CN103645674A - 一种整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成方法，包括步骤：根据大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的几何形状和工艺参数，分别生成叶片的粗铣和精铣刀位轨迹源文件；对生成的粗铣刀路文件进行提取靠近叶片的K道刀路，并重新排列，以使粗铣刀路绕叶片加工；对生成的精铣刀路文件分别提取刀路的精铣部分和半精铣部分，形成半精-精铣刀路文件；对新粗铣刀路文件和生成的半精-精铣刀路文件进行变进给操作；对获得的粗、半精-精铣刀路进行分层；以及将分层后的粗、半精-精铣刀路文件经路径延伸、刀具移动和圆弧插补，并通过不同转速控制后，生成一个完整的粗-半精-精铣混合路径刀路文件。本发明的方法能够大幅提高叶片的加工刚度，尤其是叶片顶端，消除加工颤振，提高叶片加工质量。

Description

一种整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成方法

技术领域

本发明涉及多轴联动数控机械加工领域，更具体地，涉及一种对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法。

背景技术

当前，航空航天、造船、汽车、能源与冶金等工业蓬勃发展，作为其关键部件的整体叶轮，正得到广泛应用。随着工业生产对机械部件精度的要求不断提高，大悬伸、窄流道整体叶轮的需求也日益增多，其质量直接影响空气动力学性能和机械效率，而这类叶轮的叶片加工刚度相对较弱，历来是加工的难点，尤其是叶片的精加工部分。目前，国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有较大差距，因此研究高性能叶轮加工技术势在必行。

传统上对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的加工，大多是先进行整体粗加工，再考虑精加工部分的工艺技术研究，或分层精加工，或加填充材料，提高叶片加工过程中的刚性，以获得良好加工表面。然而，这样的加工方法并不能达到理想的效果，分层精加工没有从根本上解决叶片刚性差的问题，自然加工效果不尽如人意，而加持填充材料的办法，虽在叶片刚度上得到提高，加工效果也较理想，但填充材料的过程较繁琐，大大降低了整体叶轮的加工效率，进而加大了加工成本，综合效果不太令人满意。所以亟需寻求一种高效、高性能的叶片精加工方法。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，以提高整体叶轮叶片的加工刚度，减小颤振，并获得良好加工表面。

为实现上述目的，本发明提出了一种对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，该方法包括下列步骤：

（1）根据整体叶轮叶片的几何形状和工艺参数，分别生成叶片粗铣和精铣的刀位轨迹源文件，所述精铣包含半精铣部分；

（2）对生成的叶片粗铣刀位轨迹源文件，根据设置的切削余量τ提取靠近叶片的最后k道刀路，其中提取道数k自定，形成新粗铣刀位轨迹源文件；

（3）对步骤（2）形成的新粗铣刀位轨迹源文件进行刀路重新排列，使CAM软件规划的粗铣刀位点能环绕叶片进行加工；

（4）对步骤（1）生成的包含半精铣部分的精铣刀位轨迹源文件，将刀路的精铣部分和半精铣部分分别提取出来，并按照加工先后顺序对刀路信息进行排序，形成半精-精铣刀路文件；

（5）对步骤（3）重新排列后的粗铣刀路进行变进给操作，使进给率随叶片铣削刚度的变强而逐层按比例递增，同时对最后p层加工进行减速操作，其中减速层数p自定；

（6）同样，对步骤（4）生成的半精-精铣刀路文件进行变进给操作，方法与步骤（5）相同；

（7）对步骤（6）变进给后的半精-精铣刀路文件进行刀路分层，层数根据整体叶轮叶片的悬伸长度、刚度和原精铣刀路pass数合理设定，该分层操作是均匀分层过程，即可获取分层后各层的最后一道刀路的刀位信息；

（8）对步骤（5）变进给后的新粗铣刀位轨迹源文件，根据步骤（7）的半精-精铣刀路分层数和半精-精铣各层最后一道刀路的刀位信息，进行分层，层数与半精-精铣层数相同，同时各层的最后一道粗铣刀路刀位点位置信息中z值的平均值低于最后一道半精-精铣刀路刀位点位置信息中z值的平均值某一差值δ，δ自定，以保证互不干涉为前提；

