工编程方法，加工出的复杂自由曲面叶轮，经测量轮廓精度在±0.05以内(设计要求±0.15)、粗糙度RA1.6，其它尺寸均达到图纸要求。

本实施例中，采用通用刀具也可以进行编程加工。

本实施例提供的CAM加工编程方法可以推广应用到其它复杂非叶轮零件的编程中，当结构特殊时，只需要进行局部调整即可，方法灵活性好。

实施例2

在实施例1的基础上，当采用通用刀具无法进行加工或者效率极低时，可以采用专用加工刀具。

本实施例中，刀具包括从上自下依次相连的刀杆以及刃部；刀具的纵断面为倒锥形，其侧壁与其轴向之间的夹角θ为2～30°。

具体的，锥度θ根据叶片侧倾角度及两叶片间的夹角确定，合适的范围为2～30°

本实施例中，刃部底端面为球面，且其球面直径与叶片根部直径大小相匹配。

具体的，球面直径

根据根部R确定，粗加工刀具/>

适当增大刃部的高度应不大于叶片的最大高度。

本实施例中，刃部高度L1应不大于叶片的最大高度。

具体的，刃部高度L1按照程序最大切深进行，最大应不大于叶片的最大高度。

本实施例中，刀具长度L2按照程序需要，为能避免干涉的最小值。

专用加工刀具还包括夹持杆，夹持杆与刀杆之间通过锥面过渡相连，锥面过渡段的高度L3，其合适值为刀具直径

的2～5倍；锥面与刀杆之间过渡连接时，采用圆弧过渡连接，转接半径R的合适值为刀具直径/>

的10～15倍。夹持杆和刀具的总长L按照程序装夹长度要求进行，并考虑刀具的夹持长度。本实施例中刀具材料根据零件材料进行选择。

本实施例刀具采用锥度加粗结构设计，增加了刀具的强度，因此当通用刀具无法进行加工或者效率极低时，可以采用本实施例的专用加工刀具，提升加工质量与加工效率。

Claims (6)

1.一种复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法包括以下步骤：

1)叶片整体粗开；对于复杂自由曲面叶轮，采用固定轴铣削的方式进行整体开粗，去处大部分余量；

2)叶片正面粗加工；经步骤1)的叶片，对其正面进行粗加工，去除多余余量；

3)叶片背面粗加工；经步骤1)的叶片，对其背面进行粗加工，去除多余余量；所述步骤3)的具体过程是：

3.1)构建直线

以叶片背面曲面的四个端点P1、P2、P3、P4构建两条直线P1P2、P3P4；

3.2)构建曲面

提取叶片的两条边线L1、L2；以直线P1P2或P3P4为截面线，以曲线L1、L2为引导线，进行扫略，得到扫略曲面，该曲面为直纹面，无反向弯曲；

3.3)编制程序

通过可变轴轮廓铣中的曲面驱动方式进行编程；其中，加工面选择叶片背面，驱动面选择通过扫略构建的面，刀轴设置为相对于驱动体；

4)叶片前缘粗加工；采用固定轴，选择小刀具且悬伸长，刀轴方向按叶片方向侧倾2～10°；

5)叶轮流道粗加工；按照分割法在叶轮上加工出流道曲面；

6)叶轮精加工，将粗加工后的叶片和流道进行精加工，得到成品。

2.根据权利要求1所述的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述步骤1)的具体过程是：

1.1)用大刀具、大切削量快速加工，去除大余量，走刀方式为分层的轮廓铣或插削方式；

1.2)用小刀具，去除大刀具加工的剩余量，使得余量均匀。

3.根据权利要求1所述的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程是：

5.1)将叶轮流道曲面分割为易加工部分和难加工部分；

5.2)易加工部分的编程：用通用的曲面铣削方法进行；

5.3)难加工部分的编程：通过合理构建刀轴曲面，控制刀轴方向随着加工位置的变化而调整，以适合零件结构。

4.根据权利要求3所述的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述步骤5.3)的具体过程是：

5.3.1)提取相近两叶片边曲线，并以此为基础构建曲线L3、L4；

5.3.2)分别以曲线L3、L4的对应端点构建曲线L5、L6；

5.3.3)以曲线L3、L4为引导线，以曲线L5、L6为截面线进行扫略，生产扫略曲面；

5.3.4)在编程软件中，利用可变轴轮廓铣方式进行编程；加工面选择流道底面，驱动面选择扫略曲面，刀轴方向设置为垂直于驱动体；

5.3.5)生成刀轨时，若有缺陷，通过调整L3、L4及曲线L5、L6优化，最终编制的程序刀轨应光顺连续无突变。

5.根据权利要求4所述的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述步骤5.3.3)的具体过程是：以曲线L5和曲线L6两条曲线为基础，将曲线上的点沿该点的法相投影到流道曲面，投影仪点应覆盖流道曲面两边缘；且在两边缘处，投影矢量的反向矢量方向远离相邻叶片的夹角在2～20°。

6.根据权利要求1-5任一项所述的复杂自由曲面叶轮的CAM加工编程方法，其特征在于：所述叶轮为钛合金或是铝合金，所述叶轮粗加工余量为0.2～0.3mm或0.3～0.4mm。