CN1230772C - 金属部件外形控制加工方法 - Google Patents

Abstract

在采用带有刀具的设备对工件进行加工的过程中确定加工指令的一种方法，工件表面由多个对所要求的表面曲线进行三角分析而得到的程序指令决定。

Description

金属部件外形控制加工方法

技术领域

本申请要求1999年1月5日提交的序列号60/114916临时专利申请的优惠。

背景技术

本发明涉及对具有复杂曲形的工艺元件的加工。特别是对象透平机叶片根部那样的在一单个工艺元件上具有多个复杂曲面的元件的加工。

在对透平机叶片根部进行机加工时，可以采用几个步骤，每个步骤需要一个单独设备进行单独加工操作。这些步骤可以包括原材料的切削粗成型，将原料铣成需要的尺寸，去毛刺，磨光，再一次机加工成要求的尺寸：对透平机叶片的根部进行粗铣，根部弧线的粗精铣，最后的锥度加工和对边沿进行手工打磨使透平机叶片的基部最终成型。成型后的透平机根部要满足对尺寸、厚度、形状和曲率的公差要求。

目前，许多采用连续加工操作制作透平机叶片根部的方法，都需要单独进行公差测量、加工操作以及用多个加工设备。本发明已经着眼于尽量削减加工透平机叶片根部的现有技术中大量的单独的步骤，基本目的在于借助具有旋转工作台的垂直或水平加工中心，改进透平机叶片根部的加工方法。

发明内容

在对一金属物如透平机叶片、有多面轮廓的机器齿轮的加工中，按照设计要求要得到在同一平面上相交且同时存在的复合表面，例如凹凸表面。具有连续平面和同时存在凹凸表面的金属物的制造工艺中，有代表性的是，借助铣床铣削金属部件得到高精度的平滑曲面。

本发明包括一种金属部件的外形控制加工方法，借助标准计算机数字化控制过程，控制常规铣床在具有旋转工作台的垂直加工中心或只具有整体旋转工作台的水平加工中心上加工凹凸曲面。该方法包括，使用带有一个旋转成型刀具和一个旋转工作台的机器，工件表面由用于所述计算机数字控制铣床的多个程序指令决定，该程序指令通过对所要求的表面曲线以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动进行三角函数分析而得到，所述旋转成型刀具的所述运动沿凸形路径，同时，所述旋转工作台的所述运动从一个正旋转角向一个负旋转角转动，也可以从一个负旋转角向一个正旋转角转动。

本发明的工艺通过允许将所有金属切削和加工步骤在垂直或水平加工中心上完成，减少了使用常规铣床按照常规单独加工所需设备的数量。所有的切削、磨削和加工在一个铣床上进行，而不是按照常规工艺使用多个切削、磨削设备和铣床。

附图说明

图1是安装在具有成型刀具的旋转夹具上的透平机叶片透视图；

图2是安装在具有成型刀具的旋转夹具上的透平机叶片到达-Q°角度开始切削操作的透视图；

图3是安装在具有成型刀具的旋转夹具上的透平机叶片到达0°角度进行切削操作的透视图；

图4是安装在具有成型刀具的旋转夹具上的透平机叶片到达+Q°角度结束切削操作的透视图；

图5是图2、3、4的详图；

图2、3、4和5相应表述了为使透平机叶片部件安装在透平机转轴上而要求透平机叶片基部而产生弧形曲面的控制过程；

图2、3、4和5详细说明了对一个铣床下程序指令，使铣床铣出凹凸表面最终形成可以与透平机转轴精确配合安装的透平机叶片根部的过程。

具体实施方式

本发明由一个用于铣床计算机辅助程序构成，如用于在金属部件上精确加工凹凸表面，形成称为根部(1)的透平机叶片的基部的设备。透平机叶片根部(1)设计成与透平机回转轮具有精确的公差配合。使用中，转子的旋转产生强大的离心力。透平机叶片的分体结构要求透平机叶片与转子的配合相当精确，并且，单片的透平机叶片部件要尽量避免相对透平机转子产生偏移，造成在运行过程中发生振动。