（9）将步骤（7）和步骤（8）分层所得的半精-精铣刀路文件和粗铣刀路文件进行路径合成，按照各层由粗到精或半精的加工顺序将两个刀路文件融合成一个加工文件，合成过程中，同时实现加工过程的粗、精或半精铣转换中刀具的路径延伸及抬刀距离设定和圆弧插补操作，以保证刀具不与叶片或夹具发生干涉，以及分别设定粗铣和半精-精铣的转速，以实现粗、半精-精铣的不同转速转换。

其中，所述粗铣刀路分层操作具体包括下列步骤：

（i）根据上述步骤（7）中对半精-精铣刀路的分层数，依次计算各层最后一道精铣或半精铣刀路刀位点信息中的z值平均值；

（ii）对上述步骤（5）变进给后的新粗铣刀位轨迹源文件中最靠近叶片的粗铣刀路，依次计算各道刀路的刀位点z值平均值；

（iii）根据自定的δ值，结合上述步骤（i）和步骤（ii）的z值平均值计算值，得到各层最后一道粗铣刀路，实现对步骤（4）形成的新粗铣刀位轨迹源文件进行分层；

其中，所述粗-半精-精铣混合路径生成操作具体包括下列步骤：

（a）按照各层由粗到精或半精的加工顺序将粗、半精-精铣两个刀路文件融合成一个加工文件；

（b）对步骤（a）生成的加工文件中，层内及层间的粗铣与半精-精铣刀路转换过程进行刀具移动插补，采用刀路延伸、抬刀及圆弧插补方法，以避免刀具与叶片或夹具发生碰撞；

（c）分别设定粗铣和半精-精铣的转速，实现加工过程中不同转速的变换；

（d）生成并输出处理后的完整粗-半精-精铣混合路径加工文件，经后置处理后，用于大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的加工。

通过本发明的对五轴联动机床的加工路径进行粗-半精-精铣混合生成的方法，在整体叶轮叶片加工时，能在采用较多分层的情况下保证铣削大悬伸叶片时足够强的加工刚度，由此减小甚至消除叶片的加工颤振，因而能获得良好叶片加工表面，保证加工质量合乎要求。

附图说明

图1为本发明大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合加工示意图；

图2为按照本发明的大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。。

五轴机床NC加工程序由CAM软件规划刀路，再经后置处理得到。在CAM软件规划刀路时，一般粗、精铣刀路是分开生成的。在整体叶轮叶片的传统加工过程中，也是先对叶片完成整体粗铣，再进行叶片的精铣操作。这样，在加工大悬伸、弱刚性的整体叶轮叶片时，当完成整体粗铣后，由于精铣余量较小，此时叶片就变得相当薄，刚性很差，叶片顶端易产生颤振，导致加工表面存在振纹，加工表面质量变差，易产生废品。为了改善这一加工缺陷，针对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片，可以采用粗-半精-精混合加工的方法，本发明提供一种粗-半精-精铣混合路径生成方法，同时对整体叶轮叶片的刚度变化进行变进给加工。

整体叶轮叶片粗-半精-精铣混合路径的生成，涉及粗、半精、精铣刀路文件的提取、解析、分层和插补。以某一大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的铣削为例，来说明实现这一混合路径生成的方法。

CAM刀路规划软件生成的刀位文件刀位行格式一般为：GOTO/x,y,z,i,j,k。其中，x，y，z为加工坐标系下的刀位点位置坐标[x y z]^T，i，j，k为其对应的刀轴矢量[i j k]^T。粗铣刀路的提取，以刀位轨迹源文件为基础，根据粗铣道数进行提取满足条件的刀位行。

