CN108845541A - 自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法，用于解决现有整体叶盘通道粗加工方法实用性差的技术问题。技术方案是首先对型腔摆线铣开槽加工区域进行划分。再对自由曲线型腔粗加工摆线铣切削段轨迹进行规划。利用自由曲线恒定负载轨迹优化方法对摆线铣切削段轨迹进行优化。再对非切削段轨迹进行规划，将非切削段轨迹分为直线段回程和圆弧进退刀两部分。进退刀段圆弧曲线应保证与加工区域边界曲线、摆线轨迹切削段曲线以及回程直线段相切。本发明使得在摆线加工过程中能够保证刀具负载的平稳，生成的摆线铣轨迹能够一次完成开槽和扩槽，且刀具加工过程中浸角度始终较小，能够避免满刃切削，利于刀具散热，减小刀具磨损，实用性好。

Description

自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种整体叶盘通道粗加工方法，特别涉及一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法。

背景技术

随着航空发动机技术的发展，整体叶盘越来越多的应用于航空发动机当中，由于整体叶盘的重要性和工作环境的恶劣，数控铣削加工是目前整体叶盘的制造尤其是压气机整体叶盘制造中的主流技术。由于整体叶盘的制造大量采用钛合金和镍基高温合金等难加工材料，这些材料的切削性能差，造成加工效率低，刀具磨损严重，加工成本高。而在整个整体叶盘的数控铣削加工过程中，整体叶盘通道加工占了全部材料去除量的绝大部分，其中，叶盘通道的开槽粗加工又占了整个叶盘通道材料去除工作量的大部分，因此，整体叶盘通道的高效粗加工对提高整体叶盘数控加工效率，降低生产成本起着关键性的作用。在整体叶盘实际数控加工中，对于加工效率和加工质量的平衡是一个难点。为了降低刀具磨损，提高表面质量，通常给定的切削参数都较小，无法发挥机床的性能，然而较为保守的切削用量造成粗加工效率降低。若给定较大的切深、切削速度等参数，又会造成刀具磨损严重，刀具寿命降低，在加工过程中频繁换刀，提高了刀具成本，降低了加工效率。

文献1“申请公布号是CN101708559A的中国发明专利”公开了一种闭式整体叶盘五坐标插铣加工方法。该方法解决了闭式整体叶盘加工过程中编程难度大、约束条件多、刀具轨迹求解过程复杂等技术问题，有效实现了闭式整体叶盘的五坐标插铣加工。但是在插铣切削之前需要对工件毛坯进行预钻孔，不能直接下刀，因此插铣方法不适合直接开槽。且插铣法加工过程由于通道尺寸和刀具直径的因素，对刀具进给的步距有较大限制，造成刀具轨迹长度增加，空走刀增多，加工效率低。

文献2“申请公布号是CN102806380A的中国发明专利”公开了一种开式整体叶盘通道复合粗加工方法，该方法将盘铣开槽，插铣扩槽和侧铣加工结合起来，完成开式整体叶盘通道的粗加工。该方法较为复杂且对设备要求较高，在侧铣加工中刀具径向受到的切削力较大，叶片易变形，在通道深度较大时刀具可达性受限，且容易产生振动和加剧刀具磨损。且传统的插铣和侧铣等加工方法刀具均为满刃切削，对于整体叶盘所采用的难加工材料而言，刀具和工件的热力耦合作用明显，不利于刀具散热，造成刀具磨损严重。

