CN109590559A - 一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，包括：获取闭式叶轮三维数字模型，依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线，采用等间隙法求解电极成形面和利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹，解决了因在传统加工方法中使用的多轴铣削加工是闭式整体涡轮叶盘类零件，带来的刀具可达性等一系列问题，以及电化学加工在复杂型面成形加工的极间间隙控制存在难度，本方法能够提高电极的精度及电极路径轨迹的准确性。

Description

一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及闭式整体涡轮叶盘类零件加工领域，尤其涉及一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法。
背景技术
多轴铣削加工是闭式整体涡轮叶盘类零件的传统加工方法，但半封闭、弯扭的流道结构还是给铣削加工带来了诸如刀具可达性等一系列问题。电化学加工在复杂型面成形加工中得到广泛应用,然而其极间间隙控制存在难度,限制了其在闭式整体涡轮叶盘类零件加工中的应用。多轴联动电火花加工是闭式整体涡轮叶盘类零件的有效加工方法，其原理是对充满涡轮叶盘流道的工具电极原型作尺寸缩减以获得足够的运动空间,工具电极沿着一条复杂的运动路径无干涉地进入涡轮叶盘流道后,拷贝放电加工获得叶片型面。而电火花加工精度，很大程度上取决于电极的精度及电极路径轨迹的准确性。因此电极设计及电极轨迹规划方法就显得尤为重要。由此可见，在电极尺寸尽可能饱满的前提下,如何获得一条无干涉的、优化的电极运动路径是加工的关键问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，包括：
步骤一、获取闭式叶轮三维数字模型，以双3次张量积B样条曲面分别定义叶盆曲面为A、叶背曲面为B、内轮毂面为H、外轮毂面为S、前缘曲面为L、尾缘曲面为T；上述特征曲面构成一个基本通道单元；
步骤二、依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB，使分割线AB绕零件设计中心回转则形成整个流道的分割面，利用该面把流道划分为进气口区域与排气口区域；
步骤三、采用等间隙法求解电极成形面，具体为：假设平均加工间隙δ，在流道待工型面上均匀采集型值点样值，得到型面上的型值点集Pi，nPi，则可得到对应的点集Pni＝Pi-δnPi，如果已知Pi坐标为(xi,yi,zi)，nPi＝[aPi,bPi,cPi]，则Pni的坐标值可表达为
Pni＝{xi-δaPi,yi-δbPi,zi-δcPi} (1)，
其中，nPi可为型值点集Pi的法向或某一具体矢量，以式(1)给出的型值点集Pni，在UG软件建模环境下进行曲面建模，则得到电极的理论成形面；
利用成形电极沿着一条规划的运动轨迹无干涉的进入闭式整体叶轮的流道后，尽可能多的通过电火花放电复制加工得到最多叶片型面。因此，设计电极时，不但要将流道合理分划区域，而且还要确保电极能沿着一条无干涉的运动轨迹加工。故基于电火花加工的特点，采用等间隙法求解电极形成面。
电极从流道中无干涉抽出的轨迹的反向路径即为电极运动路径。实际加工经验表明，在电极运动过程中尽量保持电极位于流道中央，可使尺寸更饱满的电极获得无干涉的运动路径。在实际加工中，提出利用共轭法的路径规划方法。
步骤四、利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹；在电极位置姿态优化前，使电极中心曲线Cei上的点qe(n-i)与流道出口截面几何中心点qbn保持重合；而后对电极位置姿态进行预优化；
首先计算流道中心曲线Cb在点qbn处的切向量以及电极中心曲线Cei在点qbn处的切向量 与可由下式计算
其中，下标b用于标识与喷嘴环相关的变量,下标e用于标识与电极相关的变量,下标i用于标识第i阶段；
通过调整电极姿态，使与在点qbn处保持重合；预优化完成后，利用UG，判断实体与电极是否发生干涉，若无干涉，则该阶段为理想的电极位置姿态，若发生干涉，则进行进一步优化即再优化步骤，包括：自电极预优化位置姿态开始,沿预优化时调整方向和相反方向,按照一定的搜索步长调整电极姿态；找到两端发生干涉的夹角分别为θr1和θr2，取中间位置作为再优化完成后与在XOY平面上投影分量之间的夹角,其中为再优化完成后电极中心曲线Cei在流道出口截面几何中心qbn处的切向量。