本实施例所采用的精铣方法，生成的精铣刀路文件中已包含了半精铣刀路，在进行刀路分层前，需区分半精、精铣刀路，重新排列形成半精-精铣刀路文件。

粗、半精-精铣刀路的分层操作，其目的是在叶片铣削过程中，进行由粗到半精-精的逐层铣削，以保证足够的刚度。首先对半精-精铣刀路进行分层，根据设定的精铣层数，对半精-精铣刀路均匀分层，各层最后一道精或半精铣刀路易获得，进而可获得该道刀路所有刀位行的z值，计算其平均值

接着，逐一计算粗铣各道刀路的所有刀位行z值平均值，按照设定的差值δ，获取各层的最后一道粗铣刀路，实现粗铣刀路的分层。

粗-半精-精铣混合刀路的层内及层间插补是完成刀具路径混合生成的重要步骤。经提取和重新排列后的粗铣刀路需要首尾连接，形成环绕叶片加工的完整刀路段，而粗、半精-精铣的转换同样需要刀具插补完成过渡。为避免刀具与叶片或夹具发生干涉，本实施例采用圆弧插补。圆弧插补时，假设圆弧的起点坐标为(x₀，y₀，z₀)终点坐标为(x₁，y₁，z₁)，圆心坐标为(x_e，y_e，z_e)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为(x_m，y_m，z_m)，它与圆心的距离为R_m，则有 $R_m^2={(x_m-x_e)}^2+{(y_m-y_e)}^2+{(z_m-z_e)}^2$

定义圆弧偏差判别式为：

$F_m=R_m^2-R^2={(x_m-x_e)}^2+{(y_m-y_e)}^2+{(z_m-z_e)}^2-R^2$

对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，若F_m≥0，则沿-X方向进给一步，若F_m＜0，则沿+Y方向进给一步。插补计算过程中，每进给一步，都需经过四个步骤的逻辑运算和算术运算，即偏差判别、坐标计算和进给、偏差计算和终点判别。

在本例圆弧插补中，两道粗铣刀路连接和粗、半精-精铣刀路的转换均给出了插补起点和终点，经插补计算即可完成插补过程，从而实现生成混合刀路的整个操作。

相应地，按照本发明的生成粗-半精-精铣混合刀路的方法主要包括六个步骤：

（1）根据整体叶轮叶片的几何形状和工艺参数，分别生成粗、半精铣、精铣刀位轨迹源文件；

（2）对步骤（1）生成的粗铣刀路文件进行提取靠近叶片的k道刀路（提取道数k自定），并重新排列，以使粗铣刀路绕叶片加工；

（3）对步骤（1）生成的精铣（包含半精铣）刀位轨迹源文件，分别提取刀路的精铣部分和半精铣部分，并按照加工先后顺序对刀路信息进行排序，形成半精-精铣刀路文件；

（4）对步骤（2）得到的新粗铣刀路文件和步骤（3）生成的半精-精铣刀路文件进行变进给操作；

（5）对通过步骤（4）变进给操作后获得的粗、半精-精铣刀路进行分层；

（6）将分层后的粗、半精-精铣刀路文件经路径延伸、刀具移动和圆弧插补，并通过不同转速控制后，生成一个完整的粗-半精-精铣混合路径刀路文件，进一步执行后置处理得到五轴联动数控加工程序，用于实际加工。

下面将参照图2对以上各个步骤更具体地进行说明：

首先，根据整体叶轮叶片的几何形状和加工工艺要求在某商用CAM软件中，分别规划好叶片的粗铣和精铣（包含半精铣）轨迹，导出描述刀位点坐标及其刀轴矢量的刀位轨迹源文件，后缀名为.cls。

接着对粗铣刀位轨迹源文件，根据刀路层数和pass数标识信息，提取各层靠近叶片的n道粗铣刀路，完成后，将叶片side B的各层刀路进行倒序排列，形成新的粗铣刀路文件。

