CN108470085B - 一种深窄v型槽结构零件球头刀开粗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，先确定零件在毛坯中的位置，根据位置信息生成刀心约束曲面，根据刀心约束曲面生成分层面加工边界线，进而得到临界刀心驱动线、刀轴控制线、刀轴驱动直纹面，并通过刀轴驱动直纹面生成刀尖驱动线，最终形成刀轨文件，对零件进行粗加工；该方法在避免刀具干涉的同时，通过控制切削过程刀具的材料去除量以达到控制刀具切削力的极值，从而避免刀具的断刀并提升切削效率，不会发生刀具的断裂，在加工过程中保证了切削的稳定性。

Description

一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法

【技术领域】

本发明属于复杂航空结构件高性能、精密加工技术领域，具体涉及一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法。

【背景技术】

为实现新一代涡扇航空发动机的减重增效，复材风扇叶片开始被广泛应用，为提高复材风扇叶片的抗冲击性能，一种钛合金前缘金属加强边被安装到复材叶片前缘上，该部件内腔是一种深窄V型槽结构的复杂曲面通道类零件，其设计结构特点导致其加工刀具可行域窄、刀具长径比大、材料去除难度高。由于其加工刀具可行域极其狭窄，刀具与零件内腔壁极易产生干涉，采用传统基于曲面活动标架的数控加工刀轨生成算法无法生成加工程序。又由于其在粗加工阶段刀具长径比大(长径比可达1：10以上)，导致刀具刚度极弱，传统加工方法只能采取小切削量的走刀方法，这导致单次走刀材料去除量较小，加工程序编制量极大，切内腔加工效率较低。并且零件材料为钛合金，属于难切削、难加工材料，因此在加工过程中刀具所受切削力较大，极易发生断刀。

针对现有深窄V型槽结构的复杂曲面通道类零件粗加工刀轨生成方法所存在不足，有必要提出有一种全新的刀轨生成方法，实现深窄V型槽结构零件加工程序的高效快速精准生成，提高粗加工程序的编制效率，以满足我国新一代涡扇航空发动机生产制造的要求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，主要解决航空发动机复材叶片前缘金属加强边内腔深窄V型槽结构的粗加工问题。

本发明采用以下技术方案：一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据V型槽结构零件的开口方向、零件外形、毛坯加工余量确定V型槽结构零件在毛坯材料中的位置；

步骤2、根据步骤1中的位置信息，将V型槽结构零件内腔进行分型，得出叶盆对应面和叶背对应面，并沿内腔长度分布方向上下边线进行重新参数化，得出重新参数化后的叶盆对应面S_o1和叶背对应面S_o2，通过公式S(u,v)＝S_o(u,v)+d₀n向内腔方向分别对S_o1和S_o2进行偏置，得到临界刀心约束曲面S₁和S₂；

其中，S_o(u,v)对应重新参数化后的叶盆对应面S_o1和叶背对应面S_o2，u、v分别为初始曲面u方向和v方向的节点参数，n为曲面S_o1或S_o2上任意点的法矢，d₀＝η+R为偏置距离，η为精加工余量，R为刀具球头半径；

步骤3、对步骤2中得出的刀心约束曲面S₁和S₂分别进行等参线离散，分别得出N+1条边界线；

步骤4、建立加工坐标系，在毛坯材料上沿加工坐标系x轴方向间隔均匀创建w个截平面Q₁，Q₂，…，Q_w；通过步骤3中的N+1条边界刀心线生成刀心驱动面，并得出各切削层的刀心驱动线；

步骤5、分别将偏置曲面S₁和S₂与每个截平面的交线进行等弧长的参数点离散，并进行重新参数化，分别得到曲线r₁(s)和r₂(s)；

通过公式min{[C_k(t)-r_k]·T_q/[C_k(t)-r_k]·N_q}＝η_k得出被加工曲面上可摆动无干涉临界刀轴矢量其中，C_k(t)为加工坐标系内的矢量，r_k为加工坐标系内离散点k的位置矢量，T_q为曲线的切矢量，N_q为曲线的法矢量；