透平机叶片根部设计成与回转转子具有精确的公差配合。由于透平机叶片根部的配合表面和圆形转子的配合部分是曲面，透平机叶片的根部加工需要成型刀具(9)作凸线运动，且夹持着透平机叫片根部的旋转工作台(7)进行旋转。成型刀具(9)从A点向L点沿凸形路径(E+R)作凸线运动(见附图5中的中心线)，成型刀具作旋转运动，旋转工作台同时从-Q°角向+Q°角转动，(参见附图5)这一操作也可以从L点开始到A点结束。

图2、3、4和5描述的是上述的运动过程。成型刀具从A点(见图5)开始与根部的空位区域(见图2)接触，并通过有效设置使得其沿凸线向左经过L点(见图5)且保持与根部接触。另一方面，由于旋转工作台从-Q°向+Q°转动，成型刀具将沿凸形路径(E+R)与根部接触向左经过图5中的中点C。

在C点旋转工作台开始向正旋转角+Q°(in the opposite rotaryangle of +Q°)转动，成型刀具从C点到L点沿凸线与根部接触。

由于需要对形成固定弧(holding hooks)的三个同样的切削表面进行切削，旋转成型刀具的位置要紧贴根部。图5描述成型刀具的运动。如图5所示，半径R、R+D1和R+D2是切削部分上的三个半径值，参见图1、2、3和4。

图5具体描述如下：

E+R表示从部件的L点经C点到A点的得到的凸线半径值(用中心线表示)；

L点在+Q°角方向确定最短距离P和距离M；

C点在0°角处确定最短距离E；

A点在-Q°角方向确定最短距离F和距离Y；

V表示从L点(刀具中心)旋转到部件的边沿的距离；

M表示从L点到旋转中心的距离；

S为从锥侧角边到重心的距离(尺寸根据图5确定)；

K为从重心到直边的距离(尺寸根据图5确定)；

G为较小的叶片螺距(尺寸根据图5确定)；

Y为从旋转中心到A点的距离；

W为从A点旋转到部件边沿的距离；

D1为从第一弧到中弧的距离(尺寸根据图5确定)；

D2为从第一弧到第三弧的距离(尺寸根据图5确定)；

R为第一弧形(尺寸根据图5确定)固定弧的半径；

E为从旋转工作台中心到第一弧形固定弧(first hook holdinghood)的距离；

-Q°为向右的旋转角(需要进行选择，使W大于刀具半径)；

+Q°为向左的旋转角(需要进行选择，使V大于刀具半径)；

P为从旋转工作台中心到L点的距离；

F为从旋转工作台中心到A点的距离；

J为从加工后的叶片边沿到旋转工作台中心的距离(实际测量距离)；

N为从叶片边沿到第一弧在中心线测得的距离(尺寸根据图5确定)；

本发明的工艺过程采用经济有效的计算机程序对透平机叶片根部进行加工。

经济有效的程序可以在标准控制的采用垂直或水平加工中心上作为操作***使用。程序基于图2、3、4和5中表示的三角结构关系。作为一个实施例，程序由操作员手工录入，A点和L点的坐标、角度(+Q°和-Q°)以及半径(E+R)通过下面的CAD模拟程序得到：

G00G90X0.Y-1.792122.A85.2

G00Z-1.7011M8；

G02X0.Y1.7921Z-1.7011R21.417A94.8F.003

生成CAD模拟程序的具体方法如下：

使用变量生成的CAD模拟程序的整体***说明如下：

半径R、R+D1以及R+D2是在工件上加工的半径，在图5中描述。

三个延伸半径(R、R+D1以及R+D2)以及第一梯形(实线)在0度角画出；D1是从第一弧10到中间弧11的距离。D2是从第一弧到第三弧12的距离。这种操作可以应用到具有任意个弧的透平机叶片上。