对精铣（包含半精铣）刀位轨迹源文件，半精铣部分以ROUGH标识，精铣部分以FINISH标识，根据标识符提取并重新排列，形成半精-精铣刀路文件。

CAM软件规划的刀路文件中，进给率用FEDRAT/语句标识，如FEDRAT/2000.0000，2000.0000表示当前设置的刀具进给率为2000mm/min。粗、半精-精铣的变进给是指在叶片纵深方向上，随着叶片加工刚度的提高，进给率按一比例α（纵深速比）逐层递增，并根据加工情况，最后m层半精-精铣进行减速加工，减速比β自定义。假设叶片加工刀路总层数为n₀，当前层数为n_x，当前层所规划的进给率为F₀，则变进给后当前层进给率F_x的计算公式如下：

①进给率逐层增加情况 $F_x=F_0\×[1+\frac{n_x-1}{n_0}\×(\mathrm{\α}-1)]$

②进给率减小（减速加工）情况F_x＝F₀×β

粗、半精-精铣刀路分层指的是对CAM软件已规划的刀路层数进行重新划分，首先划分半精-精铣刀路层数，假设CAM软件规划的半精-精铣刀路总层数为n₁，自定义的半精-精铣层数为γ，对半精-精铣刀路进行均匀划分，新的各层半精-精铣所包含的刀路道数为γ₀＝n₁/γ（最后一层为γ_oe＝n₁-(γ-1)×γ_o)，则可获得精铣各层的最后一道刀路的所有刀位信息行（GOTO/x,y,z,i,j,k）。计算z值平均值

设半精-精铣第一层最后一道刀路的刀位z值平均值为

接着划分粗铣刀路，层数与半精-精铣层数相同，任务是要确定各层粗铣刀路的最后一道刀路。按公式

依次计算各道粗铣刀路的z值平均值

假设上一道粗铣刀路的z值平均值为

以第一层粗铣的最后一道刀路为例，当满足条件

时，所计算的刀路即是第一层的最后一道刀路。其它层最后一道刀路的计算与第一层方法类似，唯一区别是每层的计算刀路从上一层的最后刀路的下一道刀路开始。至此完成了粗、半精-精铣刀路的分层。

分层后刀路的插补连接主要遵循两个原则：（1）刀具移动过程中，与叶片或夹具不发生干涉；（2）过渡自然、连贯。本例采用刀路延伸、抬刀和圆弧插补完成整个刀路连接。CAM软件规划的粗铣刀路区分叶片的SideA和Side B，经提取和重新排列后同一叶片的Side A和Side B刀路并没有连接起来，需通过插补进行连接。为避免刀具与叶片发生干涉，先对刀路进行延伸，再进行圆弧插补，分别以两个延伸点的坐标(x，y，z)和刀轴矢量(i，j，k)为圆弧插补的起点和终点，进行坐标和刀矢的插补，完成叶片Side A和Side B刀路的连接。粗、半精-精铣刀路的转换连接，进行圆弧插补前，首先抬刀，设定抬刀距离s，两抬刀点的坐标(x，y，z)和刀矢(i，j，k)作为圆弧插补的起点和终点，完成插补操作，实现粗、半精-精铣转换。

在生成粗-半精-精铣混合路径之前，还需要对粗、半精-精铣进行不同转速控制，CAM软件生成的刀路文件中，转速用SPINDL/语句标识，如SPINDL/1326,CLW，1326表示当前设置的刀具转速为1326r/min。不同转速控制，即是对粗铣和半精-精铣分别设置不同的转速。至此，可生成完整粗-半精-精铣混合刀路文件，执行后置处理得到五轴联动数控加工程序，可用于五轴加工。

可以将获得的粗-半精-精铣混合路径NC程序导入MIKRON UCP 800机床，进行大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的变进给、变转速分层粗-半精-精铣，由此大幅提高叶片的加工刚度，尤其是叶片顶端，从而消除加工颤振，提高叶片加工质量，在机械加工领域具有提高加工精度的技术效果。

本领域的普通技术人员容易理解本发明内容，以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，该方法包括下列步骤：