作毛坯材料上端面与截平面Q_w的交线的平行线l，得到临界刀轴矢量和所在直线与l的交点A₁、A₂，则每个截平面Q_w上的无干涉刀轴摆动区间均为对应的线段l_A；

将线段l_A的中点b_i,w通过样条函数得出各个切削层的粗加工刀轴控制线H_i，其中，为样条函数H_i的权重系数，为样条函数H_i的基函数；

步骤6、将步骤4中得出的各刀心驱动线与截平面Q_w的交点a_i,j,w与步骤5中的线段l_A的中点b_i,w连接，形成多条线段λ_i,j,w，将每条线段λ_i,j,w以B样条曲面形式连接，通过公式r'_i,j(u,v)＝H_i+vλ_i(u)生成刀具刀轴驱动直纹面；

步骤7、将步骤6中生成的刀轴驱动直纹面离散为多条母线，将每条母线沿其参数方向向刀心驱动面方向延伸R距离，每条母线的延伸后的端点连接形成刀尖驱动线；

将刀尖驱动线离散为点集作为刀具刀尖加工坐标，步骤6中的刀轴驱动直纹面的矢量参数作为刀具刀轴方向，根据直线插补算法生成刀轨文件进行深窄V型槽结构零件的粗加工。

进一步地，刀心约束曲面S₁对应的相邻两条边界刀心线之间的距离d₁和刀心约束曲面S₂对应的相邻两条边界刀心线之间的距离d₂均小于等于刀具允许的最大临界切削深度值δ_max。

进一步地，步骤4中得出各个切削层刀心驱动线具体方法为：

找出偏置曲面S₁和S₂上各个边界刀心线和分别与每个截平面Q_w的交点和连接和得到多条线段l_i，结合公式r_i(u,v)＝c_i(u)+vl_i(u)得到每个切削层的刀心驱动曲面r_i(u,v)，将每个切削层的刀心驱动曲面r_i(u,v)进行离散，得到每个切削层的刀心驱动线；其中，c_i(u)表示偏置面上第i+1条边界线，l_i(u)为线段l_i的参数化表示。

本发明的有益效果是：该方法在避免刀具干涉的同时，通过控制切削过程刀具的材料去除量以达到控制刀具切削力的极值，从而避免刀具的断刀并提升切削效率。通过球头刀分层开粗算法计算出的刀轨，在深窄V型槽零件内腔粗加工过程中保证加工效率的同时不会发生刀具的断裂，在加工过程中能保证切削深度和切削厚度始终不超过极值范围，保证了加工过程中切削的稳定性。

【附图说明】

图1为本发明中金属加强边内腔曲面分型示意图；

图2为本发明中刀心驱动面分层示意图；

图3为本发明中摆刀平面截面生成示意图；

图4为本发明中临界刀轴搜索示意图；

图5为本发明中刀轴控制线及刀轴驱动面和刀尖线生成示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明根据边界条件重构粗加工刀轨驱动面，并基于控制线生成刀轴驱动面以确定深窄V型槽内腔粗加工的刀轴方向。所有粗加工阶段刀轴方向通过刀轴驱动面确定。其技术特征在于：通过控制线与刀心线生成刀轴驱动面以确定刀轴方向以保证生成无干涉粗加工刀轴；相邻切削层之间按照刀具最大刚度切削深度临界条件确定以保证不发生断刀；相邻刀轨间距离按照刀具最大刚度切削厚度临界条件确定以保证不发生断刀。

具体实施步骤如下：

步骤1、根据加工工艺的要求，确定零件在毛坯零件中的位置。零件的毛坯材料通常为方型材料，需要考虑V型槽结构零件的开口方向、零件外形尺寸、毛坯加工余量等因素，以确定V型槽结构零件在毛坯中的相对位置。

