CN114850549B - 一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，包括S1通过建模软件建立叶片三维模型；S2将叶片的加工曲面分为多个连续的加工区段；S3计算当前加工区段的初始坐标点和末尾坐标点之间对应的圆弧弦长和对应圆心角度；S4根据当前加工区段的圆弧弦长值和对应圆心角度值计算当前加工区段的平滑度；S5根据平滑度的数值确定当前铣刀的走刀速度；S6根据铣刀确定的走刀速度加工叶片当前加工区段的曲面；铣刀移动至下一加工区段，铣刀的加工对象由下一加工区段变成为当前加工区段；S7重复步骤S3～S6，直至铣刀将所有的加工区段加工后，完成叶片的加工；根据叶片不同加工区段中平滑度的不同，控制铣刀的走刀速度，有效的提高加工效率。

Description

一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法
技术领域
本发明涉及数控叶片加工技术领域，特别是涉及一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法。
背景技术
叶片是用于航空、航天发动机的重要部件，往往具有较为复杂的结构。叶片的铣削工艺比较成熟，大多采用四轴联动加工中心完成。而绝大多数四联动加工中心有共同的弱点，A轴旋转速度低，精加工叶身时，采用机床A轴连续旋转的四轴联动加工，加工效率较低。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，解决现有的四联动加工中心加工叶片效率低下的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，其包括以下步骤：
S1：通过建模软件建立叶片三维模型；
S2：将叶片的加工曲面分为多个连续的加工区段；
S3：计算当前加工区段的初始坐标点和末尾坐标点之间对应的圆弧弦长和对应圆心角度；
S4：根据当前加工区段的圆弧弦长值和对应圆心角度值计算当前加工区段的平滑度；
S5：根据平滑度的数值确定当前铣刀的走刀速度；
S6：根据铣刀确定的走刀速度加工叶片当前加工区段的曲面；当前加工区段加工完成后，铣刀移动至下一加工区段，铣刀的加工对象由下一加工区段变成为当前加工区段；
S7：重复步骤S3～S6，直至铣刀将所有的加工区段加工后，完成叶片的加工。
进一步地，设当前加工区段的初始坐标点为a(x0,y0,z0)，末尾坐标点b为(x1,y1,z1)，则当前加工区段的圆弧弦长值为：
式中，DTL为圆弧弦长值。
进一步地，当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值为：
θ＝arc cosθ
式中，θ为当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值。
进一步地，当前加工区段的平滑度为：
式中，Rate为平滑度。
进一步地，当Rate＜1.5时，则判定铣刀的位置在叶片的叶背或叶盆处，铣刀的走刀速度保持初始速度；
当Rate＞1.5时，当前加工区段的转角大，则判定铣刀的位置在叶片的前后缘处，提高铣刀的走刀速度；
当1.5＜Rate＜2.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的1.5倍；
当2.5＜Rate＜3.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.0倍；
当3.0＜Rate＜3.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.5倍；
当3.5＜Rate＜4.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的3.0倍。
进一步地，铣刀的初始走刀速度为2000mm/min。铣刀为Φ8R2涂层硬质合金圆柱铣刀。
本发明的有益效果：本发明中的基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，通过将叶片分为多个加工区域，并计算出每个加工区段的圆弧弦长值、圆心角度值和加工区段的平滑度，将平滑度作为变量，判断铣刀加工的位置，并在叶片前后缘处提高铣刀的走刀速度，在保证叶片加工面表面质量的前提下，有效的提高加工效率，解决现有的四联动加工中心加工叶片效率低下的问题。
附图说明
图1为基于四轴联动加工中心加工叶片的方法的流程图。
图2为叶片的结构示意图。
图3为铣刀铣削叶片的走刀路径结构示意图。
图4为本发明中基于四轴联动加工中心加工叶片的方法中，铣刀在叶片不同位置的走刀速度结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～4所示，本发明提供了一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，其包括以下步骤：
S1：通过建模软件建立叶片三维模型；建模软件可以为UG；
S2：将叶片的加工曲面分为多个连续的加工区段；
S3：计算当前加工区段的初始坐标点和末尾坐标点之间对应的圆弧弦长和对应圆心角度；具体地，设当前加工区段的初始坐标点为a(x0,y0,z0)，末尾坐标点b为(x1,y1,z1)，则当前加工区段的圆弧弦长值为：
式中，DTL为圆弧弦长值。
当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值为：
θ＝arccosθ
式中，θ为当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值。
S4：根据当前加工区段的圆弧弦长值和对应圆心角度值计算当前加工区段的平滑度；当前加工区段的平滑度为：
式中，Rate为平滑度。
S5：如图4所示，根据平滑度的数值确定当前铣刀的走刀速度；当Rate＜1.5时，则判定铣刀的位置在叶片的叶背或叶盆处，铣刀的走刀速度保持初始速度；图4中F表示为走到速度，单位为mm/min；
当Rate＞1.5时，当前加工区段的转角大，则判定铣刀的位置在叶片的前后缘处，提高铣刀的走刀速度；
当1.5＜Rate＜2.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的1.5倍；
当2.5＜Rate＜3.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.0倍；
当3.0＜Rate＜3.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.5倍；
当3.5＜Rate＜4.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的3.0倍。
铣刀的初始走刀速度为2000mm/min，铣刀为Φ8R2涂层硬质合金圆柱铣刀。
S6：根据铣刀确定的走刀速度加工叶片当前加工区段的曲面；当前加工区段加工完成后，铣刀移动至下一加工区段，铣刀的加工对象由下一加工区段变成为当前加工区段；
S7：重复步骤S3～S6，直至铣刀将所有的加工区段加工后，完成叶片的加工。
本发明的基本原理为：在四轴联动加工中心加工叶片时，在连续走刀的模式下，走刀速度是多轴的合成速度，对于4轴联动机床，则有
V＝Vx+Vy+Vz+VA，其中，V表示走刀速度(矢量)，单位mm/min；Vx表示x轴方向的走刀速度(矢量)，单位mm/min；Vy表示Y轴方向的走刀速度(矢量)，单位mm/min；Vz表示Z轴方向的走刀速度(矢量)，单位mm/min；VA表示A轴方向的走刀速度(矢量)，单位mm/min；如图2所示，由矢量合成法则可知，叶片的叶盆和叶背相对比较平缓，A轴旋转角度较小，VA较小，这时的走刀速度V主要由XYZ轴移到速度组成，选择合适的速度，可以高效完成叶背和叶盆的加工；对于叶片前后缘圆角而言，在一个较小的半圆弧上，A轴将旋转近180°，即加工前后缘的圆角时，VA较大，Vx、Vy、Vz就很小，这时移到距离就较慢，加工效率就较低；进一步分析叶片前后缘的圆角走刀路径，如图3所示，铣削叶片前后缘时，铣刀从叶背铣削到叶盆，铣刀从点C位置开始，A轴转动，铣刀跟随叶片转动，直到叶片转动近180°到点D位置。在这个过程中，叶片的有效铣削距离为前后缘圆弧，铣刀的移到路径等效从C位置绕近似叶片截面长度一半为半径的半圆移到到D位置。不难看出，铣削前后缘将会耗费较长的时间。提高效率的方法是提高前后缘铣削时的走刀速度，如果单一提高进给速度来提高效率，叶盆和叶背的表面质量又粗糙，达不到技术要求，提高效率唯有通过提高前后缘旋转速度实现。
如果使用手工方式修改程序提高走刀速度，工作量很大，而且容易出错；而熟悉UG软件编程人员知道，从编程参数设置方面着手，也不能解决这一问题的。而本发明明通过将叶片分为多个加工区域，并计算出每个加工区段的圆弧弦长值、圆心角度值和加工区段的平滑度，将平滑度作为变量，判断铣刀加工的位置，并在叶片前后缘处提高铣刀的走刀速度，在保证叶片加工面表面质量的前提下，有效的提高加工效率，解决现有的四联动加工中心加工叶片效率低下的问题。

