CN110695422B - 一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，将被广泛应用在闭式整体叶盘型腔粗铣加工过程中，可明显提高加工效率，提高刀具寿命。本发明被广泛应用在铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金闭式整体叶盘中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶盘叶片成型的关键技术，在提高闭式整体叶盘加工效率和延长刀具寿命方面有显著效果，并且产生了巨大的经济效益。
Description
技术领域
本申请涉及数控铣削加工制造技术领域，具体涉及一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法。
背景技术
本发明属于航空发动机闭式整体叶盘数控铣削加工制造技术，涉及一种闭式整体叶盘型腔固定轴姿态的铣削加工方法。
闭式整体叶盘是决定航空发动机整机质量的关键重要零件之一，已经逐步从最初的榫槽连接式叶盘发展到现在整体式结构。闭式整体叶盘是现代高推重比航空发动机采用的新结构，由于其具有结构复杂、开敞性差、叶片薄、加工变形控制难等工艺特征，进而加工难度大、加工效率低下，且材料多为钛合金、高温合金等难切削材料，这就给制造技术提出了挑战。
现有技术闭式整体叶盘型腔开粗采用五轴联动加工的方法，工艺系统刚度差、刀具寿命短、难以大幅度提高加工效率。因此，需要探索高效的新型工艺方法来解决上述问题。
发明内容
为了解决闭式整体叶盘型腔五轴粗加工中工艺系统刚度差、刀具寿命短、难以大幅度提高加工效率的问题，本发明提出一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，实现闭式整体叶盘型腔高效的固定轴铣削加工。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，包括以下步骤：
(1)确定型腔固定轴铣削边界，
(1.1)根据指定的固定轴方向确定型腔区域长度方向上的极值点及中间分层面，
(1.2)在每个中间分层面上确定型腔四个边界侧的边界刀路曲线；
(2)刀路规划，
(2.1)在每个中间分层面上，根据已得到的边界刀路曲线，定义待加工区域为广义长方形，将广义长方形两边所在的方向根据其相对长度分别定义为主方向、副方向，将对长度较大的定义为主方向，另一个方向定义为副方向，主方向刀路是主要切削方向刀路，副方向主要是连接切削刀路，通过区分主、副方向，使得在满足精度要求均匀切宽的情况下每层总走到路径长度最短，
(2.2)对于每个中间分层面，根据所得的边界刀路曲线及中间刀路曲线，规划每一层刀路；
(2.3)每个分层面上的刀路是连续切削的，在两个分层面之间建立过渡连接刀路。
优选地，在步骤(1)中，定义型腔待加工区域的广义长方体从叶片前缘到叶片后缘的方向为长度方向，对应两个边界曲面定义为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；从围带到轮毂方向为深度方向，对应两个边界曲面定义为围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面；在一个流道内，绕叶盘旋转轴正向转动从流道的一侧到对侧为宽度方向，对应两个边界曲面定义为左侧边界曲面、右侧边界曲面，前缘最高点所对应的曲线定义为前缘极曲线，后缘最低点所在的曲线定义为后缘极曲线；指定型腔的围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面、左侧边界曲面及右侧边界曲面的法向均指向型腔内部；定义四个边界曲面上的离散点云沿其各点法向偏置后的点云为偏置点云，偏置距离为加工余量。
优选地，步骤(1.1)包括，
(1.1.1)根据型腔左侧的边界曲面，可分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.2)根据型腔右侧边界曲面，可再次分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.3)将四条极曲线按照误差等参数离散为相同的点数使满足精度要求；
(1.1.4)根据固定轴方向，搜索两条前缘极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到前缘极值点；
(1.1.5)搜索后缘两条极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到后缘极值点，设定前缘极值点、后缘极值点对应的长度参数分别为0、1；