再优化步骤中，若依然存在电极与涡轮叶盘类零件的干涉情况，即意味着在该尺寸缩减量下的成形电极无法获得无干涉的运动路径。这时,需进一步对成形电极作尺寸缩减，并再次进行电极运动路径规划。
进一步地，包括：只对进气口处进行电火花加工。其中，由于闭式整体叶轮呈空间三维弯扭，封闭狭长，其加工的可达性较差，采用多轴数控电火花加工,仍然需要通过几个或多个电极拟合(叶片型面拟合)完成加工，因此，在数控电火花加工工艺中，闭式整体叶轮流道加工区域的合理划分就十分关键。并且，这直接影响零件加工效率、精度以及加工成本。
通常叶片弯扭严重的闭式叶轮无法从一侧完成全部加工，需从进气口和排气口两侧分别进行加工，经过分析发现，此类叶轮排气口处利于数控铣加工，故只对进气口处进行电火花加工，提高加工精度，减少制造电极周期。
进一步地，所述制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB中的A点为水平偏移的轮盘型面曲线与竖直偏移的轮盘曲线相交点，在此处二者到原轮盘型面曲线的法向距离相等；B点为水平偏移的轮盖曲线与竖直偏移的轮盖曲线相交点，在此处二者到原轮盖型面曲线的法向距离相等。
进一步地，偏移矢量nPi的选取方法为结合型面曲率变化及其弯扭程度以及结合电火花摇动方式进行选取。
综上所述，本发明提出了一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，包括：获取闭式叶轮三维数字模型，依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线，采用等间隙法求解电极成形面和利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹，解决了因在传统加工方法中使用的多轴铣削加工是闭式整体涡轮叶盘类零件，带来的刀具可达性等一系列问题，以及电化学加工在复杂型面成形加工的极间间隙控制存在难度，本方法能够提高电极的精度及电极路径轨迹的准确性。
本发明的有益效果：解决了因在传统加工方法中使用的多轴铣削加工是闭式整体涡轮叶盘类零件，带来的刀具可达性等一系列问题，以及电化学加工在复杂型面成形加工的极间间隙控制存在难度，本方法能够提高电极的精度及电极路径轨迹的准确性。且提高了加工精度，减少了制造电极周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法实施例流程图；
图2为本发明提供的喷嘴环简易模型示意图；
图3为本发明提供的子午流道分区示意图；
图4为本发明提供的分区电极示意图；
图5为本发明提供的共轭法运动路径规划图。
具体实施方式
本发明给出了一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明中技术方案作进一步详细的说明：
本发明采用如下方法来实现：一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法如图1所示，步骤一S101、获取闭式叶轮三维数字模型，以双3次张量积B样条曲面分别定义叶盆曲面为A、叶背曲面为B、内轮毂面为H、外轮毂面为S、前缘曲面为L、尾缘曲面为T；上述特征曲面构成一个基本通道单元；
步骤二S102、依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB，使分割线AB绕零件设计中心回转则形成整个流道的分割面，利用该面把流道划分为进气口区域与排气口区域；
步骤三S103、采用等间隙法求解电极成形面，具体为：假设平均加工间隙δ，在流道待工型面上均匀采集型值点样值，得到型面上的型值点集Pi，nPi，则可得到对应的点集Pni＝Pi-δnPi，如果已知Pi坐标为(xi,yi,zi)，nPi＝[aPi,bPi,cPi]，则Pni的坐标值可表达为
Pni＝{xi-δaPi,yi-δbPi,zi-δcPi} (1)，
其中，nPi可为型值点集Pi的法向或某一具体矢量，以式(1)给出的型值点集Pni，在UG软件建模环境下进行曲面建模，则得到电极的理论成形面；
步骤四S104、利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹；在电极位置姿态优化前，使电极中心曲线Cei上的点qe(n-i)与流道出口截面几何中心点qbn保持重合；而后对电极位置姿态进行预优化；
首先计算流道中心曲线Cb在点qbn处的切向量以及电极中心曲线Cei在点qbn处的切向量 与可由下式计算
其中，下标b用于标识与喷嘴环相关的变量,下标e用于标识与电极相关的变量,下标i用于标识第i阶段；
