CN108326635A - 一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算方法，在工件坐标系CS_W下利用分层切削与布尔运算，可计算插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度。技术人员利用本发明可获知每一次插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度，当插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度值与刀具半径值相等，即说明插铣刀具下底面的中心参与了切削，与材料发生了挤压碰撞，出现这种情况的插铣刀轨应尽量避免或对其进行进一步优化。本发明对延长插铣刀具的使用寿命、提高插铣加工过程的稳定性、提高开式整体叶盘通道插铣加工后叶片型面的加工质量均有重大意义。

Description

一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算 方法

技术领域

本发明属于航空发动机整体叶盘制造的技术领域，涉及到航空发动机开式整体叶盘通道插铣加工时刀具所使用的刀刃长度的计算方法，具体为一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具所使用的刀刃长度的计算方法。

背景技术

开式整体叶盘是现代航空发动机的重要组成部分。与传统的叶片和轮毂装配叶盘结构相比，其将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置等，减少了结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高了气动效率，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提高，结构大为简化。但由于其结构复杂：叶片薄、扭曲大、通道窄、深且开敞性差，加工精度要求高，尤其是叶片型面为复杂的空间自由曲面，使得对整体叶盘的制造技术要求极高，国内研究最多、应用最广泛的加工方法是多轴数控铣削加工方法。

开式整体叶盘锻造毛坯一般为矮圆柱状，材料多为钛合金、高温合金等难加工材料。从毛坯到成型的加工过程中去除的材料约占毛坯的60％-90％以上，其中绝大部分是在叶盘通道粗加工过程中完成的。因此，实现通道高效粗加工，对缩短整体叶盘制造周期及降低加工成本具有重要意义，同时也有利于后续叶片型面及轮毂表面的半精加工和精加工。

开式整体叶盘通道高效粗加工方法目前运用较为广泛的是插铣，但是加工过程中存在一个问题，即插铣加工时插铣刀底部的中心有时会参与切削，而插铣刀底部的中心是没有切削能力的，当插铣刀底部的中心与毛坯材料接触时，是通过碰撞挤压的方式将材料去除的，这样会显著降低插铣刀具的使用寿命与插铣加工过程中机床的稳定性，同时也会降低开式整体叶盘通道插铣加工后叶片型面的加工质量，严重时会将刀具或机床损坏，所以插铣加工切削材料时刀具所使用的刀刃长度的评估成为了亟待解决的问题。

对于轴流式整体叶盘而言，其通道由形状复杂的叶型自由曲面包围而成，通道狭窄，开敞性差，插铣加工切削材料时刀具所使用的刀刃长度的计算难度较大。并且目前也很少有针对插铣加工去除毛坯材料时刀具所使用的刀刃长度的研究，就连评估叶盘仿真加工时运用较为广泛的美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统VERICUT，同样也没有对插铣加工去除毛坯材料时刀具所用的刀刃长度的计算功能。

为了解决开式整体叶盘插铣加工切削毛坯材料时难以评估刀具所使用的刀刃长度的问题，研究一种开式整体叶盘通道插铣加工去除毛坯材料时所用刀具刃长的计算方法具有非常重要的意义。

发明内容

由于整体叶盘结构复杂：叶片薄、扭曲大、通道窄、深且开敞性差，加工精度要求高，尤其是叶片型面为复杂的空间自由曲面，所以插铣加工切削毛坯材料时刀具所使用的刀刃长度的计算难度较大。为解决该问题，本发明基于分层切削与布尔运算的思想，提出了一种开式整体叶盘通道插铣加工时刀具所使用刀刃长度的计算方法，利用该方法可评估插铣走刀去除毛坯材料时刀具所使用的刀刃长度，当某一次插铣走刀去除毛坯材料时所用的刀具的刀刃长度为刀具的半径值时，说明此时插铣刀具底部的中心参与了毛坯材料的切削，因此利用本发明可以评判插铣刀位轨迹规划的优劣。技术人员可以利用本发明对其中刀具底部中心参与毛坯材料切削的刀轨进行进一步优化或者避免其出现，对延长插铣刀具的使用寿命、提高插铣加工过程的稳定性与提高开式整体叶盘通道插铣加工后叶片型面的加工质量均有显著意义。