(1.1.6)根据设定的层距及长度方向上分块范围，在前缘极值点和后缘极值点之间均匀得到长度方向的参数，根据所得的长度方向参数，依次对每个长度参数处，在两个极值点之间线性插值得到中间点，并作过中间点且以固定轴方向为法向的平面，该平面为分层面。
优选地，步骤(1.2)包括，
(1.2.1)根据进刀方向，筛选出每个边界侧的偏置点云位于分层面进刀方向一侧的点云，将筛选所得点云向中间分层面投影，分别得到位于分层面上的轮毂侧边界投影点云、围带侧边界投影点云、左侧边界投影点云和右侧边界投影点云；
(1.2.2)根据任意一侧的边界投影点云，采用滚圆法提取边界，指定圆盘半径，在分层面上边界的型腔内部一侧放置圆盘，从边界投影点云的一端滚动至另一端，保留点云中与圆盘接触的点同时删除未接触的点，得到边界点序；拟合边界点序得到边界曲线；
(1.2.3)将边界曲线向型腔内部一侧偏置刀具半径的距离，得到刀心刀路曲线，即边界刀路曲线；
(1.2.4)逐次对每个边界投影点云提取边界，得到四个边界侧的边界刀路曲线。滚圆法圆盘半径的大小将影响边界刀路曲线的光顺性，圆盘半径越大，得到的边界越接近直线，加工残留越大；圆盘半径越小得到的边界越接近实际边界，边界曲线越不光滑，加工残留越小。
优选地，在步骤(2.1)中，主、副方向刀路分别由所对应的边界刀路曲线插值得到，离散主方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到主方向中间刀路曲线，离散副方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到副方向的中间刀路曲线。
优选地，在步骤(2.2)中，设计刀路类型为回字形刀路，从边界处某一起点出发分别沿两个方向上连续走刀切削，并逐圈向内缩小，缩小步长满足切宽的精度要求。
优选地，在步骤(2.2)中，连接刀路包括上一层的退刀刀路和下一层的进刀刀路。
本申请的一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，将被广泛应用在闭式整体叶盘型腔粗铣加工过程中，可明显提高加工效率，提高刀具寿命。本发明被广泛应用在铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金闭式整体叶盘中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶盘叶片成型的关键技术，在提高闭式整体叶盘加工效率和延长刀具寿命方面有显著效果，并且产生了巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明闭式整体叶盘型腔区域示意图；
图2为本发明闭式整体叶盘型腔左、右侧边界离曲面散偏置点云示意图；
图3为本发明位于中间分层面上的边界投影点云示意图；
图4为本发明分层面上滚圆法边界提取示意图；
图5为本发明分层面上的投影点云边界及刀心刀路曲线示意图；
图6为本发明分层面上边界刀路曲线及中间刀路示意图；
图7为本发明分层面上的刀路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施，但所举实施例不作为对本申请的限定。
本申请提供了一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，包括以下步骤：
(1)确定型腔固定轴铣削边界，定义型腔待加工区域的广义长方体从叶片前缘到叶片后缘的方向为长度方向，对应两个边界曲面定义为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；从围带到轮毂方向为深度方向，对应两个边界曲面定义为围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面；在一个流道内，绕叶盘旋转轴正向转动从流道的一侧到对侧为宽度方向，对应两个边界曲面定义为左侧边界曲面、右侧边界曲面，前缘最高点所对应的曲线定义为前缘极曲线，后缘最低点所在的曲线定义为后缘极曲线；指定型腔的围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面、左侧边界曲面及右侧边界曲面的法向均指向型腔内部；定义四个边界曲面上的离散点云沿其各点法向偏置后的点云为偏置点云，偏置距离为加工余量。
(1.1)根据指定的固定轴方向确定型腔区域长度方向上的极值点及中间分层面，