发明内容

为了克服现有整体叶盘通道粗加工方法实用性差的不足，本发明提供一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法。该方法首先对型腔摆线铣开槽加工区域进行划分。再对自由曲线型腔粗加工摆线铣切削段轨迹进行规划。利用自由曲线恒定负载轨迹优化方法对摆线铣切削段轨迹进行优化。最后对非切削段轨迹进行规划，将非切削段轨迹分为直线段回程和圆弧进退刀两部分。进退刀段圆弧曲线应保证与加工区域边界曲线、摆线轨迹切削段曲线以及回程直线段相切。本发明将几何和物理因素相结合，通过控制刀具径向切深，使得在摆线加工过程中能够保证刀具负载的平稳，生成的摆线铣轨迹能够一次完成开槽和扩槽，且刀具加工过程中浸角度始终较小，能够避免满刃切削，利于刀具散热，减小刀具磨损，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、整体叶盘通道摆线铣开槽加工区域划分。提取三个曲面，根据加工参数确定需要偏置的距离，分别提取叶盆、叶背和轮毂曲面进行偏置；叶片曲面裁剪：将叶盆、叶背曲面和前后缘区域分离，去掉前后缘部分；裁剪曲面延伸：将裁剪后的叶片曲面的边缘沿叶片切向延伸，上边界不高于叶片沿叶盘轴向最高点，下边界不高于叶片沿叶盘轴向的最低点。

步骤二、整体叶盘通道粗加工摆线铣切削段轨迹规划。利用基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法，离散切削段初始轨迹曲线，计算每一个离散点处的刀具-工件包角，通过改变每一个离散点处的径向切深，使每个离散点处包角值恒定，将改变径向切深后得到的新的离散点拟合，即得到下一条轨迹曲线。依次类推，得到整个整体叶盘通道开槽区域的摆线铣切削段轨迹。

步骤三、整体叶盘通道粗加工摆线铣非切削段轨迹规划。将摆线铣非切削段轨迹分为直线段回程和圆弧进、退刀两部分，进、退刀段圆弧曲线与加工区域边界曲线、摆线轨迹切削段曲线以及回程直线段相切。

本发明的有益效果是：该方法首先对型腔摆线铣开槽加工区域进行划分。再对自由曲线型腔粗加工摆线铣切削段轨迹进行规划。利用自由曲线恒定负载轨迹优化方法对摆线铣切削段轨迹进行优化。最后对非切削段轨迹进行规划，将非切削段轨迹分为直线段回程和圆弧进退刀两部分。进退刀段圆弧曲线应保证与加工区域边界曲线、摆线轨迹切削段曲线以及回程直线段相切。本发明将几何和物理因素相结合，通过控制刀具径向切深，使得在摆线加工过程中能够保证刀具负载的平稳，生成的摆线铣轨迹能够一次完成开槽和扩槽，且刀具加工过程中浸角度始终较小，能够避免满刃切削，利于刀具散热，减小刀具磨损，实用性好。

具体的，(1)将摆线铣轨迹切削段看成是刀具沿自由曲线轮廓的走刀，使摆线轨迹能够适用于整体叶盘通道开槽这种大范围加工。

(2)摆线铣加工使刀具避免满刃切削，刀具负载较小，冷却充分，降低刀具磨损，延长刀具寿命。

(3)利用基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法优化摆线铣切削段轨迹，使摆线铣加工过程中刀具负载平稳。

(4)以直线段回程和圆弧进、退刀段作为摆线铣轨迹的非切削段，大大缩短了摆线铣轨迹的空行程，同时保证轨迹的连续性，提高加工效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例中整体叶盘加工区域规划流程图；

图2是本发明方法实施例中基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化流程图；

图3是本发明方法实施例中整体叶盘摆线铣切削段轨迹生成方法示意图；

图4是本发明方法实施例中整体叶盘摆线铣非切削段轨迹优化生成方法示意图；

图5是本发明方法实施例中完整摆线铣轨迹示意图。

具体实施方式

参照图1-5。本发明自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法具体步骤如下：

步骤一、整体叶盘通道摆线铣加工区域规划。整体叶盘曲面主要分为两部分：叶片曲面和轮毂曲面，其中叶片曲面又分为叶盆曲面和叶背曲面。叶盘通道两侧分别为叶片的叶盆、叶背曲面，底部为轮毂曲面。对于同一叶片，叶盆、叶背曲面连接部位称为叶片的前、后缘，也称为进、排气边。针对整体叶盘通道粗加工区域规划，主要分为以下三点：