Claims (3)

1.一种基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过建模软件建立叶片三维模型；
S2：将叶片的加工曲面分为多个连续的加工区段；
S3：计算当前加工区段的初始坐标点和末尾坐标点之间对应的圆弧弦长和对应圆心角度；
设当前加工区段的初始坐标点为a(x0,y0,z0)，末尾坐标点b为(x1,y1,z1)，则当前加工区段的圆弧弦长值为：
式中，DTL为圆弧弦长值；
S4：根据当前加工区段的圆弧弦长值和对应圆心角度值计算当前加工区段的平滑度；
当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值为：
θ＝arccosθ
式中，θ为当前加工区段初始坐标点和末尾坐标点之间对应圆心角度值；
当前加工区段的平滑度为：
式中，Rate为平滑度；
S5：根据平滑度的数值确定当前铣刀的走刀速度；当Rate＜1.5时，则判定铣刀的位置在叶片的叶背或叶盆处，铣刀的走刀速度保持初始速度；
当Rate＞1.5时，当前加工区段的转角大，则判定铣刀的位置在叶片的前后缘处，提高铣刀的走刀速度；
当1.5＜Rate＜2.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的1.5倍；
当2.5＜Rate＜3.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.0倍；
当3.0＜Rate＜3.5时，铣刀的走刀速度为初始速度的2.5倍；
当3.5＜Rate＜4.0时，铣刀的走刀速度为初始速度的3.0倍；
S6：根据铣刀确定的走刀速度加工叶片当前加工区段的曲面；当前加工区段加工完成后，铣刀移动至下一加工区段，铣刀的加工对象由下一加工区段变成为当前加工区段；
S7：重复步骤S3～S6，直至铣刀将所有的加工区段加工后，完成叶片的加工。
2.一种根据权利要求1所述的基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，其特征在于，铣刀的初始走刀速度为2000mm/min。
3.一种根据权利要求2所述的基于四轴联动加工中心加工叶片的方法，其特征在于，铣刀为Φ8R2涂层硬质合金圆柱铣刀。
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