(1.1.1)根据型腔左侧的边界曲面，可分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.2)根据型腔右侧边界曲面，可再次分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.3)将四条极曲线按照误差等参数离散为相同的点数使满足精度要求；
(1.1.4)根据固定轴方向，搜索两条前缘极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到前缘极值点；
(1.1.5)搜索后缘两条极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到后缘极值点，设定前缘极值点、后缘极值点对应的长度参数分别为0、1；
(1.1.6)根据设定的层距及长度方向上分块范围，在前缘极值点和后缘极值点之间均匀得到长度方向的参数，根据所得的长度方向参数，依次对每个长度参数处，在两个极值点之间线性插值得到中间点，并作过中间点且以固定轴方向为法向的平面，该平面为分层面。
(1.2)在每个中间分层面上确定型腔四个边界侧的边界刀路曲线，
(1.2.1)根据进刀方向，筛选出每个边界侧的偏置点云位于分层面进刀方向一侧的点云，将筛选所得点云向中间分层面投影，分别得到位于分层面上的轮毂侧边界投影点云、围带侧边界投影点云、左侧边界投影点云和右侧边界投影点云；
(1.2.2)根据任意一侧的边界投影点云，采用滚圆法提取边界，指定圆盘半径，在分层面上边界的型腔内部一侧放置圆盘，从边界投影点云的一端滚动至另一端，保留点云中与圆盘接触的点同时删除未接触的点，得到边界点序；拟合边界点序得到边界曲线；
(1.2.3)将边界曲线向型腔内部一侧偏置刀具半径的距离，得到刀心刀路曲线，即边界刀路曲线；
(1.2.4)逐次对每个边界投影点云提取边界，得到四个边界侧的边界刀路曲线。滚圆法圆盘半径的大小将影响边界刀路曲线的光顺性，圆盘半径越大，得到的边界越接近直线，加工残留越大；圆盘半径越小得到的边界越接近实际边界，边界曲线越不光滑，加工残留越小。
(2)刀路规划，
(2.1)在每个中间分层面上，根据已得到的边界刀路曲线，定义待加工区域为广义长方形，将广义长方形两边所在的方向根据其相对长度分别定义为主方向、副方向，将对长度较大的定义为主方向，另一个方向定义为副方向，主方向刀路是主要切削方向刀路，副方向主要是连接切削刀路，通过区分主、副方向，使得在满足精度要求均匀切宽的情况下每层总走到路径长度最短，主、副方向刀路分别由所对应的边界刀路曲线插值得到，离散主方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到主方向中间刀路曲线，离散副方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到副方向的中间刀路曲线。
(2.2)对于每个中间分层面，根据所得的边界刀路曲线及中间刀路曲线，规划每一层刀路，设计刀路类型为回字形刀路，从边界处某一起点出发分别沿两个方向上连续走刀切削，并逐圈向内缩小，缩小步长满足切宽的精度要求。
(2.3)每个分层面上的刀路是连续切削的，在两个分层面之间建立过渡连接刀路，连接刀路包括上一层的退刀刀路和下一层的进刀刀路。
本申请的闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工过程的具体操作步骤为：
1.设置主叶片、左右相邻叶片、围带、轮毂的加工余量和在前后缘位置的扩展量；
2.设置加工的起始位置(前缘侧或者后缘侧)和铣削的型腔类型(左型腔或者右型腔)；
3.设置型腔的加工区域、径向分层数及切宽；
4.设置固定轴加工方法；
5.设置刀具的具体尺寸。
本申请的一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，将被广泛应用在闭式整体叶盘型腔粗铣加工过程中，可明显提高加工效率，提高刀具寿命。本发明被广泛应用在铝合金、不锈钢、钛合金和高温合金闭式整体叶盘中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶盘叶片成型的关键技术，在提高闭式整体叶盘加工效率和延长刀具寿命方面有显著效果，并且产生了巨大的经济效益。
以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。
Claims (5)
1.一种闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)确定型腔固定轴铣削边界，