(1)提取叶盆、叶背和轮毂面三个曲面，根据经验和加工参数确定需要偏置的距离，分别提取叶盆、叶背和轮毂曲面进行偏置。

(2)将叶片曲面进行裁剪，将叶盆、叶背曲面和前后缘区域分离，因整体叶盘通道加工不涉及前后缘，且缘头附近曲率较大，因此必须对叶片曲面的偏置面进行裁剪，去掉前后缘部分。

(3)裁剪曲面延伸，将裁剪后的叶片曲面的边缘沿叶片切向延伸，上边界不高于叶片沿叶盘轴向最高点，下边界不高于叶片沿叶盘轴向的最低点。

由于整体叶盘的制造大量采用难加工材料，此类材料毛坯在铣削加工过程中刀具刚性会不足，摆线铣加工虽然可以采用较大的轴向切削深度，避免传统加工方法中对同样的轴向切深进行分层加工的情况。但对于整体叶盘而言，其通道深度远远大于普通型腔的深度，因此，为减少刀具径向受力，降低刀具的负载，提高加工稳定性和加工质量，还是需要根据实际情况选择是否进行分层加工。由于轮毂面等距分层产生的加工刀具路径短，切削参数固定，粗加工效率高，若需分层，采用轮毂面等距分层方法，将轮毂面偏置面S₃等距离偏置若干层，获得轮毂面的等距偏置面S_3,j(j＝1,2,…N，N为通道加工区域分层数)，对叶盘通道进行划分，得到每层轮毂面偏置面与叶片偏置曲面的交线L_j(j＝1,2,…N，N为通道加工区域分层数)。轮毂面等距偏置的距离须根据切削参数确定，实际加工中应根据叶片设计模型和加工参数灵活设定合适的分层距离。

步骤二、整体叶盘通道摆线铣切削段轨迹规划。将切削段轨迹看作是刀具沿自由曲线轮廓的走刀轨迹，将整体叶盘摆线铣轨迹的切削段看作是自由曲线族，利用基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法，离散切削段初始轨迹曲线，计算每一个离散点处的刀具-工件包角，通过改变每一个离散点处的径向切深，使每个离散点处包角值恒定，将改变径向切深后得到的新的离散点拟合，即得到下一条轨迹曲线。依次类推，从而得到整个整体叶盘通道开槽区域的摆线铣切削段轨迹，该轨迹能够使刀具负载保持平稳。

基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法，其具体步骤如下：

(1)根据切削力建模知识，依据切削加工的实际参数选择目标径向切深，即在切削速度和轴向切深等其他参数不变的情况下，选择合适的径向切深，并由径向切深与刀具包角的关系计算优化过程中的目标包角值Φ。

(2)离散曲线，提取各个离散点处的包括曲率半径、主法矢、副法矢等在内的相关参数信息。由数学知识可得：B(s)＝T(s)×N(s)，故可以通过求离散点处副法矢的方向，从而判断该离散曲线的凹凸性质。

(3)得到曲线的凹凸性质后，由于凸曲线径向切深不可能为负值，凹曲线处刀具径向切深不会大于曲线的曲率半径，根据曲线凹凸性质不同情况下刀具浸入角度和径向切深的几何关系，计算每一个离散点处刀具包角Δφ，并判断Δφ与目标包角值Φ之间的大小关系。若Δφ＜Φ，则增大该点处的径向切深a_e；若Δφ＞Φ，则减小该点处的径向切深a_e。逐点优化，并求得优化后的新的离散点信息。