本发明的技术方案为：

所述一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在三维建模软件中建立待加工的毛坯模型和刀具模型，并按照设计好的刀具加工路径在每个刀位点处均放置刀具模型；

步骤2：对于每个刀位点处对应的一次插铣走刀过程，采用以下步骤确定每次插铣走刀刀具切削刃所需的最小长度：

步骤2.1：在工件坐标系CS_W下用一组垂直于Z_W轴的平面Π_j，j＝1,2…n，同时截取毛坯模型和所有刀位点处的刀具模型，n为这组平面的个数；得到相应的毛坯轮廓与一系列刀具轮廓；

步骤2.2：对于某一平面Π_j，其与毛坯模型相交产生多边形轮廓polygon1，与刀具模型相交产生多边形轮廓polygon2；在平面Π_j上，令多边形轮廓polygon1与多边形轮廓polygon2做布尔求交运算，得到多边形轮廓polygon3；

步骤2.3：将多边形轮廓polygon3离散为N个点P_i，i＝1,2…N；计算点P_i到刀具轴线η的距离d_i：

其中τ_i＝z_icosθ-P_z,wcosθ+x_isin(-θ)-P_x,wsin(-θ)；

上述公式中的各项符号为：

点P_i在工件坐标系CS_W下的坐标为

刀具的刀位点P_cl在工件坐标系CS_W下的坐标为

刀具的刀轴矢量T₀在工件坐标系CS_W下的坐标为

步骤2.4：计算N个点P_i，i＝1,2…N到刀具轴线η的距离d_i，i＝1,2…N，得到其中的最小值d_min＝min(d_i)；

步骤2.5：当刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围不存在交点时，得到平面Π_j对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j＝R-d_min，其中R为刀具半径，若刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围存在交点时，得到平面Π_j对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j＝R；

步骤2.6：重复步骤2.2～步骤2.5，得到n个平面对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j，j＝1,2…n，取ε_max＝max(ε_j)为该次插铣走刀刀具切削刃所需的最小长度。

有益效果

本发明在工件坐标系CS_W下利用分层切削与布尔运算，可计算插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度。技术人员利用本发明可获知每一次插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度，当插铣走刀去除材料时刀具所使用的刀刃长度值与刀具半径值相等，即说明插铣刀具下底面的中心参与了切削，与材料发生了挤压碰撞，出现这种情况的插铣刀轨应尽量避免或对其进行进一步优化。本发明对延长插铣刀具的使用寿命、提高插铣加工过程的稳定性、提高开式整体叶盘通道插铣加工后叶片型面的加工质量均有重大意义。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1.分层切削示意图；