(1.1)根据指定的固定轴方向确定型腔区域长度方向上的极值点及中间分层面，
(1.2)在每个中间分层面上确定型腔四个边界侧的边界刀路曲线；
(2)刀路规划，
(2.1)在每个中间分层面上，根据已得到的边界刀路曲线，定义待加工区域为广义长方形，将广义长方形两边所在的方向根据其相对长度分别定义为主方向、副方向，将对长度较大的定义为主方向，另一个方向定义为副方向，主方向刀路是主要切削方向刀路，副方向主要是连接切削刀路，
(2.2)对于每个中间分层面，根据所得的边界刀路曲线及中间刀路曲线，规划每一层刀路；
(2.3)每个分层面上的刀路是连续切削的，在两个分层面之间建立过渡连接刀路，
在步骤(1)中，定义型腔待加工区域的广义长方体从叶片前缘到叶片后缘的方向为长度方向，对应两个边界曲面定义为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；从围带到轮毂方向为深度方向，对应两个边界曲面定义为围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面；在一个流道内，绕叶盘旋转轴正向转动从流道的一侧到对侧为宽度方向，对应两个边界曲面定义为左侧边界曲面、右侧边界曲面，前缘最高点所对应的曲线定义为前缘极曲线，后缘最低点所在的曲线定义为后缘极曲线；指定型腔的围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面、左侧边界曲面及右侧边界曲面的法向均指向型腔内部；定义四个边界曲面上的离散点云沿其各点法向偏置后的点云为偏置点云，偏置距离为加工余量,
步骤(1.1)包括，
(1.1.1)根据型腔左侧的边界曲面，可分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.2)根据型腔右侧边界曲面，可再次分别得到前缘极曲线、后缘极曲线；
(1.1.3)将四条极曲线按照误差等参数离散为相同的点数使满足精度要求；
(1.1.4)根据固定轴方向，搜索两条前缘极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到前缘极值点；
(1.1.5)搜索后缘两条极曲线离散点中沿固定轴方向距离型腔最远的点，得到后缘极值点，设定前缘极值点、后缘极值点对应的长度参数分别为0、1；
(1.1.6)根据设定的层距及长度方向上分块范围，在前缘极值点和后缘极值点之间均匀得到长度方向的参数，根据所得的长度方向参数，依次对每个长度参数处，在两个极值点之间线性插值得到中间点，并作过中间点且以固定轴方向为法向的平面，该平面为分层面。
2.如权利要求1所述的闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，其特征在于，步骤(1.2)包括，
(1.2.1)根据进刀方向，筛选出每个边界侧的偏置点云位于分层面进刀方向一侧的点云，将筛选所得点云向中间分层面投影，分别得到位于分层面上的轮毂侧边界投影点云、围带侧边界投影点云、左侧边界投影点云和右侧边界投影点云；
(1.2.2)根据任意一侧的边界投影点云，采用滚圆法提取边界，指定圆盘半径，在分层面上边界的型腔内部一侧放置圆盘，从边界投影点云的一端滚动至另一端，保留点云中与圆盘接触的点同时删除未接触的点，得到边界点序；拟合边界点序得到边界曲线；
(1.2.3)将边界曲线向型腔内部一侧偏置刀具半径的距离，得到刀心刀路曲线，即边界刀路曲线；
(1.2.4)逐次对每个边界投影点云提取边界，得到四个边界侧的边界刀路曲线。
3.如权利要求1所述的闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，其特征在于，在步骤(2.1)中，主、副方向刀路分别由所对应的边界刀路曲线插值得到，离散主方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到主方向中间刀路曲线，离散副方向的两条边界刀路曲线并线性插值得到副方向的中间刀路曲线。
4.如权利要求1所述的闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，其特征在于，在步骤(2.2)中，设计刀路类型为回字形刀路，从边界处某一起点出发分别沿两个方向上连续走刀切削，并逐圈向内缩小。
5.如权利要求1所述的闭式整体叶盘型腔固定轴铣削加工方法，其特征在于，在步骤(2.2)中，连接刀路包括上一层的退刀刀路和下一层的进刀刀路。
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