本实施例中零件为金属加强边，其毛坯为长方体材料，需要考虑金属加强边内腔开口平均方向垂直于毛坯端面、外形毛坯加工余量均匀分布的原则确定零件在毛坯中的相对位置。

步骤2、生成临界刀心约束曲面。

根据步骤1中的位置信息，如图1所示，按照V型槽结构零件内腔曲面形状特征，对V型槽内腔面进行分型，将其分为叶盆对应面、叶背对应面和前缘对应面，对叶盆对应面、叶背对应面沿V型槽内腔长度分布方向上下边线进行重新参数化，得出重参后的叶盆对应面、叶背对应面为S_o1、S_o2，

如图2所示，通过公式S(u,v)＝S_o(u,v)+d₀n，向内腔方向分别对重参后的叶盆对应面、叶背对应面进行偏置，生成刀心所分布的叶盆对应面偏置曲面S₁、叶背对应面偏置曲面S₂，即临界刀心约束曲面；

其中，S(u,v)对应叶盆对应面偏置曲面S₁、叶背对应面偏置曲面S₂，S_o(u,v)对应重参后叶盆对应面S_o1、叶背对应面S_o2，即S_o(u,v)为曲面S_o1和S_o2的参数表达形式，u、v分别为初始曲面u方向和v方向的节点参数，n为曲面S_o1、S_o2上任意点的法矢，d₀＝η+R为偏置距离，η为精加工余量，R为刀具球头半径。

步骤3、确定加工分层面边界刀心线。

在垂直于复材叶片轴线的方向根据式c＝S(u,v_i)分别对偏置曲面S₁、S₂进行等参线离散，分别得到N+1条边界刀心线。

其中，S(u,v_i)表示在偏置曲面S₁或S₂上以v_i＝v+iΔv的参数变化量对v向曲面进行等参数离散，相邻离散曲线的参数变化量Δv＝v_i+1-v_i，i＝0,1,...,N，N为大于0的整数；且偏置曲面S₁对应的相邻边界刀心线之间的距离和偏置曲面S₂对应的相邻边界刀心线之间的距离均小于等于δ_max，即d₁,d₂≤δ_max，δ_max为刀具允许的最大临界切削深度值，表示偏置曲面S₁上的第i+1条边界刀心线，表示偏置曲面S₁上的第i+2条边界刀心线，表示偏置曲面S₁上的第i+1条边界刀心线，表示偏置曲面S₁上的第i+2条边界刀心线。

由于离散的边界线是通过偏置曲面获得的，离散的边界线将会作为刀心驱动面的边界曲线，因此，对原始叶盆对应面和叶背对应面进行重新参数化才能保证偏置后获得的边界线在深窄V型槽结构零件的长度方向连续完整，这样才能够计算边界刀心线。

步骤4、分层确定粗加工的临界刀心驱动线。

通过分层边界刀心线生成分层刀心驱动面，并对分层刀心驱动面沿内腔宽度方向进行等参数离散以确定各切削层的刀心驱动线。

如图3所示，基于长方体毛坯的各边建立加工坐标系：任选长方体毛坯底面的一个端点为坐标原点，并将长方体毛坯的长宽高边分别作为加工坐标系的x轴、y轴和z轴，沿x轴方向间隔均匀创建w个截平面Q₁，Q₂，…，Q_w，各截平面之间距离根据加工精度要求确定。

在偏置曲面S₁和S₂上均选取第i+1条条参数线则截平面Q_w分别与参数线产生交点连接得到线段l_i，通过公式r_i(u,v)＝c_i(u)+vl_i(u)得出第i+1切削层的直纹面r_i(u,v)，即为第i+1个切削层的刀心驱动曲面，其中，c_i(u)表示偏置面上第i+1条边界刀心线，l_i(u)为线段l_i的参数化表示。

将刀心驱动曲面r_i(u,v)离散为m条曲线，作为曲面第i+1个切削层刀心驱动线，且m条刀心驱动线中的任意两条之间的距离d_i＝d<l_j,l_j+1>均不大于刀具允许的最大临界切削厚度值δ'_max，即d_i＝d<l_j,l_j+1>≤δ'_max，其中，j＝0,1,...,m。重复上述步骤，直至得出每个切削层的刀心驱动线。