图2.平面Π_j截取整体叶盘毛坯与某刀位点处相应刀具产生的多边形轮廓示意图；

图3.轮廓polygon1与轮廓polygon2布尔求交运算的结果示意图；

图4.刀具位于相应刀位点处时去除的材料的示意图；

图5.刀具沿着刀具轴线η加工至点A时的示意图；

图6.刀具沿着刀具轴线η加工至点B时的示意图；

图7.多边形轮廓polygon3上某一点P_i至刀具轴线η的距离示意图；

图8.刀具在工件坐标系CS_W下的位姿示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

由于整体叶盘结构复杂：叶片薄、扭曲大、通道窄、深且开敞性差，加工精度要求高，尤其是叶片型面为复杂的空间自由曲面，所以插铣加工切削毛坯材料时刀具所使用的刀刃长度的计算难度较大。为解决该问题，本发明基于分层切削与布尔运算的思想，提出了一种开式整体叶盘通道插铣加工时刀具所使用刀刃长度的计算方法，利用该方法可评估插铣走刀去除毛坯材料时刀具所使用的刀刃长度，当某一次插铣走刀去除毛坯材料时所用的刀具的刀刃长度为刀具的半径值时，说明此时插铣刀具底部的中心参与了毛坯材料的切削，因此利用本发明可以评判插铣刀位轨迹规划的优劣。技术人员可以利用本发明对其中刀具底部中心参与毛坯材料切削的刀轨进行进一步优化或者避免其出现，对延长插铣刀具的使用寿命、提高插铣加工过程的稳定性与提高开式整体叶盘通道插铣加工后叶片型面的加工质量均有显著意义。

本实施例中的一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算方法，包括以下步骤：

步骤1：在三维建模软件中建立待加工的毛坯模型和刀具模型，并按照设计好的刀具加工路径在每个刀位点处均放置刀具模型；

步骤2：对于每个刀位点处对应的一次插铣走刀过程，采用以下步骤确定每次插铣走刀刀具切削刃所需的最小长度：

步骤2.1：利用分层切削思想，在工件坐标系CS_W下用一组垂直于Z_W轴的平面Π_j，j＝1,2…n，同时截取毛坯模型和所有刀位点处的刀具模型，n为这组平面的个数；得到相应的毛坯轮廓与一系列刀具轮廓；为了图形清晰明了的展示分层切削，图1中没有绘制所有刀位点处具有相应位姿的刀具；

步骤2.2：对于某一平面Π_j，其与毛坯模型相交产生多边形轮廓polygon1，与刀具模型相交产生多边形轮廓polygon2，如图2所示；在平面Π_j上，令多边形轮廓polygon1与多边形轮廓polygon2做布尔求交运算，得到多边形轮廓polygon3，如图3所示；当刀具处于图3所示的位置时，去除的材料如图4所示；

步骤2.3：当刀具在位于图4所示的位置时，该次插铣走刀结束。将该次插铣走刀抵达图4所示位置的整个过程进行分解，当刀具沿着刀轴矢量进给，去除材料的过程中，某一时刻t₀下刀具会切削多边形轮廓polygon3上的A点，如图5所示，即此时点A位于刀具的下底平面上，设此时刀具轴线为η，即可求点A至刀具轴线η的距离，记为d₁，要想位于点A处的工件材料被刀刃切削去除，则需要刀具刀刃上存在一点到刀具轴线η的距离同样为d₁。在另一时刻t₁下，刀具沿着刀轴矢量切削多边形轮廓polygon3上的点B，即此时点B位于刀具的下底平面上，如图6所示，同样可求解点B到刀具轴线η的距离，记为d₂，同样要想位于点B处的材料被刀刃切削去除，则需要刀具刀刃上存在一点到刀具轴线η的距离同样为d₂；

此处需要说明的是图5与图6所示的情形中，刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围图形是没有交点的，这一点由图3可以获知，并且在平面Π_j上多边形轮廓polygon3所围成的图形其内部的工件材料由刀具的刀刃切削去除；

所以下面将多边形轮廓polygon3离散为N个点P_i，i＝1,2…N；计算点P_i到刀具轴线η的距离d_i：

其中τ_i＝z_icosθ-P_z,wcosθ+x_isin(-θ)-P_x,wsin(-θ)；

上述公式中的各项符号为：

如图7所示，点P_i在工件坐标系CS_W下的坐标为

如图8所示，刀具的刀位点P_cl在工件坐标系CS_W下的坐标为

如图8所示，刀具的刀轴矢量T₀在工件坐标系CS_W下的坐标为

步骤2.4：计算N个点P_i，i＝1,2…N到刀具轴线η的距离d_i，i＝1,2…N，得到其中的最小值d_min＝min(d_i)；

步骤2.5：经过分析可知：刀刃上必须保证存在一点且该点到刀具轴线η的距离为d_min才能保证平面Π_j上工件材料的去除是在刀具有切削刃的情况下进行的。设刀具半径为R，在平面Π_j上去除多边形轮廓polygon3所围图形内部的工件材料时所需的刀具切削刃的长度至少为ε_j＝R-d_min，当然这是在刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围不存在交点情况下；

若刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围存在交点时，则在平面Π_j上去除多边形轮廓polygon3所围图形内部的工件材料时所需的刀具切削刃的长度至少为ε_j＝R；

步骤2.6：针对图3所示的该次走刀，重复步骤2.2～步骤2.5，得到n个平面对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j，j＝1,2…n，取ε_max＝max(ε_j)为该次插铣走刀切削去除工件材料时刀具至少需要的切削刃长度，为了保证该次插铣走刀所去除的工件材料是通过使用刀具的切削刃去除的，那么该次插铣走刀刀具切削刃的长度应至少为ε_max。

当ε_max＝R时，即该次插铣走刀刀具去除材料时所需要的切削刃的长度至少为R时，说明该次插铣走刀刀具去除工件材料时刀具下底平面的中心参与了切削，即刀具下底平面的中心与工件材料发生了碰撞挤压，为了保证插铣加工的稳定性与插铣加工后叶片型面的加工质量，这样的插铣走刀路径在插铣路径规划时应该避免其出现或者对其进行进一步优化，上述计算开式整体叶盘通道插铣加工时刀具所使用的刀刃长度的方法对插铣加工时刀具的选择也具有一定的指导意义。

在某次插铣加工中，采用上述方法计算了插铣加工去除材料时插铣刀具所使用的刀刃长度，这里为了简单，只列出其中一把加工刀具在去除材料时所使用的刀刃长度的计算结果，如表1所示。计算的结果与VERICUT中的仿真进行了简单的对比，对比的结果是本发明所述的方法是准确的。

表1.某把刀具插铣加工去除材料时所使用的刀刃长度的计算结果

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于开式整体叶盘通道插铣加工时刀具使用刃长计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在三维建模软件中建立待加工的毛坯模型和刀具模型，并按照设计好的刀具加工路径在每个刀位点处均放置刀具模型；

步骤2：对于每个刀位点处对应的一次插铣走刀过程，采用以下步骤确定每次插铣走刀刀具切削刃所需的最小长度：

步骤2.1：在工件坐标系CS_W下用一组垂直于Z_W轴的平面Π_j，j＝1,2…n，同时截取毛坯模型和所有刀位点处的刀具模型，n为这组平面的个数；得到相应的毛坯轮廓与一系列刀具轮廓；

步骤2.2：对于某一平面Π_j，其与毛坯模型相交产生多边形轮廓polygon1，与刀具模型相交产生多边形轮廓polygon2；在平面Π_j上，令多边形轮廓polygon1与多边形轮廓polygon2做布尔求交运算，得到多边形轮廓polygon3；

步骤2.3：将多边形轮廓polygon3离散为N个点P_i，i＝1,2…N；计算点P_i到刀具轴线η的距离d_i：

其中τ_i＝z_icosθ-P_z,wcosθ+x_isin(-θ)-P_x,wsin(-θ)；

上述公式中的各项符号为：

点P_i在工件坐标系CS_W下的坐标为

刀具的刀位点P_cl在工件坐标系CS_W下的坐标为

刀具的刀轴矢量T₀在工件坐标系CS_W下的坐标为

步骤2.4：计算N个点P_i，i＝1,2…N到刀具轴线η的距离d_i，i＝1,2…N，得到其中的最小值d_min＝min(d_i)；

步骤2.5：当刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围不存在交点时，得到平面Π_j对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j＝R-d_min，其中R为刀具半径，若刀具轴线η与多边形轮廓polygon3所围范围存在交点时，得到平面Π_j对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j＝R；

步骤2.6：重复步骤2.2～步骤2.5，得到n个平面对应的刀具切削刃所需的最小长度ε_j，j＝1,2…n，取ε_max＝max(ε_j)为该次插铣走刀刀具切削刃所需的最小长度。