通过调整电极姿态，使与在点qbn处保持重合；预优化完成后，利用UG，判断实体与电极是否发生干涉，若无干涉，则该阶段为理想的电极位置姿态，若发生干涉，则进行进一步优化即再优化步骤，包括：自电极预优化位置姿态开始,沿预优化时调整方向和相反方向,按照一定的搜索步长调整电极姿态；找到两端发生干涉的夹角分别为θr1和θr2，取中间位置作为再优化完成后与在XOY平面上投影分量之间的夹角,其中为再优化完成后电极中心曲线Cei在流道出口截面几何中心qbn处的切向量。
优选地，包括：只对进气口处进行电火花加工。
优选地，所述制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB中的A点为水平偏移的轮盘型面曲线与竖直偏移的轮盘曲线相交点，在此处二者到原轮盘型面曲线的法向距离相等；B点为水平偏移的轮盖曲线与竖直偏移的轮盖曲线相交点，在此处二者到原轮盖型面曲线的法向距离相等。
优选地，偏移矢量nPi的选取方法为结合型面曲率变化及其弯扭程度以及结合电火花摇动方式进行选取。
综上所述，本发明提出了一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，包括：获取闭式叶轮三维数字模型，依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线，采用等间隙法求解电极成形面和利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹，解决了因在传统加工方法中使用的多轴铣削加工是闭式整体涡轮叶盘类零件，带来的刀具可达性等一系列问题，以及电化学加工在复杂型面成形加工的极间间隙控制存在难度，本方法能够提高电极的精度及电极路径轨迹的准确性。
以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取闭式叶轮三维数字模型，以双3次张量积B样条曲面分别定义叶盆曲面为A、叶背曲面为B、内轮毂面为H、外轮毂面为S、前缘曲面为L、尾缘曲面为T；上述特征曲面构成一个基本通道单元；
步骤二、依据三维模型分割加工区域，制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB，使分割线AB绕零件设计中心回转则形成整个流道的分割面，利用该面把流道划分为进气口区域与排气口区域；
步骤三、采用等间隙法求解电极成形面，具体为：假设平均加工间隙δ，在流道待工型面上均匀采集型值点样值，得到型面上的型值点集Pi，nPi，则可得到对应的点集Pni＝Pi-δnPi，如果已知Pi坐标为(xi,yi,zi)，nPi＝[aPi,bPi,cPi]，则Pni的坐标值可表达为
Pni＝{xi-δaPi,yi-δbPi,zi-δcPi} (1)，
其中，nPi可为型值点集Pi的法向或某一具体矢量，以式(1)给出的型值点集Pni，在UG软件建模环境下进行曲面建模，则得到电极的理论成形面；
步骤四、利用共轭法的路径规划方法设计电极轨迹；在电极位置姿态优化前，使电极中心曲线Cei上的点qe(n-i)与流道出口截面几何中心点qbn保持重合；而后对电极位置姿态进行预优化；
首先计算流道中心曲线Cb在点qbn处的切向量以及电极中心曲线Cei在点qbn处的切向量与可由下式计算
其中，下标b用于标识与喷嘴环相关的变量,下标e用于标识与电极相关的变量,下标i用于标识第i阶段；
通过调整电极姿态，使与在点qbn处保持重合；预优化完成后，利用UG，判断实体与电极是否发生干涉，若无干涉，则该阶段为理想的电极位置姿态，若发生干涉，则进行进一步优化即再优化步骤，包括：自电极预优化位置姿态开始,沿预优化时调整方向和相反方向,按照一定的搜索步长调整电极姿态；找到两端发生干涉的夹角分别为θr1和θr2，取中间位置作为再优化完成后与在XOY平面上投影分量之间的夹角,其中为再优化完成后电极中心曲线Cei在流道出口截面几何中心qbn处的切向量。
2.如权利要求1所述的一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，其特征在于，包括：只对进气口处进行电火花加工。
3.如权利要求1所述的一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，其特征在于，所述制定子午流道进气口区域与排气口区域的分割线AB中的A点为水平偏移的轮盘型面曲线与竖直偏移的轮盘曲线相交点，在此处二者到原轮盘型面曲线的法向距离相等；B点为水平偏移的轮盖曲线与竖直偏移的轮盖曲线相交点，在此处二者到原轮盖型面曲线的法向距离相等。
4.如权利要求1所述的一种五轴电火花加工闭式叶轮轨迹规划方法，其特征在于，偏移矢量nPi的选取方法为结合型面曲率变化及其弯扭程度以及结合电火花摇动方式进行选取。
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