步骤5、确定刀轴控制线。根据设定的在摆刀平面上刀轴摆动的约束条件，根据刀具摆动最小原则计算出无干涉刀轴控制线。

首先根据刀具几何参数及偏置曲面S₁、S₂与截平面Q_w的交线生成的约束区间。

需要对偏置曲面S₁、S₂与截平面Q_w的交线分别进行等弧长的参数点离散后进行重参，得到曲线r₁(s)和r₂(s)，即刀具可摆动区间的临界刀轴约束曲线。

曲线r₁(s)和边界刀心线的交点为刀心点曲线r₂(s)和边界刀心线的交点为刀心点

根据T_q＝dr(s_i)/ds及N_q＝d[r(s_i)]²/ds²，得出切触点对应曲线的切矢量T_q和法矢量N_q，s_i表示刀心点或的在曲线r₁(s)或r₂(s)上的等弧长化参数值，

将r₁(s)的离散点集中z轴方向高度大于刀心点的点分别与点相连，得到k个加工坐标系内的矢量C_k(t)，则第k个离散点的位置矢量为r_k。

如图4所示，根据公式min{[C_k(t)-r_k]·T_q/[C_k(t)-r_k]·N_q}＝η_k，得到被加工曲面上可摆动无干涉临界刀轴矢量

作毛坯上端面与截平面Q_w的交线的平行线l，偏置距离为h_z，临界刀轴矢量所在直线与l的交点为A₁、A₂，则A₁、A₂间的线段l_A为截平面Q_w上的无干涉刀轴摆动区间。

将线段l_A的中点b_i,w通过样条函数得出连续光滑的样条曲线H_i，即为第i+1个切削层的粗加工刀轴控制线，其中，为样条函数H_i的权重系数，为样条函数H_i的基函数；重复上述步骤，直至得出每个切削层的刀轴控制线。

步骤6、确定刀具的刀轴驱动直纹面。

可通过刀心驱动线和刀轴控制线H_i作为两条导线，沿x轴方向以等距离离散点的形式生成刀具的刀轴驱动直纹面。具体方法为：

将步骤4中得出的各刀心驱动线与截平面Q_w的交点a_i,j,w(表示第i切削层的第j条离散曲线在截面Q_w上的交点)、步骤5中的线段l_A的中点b_i,w连接形成线段λ_i,j,w，将线段λ_i,j,w以B样条曲面形式连接，可生成刀具刀轴驱动直纹面r'_i,j(u,v)＝H_i+vλ_i(u)，其中，C_i(u)为刀轴驱动直纹面的导线(即刀轴控制线)，λ_i(u)为刀轴驱动直纹面的母线(即刀轴参数线，通过两条导线沿x轴方向等距离离散点生成的)。

步骤7、生成加工刀具刀尖驱动线。刀轴驱动直纹面沿着刀轴线面方向进行曲面延长(延长刀具半径R的距离)，延长后生成的新的曲面边界线即为刀尖驱动线。

将步骤6得到的刀轴驱动直纹面离散成若干母线，将每条母线沿其参数线方向向刀心驱动面一端进行延伸，延伸距离为R，将每条母线延伸后的端点连接，形成B样条曲线r_i,j(v)，如图5所示，通过公式

r”_i,j(u,v)＝H_i+v[R(λ_i(u)/|λ_i(u)|)+λ_i(u)]＝r_i,j(v)

得出刀尖驱动线，其中，u＝1。

基于加工误差约束条件将刀尖驱动线离散成点集，再根据点集内的点计算刀轴驱动面上刀轴线参数，则刀尖驱动线离散点集即为刀具刀尖加工坐标，步骤6中的刀轴驱动直纹面的矢量参数即为刀具刀轴方向。

根据加工中常用的插补算法输出刀轨文件，包含在机床加工坐标系内刀尖的坐标和刀轴的矢量。

计算涉及加工中常用的直线插补算法，将刀尖驱动线r_i,j(v)和刀轴驱动面r'_i,j(u,v)的参数转换成加工路径文件，输出刀轨文件包含在机床加工系内刀尖的坐标和刀轴的矢量。

Claims (3)