（1）根据整体叶轮叶片的几何形状和工艺参数，分别生成叶片粗铣和精铣的刀位轨迹源文件，所述精铣包含半精铣部分；

（2）对生成的叶片粗铣刀位轨迹源文件，根据设置的切削余量τ提取靠近叶片的最后k道刀路，其中提取道数k自定，形成新粗铣刀位轨迹源文件；

（3）对步骤（2）形成的新粗铣刀位轨迹源文件进行刀路重新排列，使CAM软件规划的粗铣刀位点能环绕叶片进行加工；

（4）对步骤（1）生成的包含半精铣部分的精铣刀位轨迹源文件，将刀路的精铣部分和半精铣部分分别提取出来，并按照加工先后顺序对刀路信息进行排序，形成半精-精铣刀路文件；

（5）对步骤（3）重新排列后的粗铣刀路进行变进给操作，使进给率随叶片铣削刚度的变强而逐层按比例递增，同时对最后p层加工进行减速操作，其中减速层数p自定；

（6）同样，对步骤（4）生成的半精-精铣刀路文件进行变进给操作，方法与步骤（5）相同；

（7）对步骤（6）变进给后的半精-精铣刀路文件进行刀路分层，层数根据整体叶轮叶片的悬伸长度、刚度和原精铣刀路pass数设定，该分层操作是均匀分层过程，即可获取分层后各层的最后一道刀路的刀位信息；

（8）对步骤（5）变进给后的新的粗铣刀位轨迹源文件，根据步骤（7）的半精-精铣刀路分层数和半精-精铣各层最后一道刀路的刀位信息，进行分层，层数与半精-精铣层数相同，同时各层的最后一道粗铣刀路刀位点位置信息中z值的平均值低于最后一道半精-精铣刀路刀位点位置信息中z值的平均值某一差值δ，该δ值自定，以保证互不干涉为前提；

（9）将上述步骤（7）和步骤（8）分层所得的半精-精铣刀路文件和粗铣刀路文件进行路径合成，按照各层由粗到精或半精的加工顺序将两个刀路文件融合成一个加工文件，合成过程中，同时实现加工过程的粗、精或半精铣转换中刀具的路径延伸及抬刀距离设定和圆弧插补操作，以保证刀具不与叶片或夹具发生干涉，以及分别设定粗铣和半精-精铣的转速，以实现粗、半精-精铣的不同转速转换。

2.如权利要求1所述的整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，其中，所述粗铣刀路分层操作具体包括下列步骤：

（i）根据上述步骤（7）中对半精-精铣刀路的分层数，依次计算各层最后一道精铣或半精铣刀路刀位点信息中的z值平均值；

（ii）对上述步骤（5）变进给后的新粗铣刀位轨迹源文件中最靠近叶片的粗铣刀路，依次计算各道刀路的刀位点z值平均值；

（iii）根据自定的δ值，结合上述步骤（i）和步骤（ii）的z值平均值计算值，得到各层最后一道粗铣刀路，实现对步骤（4）形成的新的粗铣刀位轨迹源文件进行分层。

3.如权利要求1或2所述的整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，其中，所述粗-半精-精铣混合路径生成操作具体包括下列步骤：

（a）按照各层由粗到精或半精的加工顺序将粗、半精-精铣两个刀路文件融合成一个加工文件；

（b）对步骤（a）生成的加工文件中，层内及层间的粗铣与半精-精铣刀路转换过程进行刀具移动插补，采用刀路延伸、抬刀及圆弧插补方法，以避免刀具与叶片或夹具发生碰撞；

（c）分别设定粗铣和半精-精铣的转速，实现加工过程中不同转速的变换；

（d）生成并输出处理后的完整粗-半精-精铣混合路径加工文件，经后置处理后，用于大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的加工。

4.根据权利要求3所述的整体叶轮叶片的粗-半精-精铣混合路径生成的方法，其中，在所述步骤（9）之后，将获得粗-半精-精铣混合路径NC程序输入五轴联动机床，以执行对大悬伸、弱刚性整体叶轮叶片的加工。

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