三个半径以及第二梯形(点划线)是第一图形沿半径向-Q°角方向旋转复制得到的。

三个半径以及第三梯形(虚线)是第一图形沿半径向+Q°角方向旋转复制得到的。

上面的旋转都是以旋转工作台的中心作为旋转中心的。

C点由最短距离E确定

A点由最短距离F确定

L点由最短距离P确定

通过L、C和A三点作图可以确定数值为E+R的新的半径

新构成的半径大小是半径E与半径R之和

半径E是从旋转中心(旋转工作台中心)到半径为R的弧的距离。数值为E+R的半径是三角作图得到的。

半径R为凹线，半径E+R为凸线。尺寸E可以在安装后选择或确定，但通过作图得到。尺寸V和W由角度+Q°和-Q°确定。这些尺寸必须大于刀具的半径，使得刀具开始工作时可以去除工件部分。

图2、3、4和5描述了一个由使用中的控制程序确定的在弧线上加工曲线的加工切削过程。

成型刀具在A点以-Q°角进入透平机叶片。根部(1)定位在-Q°角上。如图2所示，成型刀具以半径E+R(沿凸线)运行到L点(刀具同时做旋转运动)。如图3、4、5所示旋转工作台同时向左旋转至+Q°角位置。这一操作也可以从L点开始到A点结束。

使用本发明方法的切削加工，刀具中心线与在切削点上的弧的理论切线始终保持90°。通过用手动设备沿弧加工曲线的两个常规方法实现。一种方法是将心轴放在支点上。刀具到支点的距离控制在弧上的加工半径。使用这种方法，透平机叶片是固定部分。另一种方法是，透平机叶片安装在旋转工作台上，旋转台工作上的半径定位控制弧的半径。加工和在弧上加工曲线的CAD程序是关键，它使得透平机叶片的加工在一个设备上完成成为可能。

上述的完全使用CAD程序方法，加工旋转透平机叶片的根部是在具有用于小型透平机叶片加工的旋转工作台的三坐标计算机数字控制垂直加工中心完成的，或在具有用于大型透平机叶片加工的整体旋转作为对比，下面列出的是对透平机叶片根部加工的现有技术工艺：

1、切削材料

2、厚度加工(铣)

3、手工去毛刺

4、打磨厚度

5、宽度加工(铣)

6、手工去毛刺

7、打磨宽度

8、粗铣弧形以及刀根间隙

9、锥边粗加工(铣)

10、弧形曲线加工(粗精铣)

11、在凹台上精加工锥边(铣)

12、燕尾槽上手工打磨边角

13、边加工(铣)

14、需要时，蒸汽平衡加工

十四个步骤分别进行，且每一步都需要将工件从一个设备移到另一个设备上。

本发明中，所有步骤可以在一个具有旋转台的垂直加工中心(用于小叶片加工)或具有主旋转台的水平加工中心(该设备的旋转台较大，且刚性更好，较适合对大叶片进行加工)按照下面的工艺完成：

1、切削材料

2、打磨厚度(仅在一侧)进行清理

3、一次装夹完成根部加工(粗或精)

A、锥边加工(粗或精)

B、直边精加工

C、粗加工弧面以及加工刀根间隙用于退刀或备用

D、采用特定程序在弧上(粗精)加工曲线

E、精加工侧边

F、在燕尾槽上加工边沿(在原有工艺中手工操作)

G、如果需要，在该设备上可以进行蒸汽平衡孔加工

对两种方法进行比较，可见本发明的方法可以节约人力，产品制造精度更高，生产中质量易于控制。本发明的工艺中，由于步骤D可以一步完成，使得多步操作可以通过一次装夹集中完成。