(4)重新拟合新的离散点，得到轨迹曲线。

将基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法应用到整体叶盘通道摆线铣轨迹切削段生成中去，将摆线铣切削段轨迹看作是凹曲线族。根据最大内切圆半径即加工通道最大宽度确定初始的刀位曲线C1，作为后续摆线铣轨迹优化的初始轨迹。此处初始曲线C1的选取应该尽量使曲线参数0.5处的点位于中轴线上，曲线端点位于最大内切圆切点上。利用基于优化刀具径向切深的自由曲线轮廓的的轨迹优化生成方法，提取初始曲线C1的曲率半径、主法矢、副法矢等参数，运用优化算法，在初始曲线C1的基础上生成轮廓曲线C2。再以C2的计算结果作为下一条曲线C3的计算前提，依次类推。得到的每条曲线的曲率不同，受曲线曲率影响就需要采取不同的名义径向切深，进而逐次迭代计算直至生成整个加工区域内凹曲线族，这些凹曲线即为整体叶盘通道粗加工摆线铣切削段的曲线族。

步骤三、整体叶盘通道摆线铣非切削段轨迹规划。要保证摆线轨迹的连续性，刀具在非切削段与切削段连接处必须保证平滑过渡，使刀具进刀和退刀段都走一个圆弧过渡。在相邻摆线切削段轨迹周期起始点和结束点处求边界曲线和切削段曲线的公切圆，保证与边界曲线和切削段曲线同时相切。此公切圆的圆弧即为摆线铣刀具的进刀和退刀圆弧，公切圆半径R由摆线铣切削段之间的距离的加工区域宽度共同确定。

得到前后两条切削段曲线与两侧边界曲线的公切圆圆弧C₁和C₂，根据两个公切圆圆弧，生成两个公切圆的公切线L，可知切削段轨迹CL₁，公切圆圆弧C₁和公切线L之间均为相切关系，只有一个交点，切削段轨迹CL₂，公切圆圆弧C₂和公切线L之间也均相切，各自只有一个交点，以公切圆与切削段轨迹曲线、边界曲线和公切线的的三个切点为控制点，分别得到所需的与边界曲线、摆线切削段轨迹曲线和公切线L都相切的圆弧arc₁、arc₂，将公切圆圆弧arc₁，公切线L和公切圆圆弧arc₂依次拼接起来，就是优化后的摆线铣轨迹的非切削段。

以公切线L和两个公切圆圆弧arc₁和arc₂为纽带，将两条切削段曲线CL₁、CL₂连接起来，依次将CL₁、arc₁、L、arc₂、CL₂几段曲线拼接起来，并对切削段轨迹曲线以公切圆与轨迹曲线的切点位边界进行修剪，即得到了完整的摆线铣轨迹。

利用上述摆线铣非切削段轨迹生成方法将所得到的整体叶盘摆线铣切削段轨迹曲线依次连接起来，即构成了完整的整体叶盘通道粗加工摆线铣轨迹。

Claims (1)

1.一种自由曲线边界型腔粗加工摆线铣轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、整体叶盘通道摆线铣开槽加工区域划分；提取三个曲面，根据加工参数确定需要偏置的距离，分别提取叶盆、叶背和轮毂曲面进行偏置；叶片曲面裁剪：将叶盆、叶背曲面和前后缘区域分离，去掉前后缘部分；裁剪曲面延伸：将裁剪后的叶片曲面的边缘沿叶片切向延伸，上边界不高于叶片沿叶盘轴向最高点，下边界不高于叶片沿叶盘轴向的最低点；

步骤二、整体叶盘通道粗加工摆线铣切削段轨迹规划；利用基于径向切深的自由曲线恒定负载轨迹优化方法，离散切削段初始轨迹曲线，计算每一个离散点处的刀具-工件包角，通过改变每一个离散点处的径向切深，使每个离散点处包角值恒定，将改变径向切深后得到的新的离散点拟合，即得到下一条轨迹曲线；依次类推，得到整个整体叶盘通道开槽区域的摆线铣切削段轨迹；

步骤三、整体叶盘通道粗加工摆线铣非切削段轨迹规划；将摆线铣非切削段轨迹分为直线段回程和圆弧进、退刀两部分，进、退刀段圆弧曲线与加工区域边界曲线、摆线轨迹切削段曲线以及回程直线段相切。