1.一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据V型槽结构零件的开口方向、零件外形、毛坯加工余量确定V型槽结构零件在毛坯材料中的位置；

步骤2、根据步骤1中的位置信息，将V型槽结构零件内腔进行分型，得出叶盆对应面和叶背对应面，并沿所述内腔长度分布方向上下边线进行重新参数化，得出重新参数化后的叶盆对应面S_o1和叶背对应面S_o2，通过公式S(u,v)＝S_o(u,v)+d₀n向内腔方向分别对S_o1和S_o2进行偏置，得到临界刀心约束曲面S₁和S₂；

其中，S_o(u,v)对应重新参数化后的叶盆对应面S_o1和叶背对应面S_o2，u、v分别为初始曲面u方向和v方向的节点参数，n为曲面S_o1或S_o2上任意点的法矢，d₀＝η+R为偏置距离，η为精加工余量，R为刀具球头半径；

步骤3、对步骤2中得出的刀心约束曲面S₁和S₂分别进行等参线离散，分别得出N+1条边界刀心线；

步骤4、建立加工坐标系，在毛坯材料上沿加工坐标系x轴方向间隔均匀创建w个截平面Q₁，Q₂，…，Q_w；通过步骤3中的N+1条边界刀心线生成刀心驱动面，并得出各切削层的刀心驱动线；

步骤5、分别将偏置曲面S₁和S₂与每个截平面的交线进行等弧长的参数点离散，并进行重新参数化，分别得到曲线r₁(s)和r₂(s)；

通过公式min{[C_k(t)-r_k]·T_q/[C_k(t)-r_k]·N_q}＝η_k得出被加工曲面上可摆动无干涉临界刀轴矢量其中，C_k(t)为加工坐标系内的矢量，r_k为加工坐标系内离散点k的位置矢量，T_q为曲线的切矢量，N_q为曲线的法矢量；

作毛坯材料上端面与截平面Q_w的交线的平行线l，得到临界刀轴矢量和所在直线与l的交点A₁、A₂，则每个截平面Q_w上的无干涉刀轴摆动区间均为对应的线段l_A；

将线段l_A的中点b_i,w通过样条函数得出各个切削层的粗加工刀轴控制线H_i，其中，为样条函数H_i的权重系数，为样条函数H_i的基函数；

步骤6、将步骤4中得出的各刀心驱动线与截平面Q_w的交点a_i,j,w与步骤5中的线段l_A的中点b_i,w连接，形成线段λ_i,j,w，将每条线段λ_i,j,w以B样条曲面形式连接，通过公式r'_i,j(u,v)＝H_i+vλ_i(u)生成刀具刀轴驱动直纹面；

步骤7、将步骤6中生成的刀轴驱动直纹面离散为多条母线，将每条母线沿其参数方向向刀心驱动面方向延伸R距离，每条母线的延伸后的端点连接形成刀尖驱动线；

将刀尖驱动线离散为点集作为刀具刀尖加工坐标，步骤6中的刀轴驱动直纹面的矢量参数作为刀具刀轴方向，根据直线插补算法生成刀轨文件进行深窄V型槽结构零件的粗加工。

2.如权利要求1所述的一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，其特征在于，所述刀心约束曲面S₁对应的相邻两条边界刀心线之间的距离d₁和刀心约束曲面S₂对应的相邻两条边界刀心线之间的距离d₂均小于等于刀具允许的最大临界切削深度值δ_max。

3.如权利要求1或2所述的一种深窄V型槽结构零件球头刀开粗方法，其特征在于，步骤4中得出各个切削层刀心驱动线具体方法为：

找出偏置曲面S₁和S₂上各个边界刀心线和分别与每个截平面Q_w的交点和连接和得到多条线段l_i，结合公式r_i(u,v)＝c_i(u)+vl_i(u)得到每个切削层的刀心驱动曲面r_i(u,v)，将每个所述切削层的刀心驱动曲面r_i(u,v)进行离散，得到每个切削层的刀心驱动线；其中，c_i(u)表示偏置面上第i+1条边界线，l_i(u)为线段l_i的参数化表示。