在现有技术中，步骤D的操作必须分多步完成。按照这种方法，工件安装在夹具上的适当半径位置。半径位置决定弧上的加工半径。

在本方法中，如图1、2、3和4所示叶片安装在夹具的转轴外侧。在一个半径的位置上，任意半径都可以加工。为了用程序操作D步骤，使用CAD模拟(图5)获得A和L点的坐标，旋转角度+Q°和-Q°和凸弧半径E+R值。

为了进行CAD模拟，使用第一弧的半径R。所有三个半径R、R+D1、R+D2同心绘制(根据绘图得到)。成型刀具用于加工半径必须保证切削边间的距离与弧间的距离相同。这就意味着，如果刀具与在半径为R的切削点上与理论切线保持90°，在半径为R+D1和R+D2的切削点上与理论切线也保持90°。

由于这一三角关系，使用了半径R、R+D1、R+D2。用于作图的尺寸E改变，需要测量旋转中心到这些半径的扇形的距离。

只要所有的半径都同心绘制，弧线的数量在本方法中不受限制。

CAD的实施例仅是举例。然而，无论用什么方法确定坐标点、角度以及E+R的半径之和，工具行进的路径总是相同的。参见图5及权利要求。

即使用极短的直线代替半径E+R的弧作为工具的行进路径，端点的坐标仍然要落在半径E+R的弧上。采用极短的直线代替半径E+R的弧是实现上述工艺的另一方法，可以作为上述方法的替换。

按照上面的操作，可以实现整个透平机根部在一台或多台加工设备上加工。

A、锥边加工

B、直边加工

C、粗加工弧面以及加工刀根间隙用于退刀或备用

D、采用上述过程在弧上加工曲线

E、精加工侧边

F、在燕尾槽上加工边沿(在原有工艺中手工操作)

G、如果需要，在该设备上可以进行蒸汽平衡孔加工

A至G的操作顺序可以根据需要改变或者增减步骤。

透平机叶片根部的整个加工工艺采用一台或几台设备(使用其它设备)是本发明的观点。

Claims (5)

1.在对工件进行加工以在金属部件上精确加工凹凸表面的过程中，为含有至少一个三坐标计算机数字控制铣床的铣加工机械确定加工指令的一种方法，该方法包括，使用带有一个旋转成型刀具和一个旋转工作台的机器，工件表面由用于所述计算机数字控制铣床的多个程序指令决定，该程序指令通过对所要求的表面曲线以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动进行三角函数分析而得到，所述旋转成型刀具的所述运动沿凸形路径，同时，所述旋转工作台的所述运动从一个正旋转角向一个负旋转角转动，也可以从一个负旋转角向一个正旋转角转动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述程序指令通过对最终的透平机叶片根部的所需要的凹凸表面的图表以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动进行三角函数分析而确定，所述根部具有至少一个第一弧作为一个第一固定弧。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的对所要求的表面曲线进行的三角函数分析包括，相对于将所述旋转成型刀具应用到所述透平机叶片的根部的所要求曲面上，对所要求的表面曲线作图的图表以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动的分析，所述作图基本为三角函数分析，所述根部包括至少一个固定弧。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的对所要求的表面曲线以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动进行三角函数分析确定所述旋转成型刀具的路径为半径为E加R的凸弧，其中E为旋转工作台中心到第一弧形固定弧的距离，R为第一弧形固定弧的半径。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的对所要求的表面曲线以及所述旋转成型刀具和所述旋转工作台的运动进行三角函数分析确定所述旋转成型刀具的路径为半径为E加R的凸弧，其中半径E加R由L、C和A三点确定，L点是旋转工作台旋转至+Q°角时成型刀具切出透平机叶片时的终止点，L点在向左旋转的+Q°角方向确定最短距离P和距离M，C点是旋转工作台旋转至0°角时成型刀具切削工件时的切削点，C点在0°角处确定最短距离E，A点是旋转工作台旋转至-Q°角时成型刀具切入工件时的起始点，A点在向右旋转的-Q°角方向确定最短距离F和距离Y，E为旋转工作台中心到第一弧形固定弧的距离，R为第一弧形固定弧的半径。

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