CN111008445B - 一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法，所述的方法可以帮助工艺人员节省手动指定刀轴的步骤，快速完成数控程序的编制，且减少因手动指定的刀轴欠佳而带来的残留量过大、加工时间长等问题出现的可能性。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环中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶环加工中的关键技术，在缩短闭式整体叶环编程耗时、提高加工效率方面效果显著，并且产生了较大的经济效益。
Description
技术领域
本申请涉及数控铣削加工制造技术领域，一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法。
背景技术
叶盘类零件是航空航天发动机的核心部件，这类零件结构发展的趋势是采用带叶冠的闭式整体结构。采用闭式整体叶环后，发动机的气动性能和工作可靠性得到明显提高。然而，闭式整体叶环的流道狭窄并呈半封闭状态，叶盘的材料多为钛合金、高温合金等难切削材料，这就给制造技术提出了挑战。
目前，国内外广泛采用多轴数控铣削加工。闭式整体叶环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，因此在粗加工开槽时常采用固定轴铣削的方法来增大切深进而提高开槽效率。而固定轴铣削时首先确定的就是固定刀轴的方向，固定轴的方向将会影响加工区域以及切削残留，进而会影响整体的加工效率。
目前尚无关于启动确定固定刀轴方向的高效便捷的方法，通常需要工艺人员根据个人经验手动指定固定刀轴方向，手动指定固定刀轴的方式不仅生产效率低且难以达到最佳固定刀轴。
为解决手动指定固定刀轴时生产效率低且难以获得最佳固定刀轴的问题，本发明提出一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削最佳刀轴确定方法，通过确定型腔待加工区域、待加工内部区域均匀填充离散点并求填充离散点集的分布方向，最终实现自动推荐用于固定轴铣削最佳刀轴方向。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法。
为了解决上述技术问题，本申请提供了闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法，所述的方法包括以下步骤，
(1)确定型腔待加工区域；
(2)在型腔待加工区域内部填充离散点；
(3)根据填充离散点确定最佳固定刀轴方向。
优选地，步骤(1)中，定义型腔待加工区域为广义长方体，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，
所述的前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面、围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面、左侧边界曲面、右侧边界曲面构成一型腔待加工区域，
确定型腔待加工区域的步骤如下：
a.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；两条极曲线绕整体叶环的旋转轴旋转得到的回转面分别为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；
b.分别求以下边界曲面的交线：左侧与轮毂侧、左侧与围带侧、右侧与轮毂侧、右侧与围带侧、前缘侧与轮毂侧、前缘侧与围带侧、后缘侧与轮毂侧、后缘侧与围带侧、左侧与前缘侧、左侧与后缘侧、右侧与前缘侧以及右侧与后缘侧，共12条交线；
c.由上一步12条交线及对应边界曲面确定的广义长方体为型腔加工区域。
优选地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
a.求广义长方体的轴向包围盒AABB，确定型腔待加工区域在各个轴向上的范围[Xmin,Xmax]、[Ymin,Ymax]、[Zmin,Zmax]；
b.确定所述离散点在坐标轴方向上的间隔距离d；
c.在包围盒AABB沿轴向间隔所述间隔距离d均匀分布空间点，得到点集P；
d.删除点集P中位于广义长方体外部的点，保留位于广义长方体内部的点，得到新的空间点集Q，完成在型腔待加工区域内部填充离散点。
优选地，所述的步骤(3)具体为，
a.求离散点集Q的方向包围盒OBB；
b.由方向包围盒OBB可得到三个相互正交的空间方向n1,n2,n3，分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向。
优选地，所述的步骤(3)具体为，
a.根据主成分分析法,求离散点集Q的的三个主方向n1,n2,n3；
b.分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向。
本申请的闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法可以帮助工艺人员节省手动指定刀轴的步骤，快速完成数控程序的编制，且减少因手动指定的刀轴欠佳而带来的残留量过大、加工时间长等问题出现的可能性。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环中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶环加工中的关键技术，在缩短闭式整体叶环编程耗时、提高加工效率方面效果显著，并且产生了较大的经济效益。
附图说明
图1为本发明闭式整体叶环模型示意图；
图2为本发明闭式整体叶环型腔待加工区域-广义长方体示意图；
图3为本发明闭式整体叶环型腔区域轴向包围盒AABB示意图；
图4为本发明轴向包围盒AABB内均匀分布离散点示意图；
图5为本发明删除位于型腔待加工区域外部的离散点后的点分布示意图；
图6为本发明位于型腔待加工区域内部的离散点的方向包围盒OBB示意图；
图7为本发明根据方向包围盒OBB所确定的最佳固定刀轴方向示意图。
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。
如图1-7所示为一种闭式整体叶环型腔固定轴铣削的最佳刀轴确定方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)确定型腔待加工区域，
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。因此，一个完整的型腔区域由前前后缘侧边界曲面、围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面以及左右侧边界曲面，即完整的待加工区域。
(1)确定型腔待加工区域的步骤如下：
a.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；两条极曲线绕整体叶环的旋转轴旋转得到的回转面分别为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；
b.分别求以下边界曲面的交线：左侧与轮毂侧、左侧与围带侧、右侧与轮毂侧、右侧与围带侧、前缘侧与轮毂侧、前缘侧与围带侧、后缘侧与轮毂侧、后缘侧与围带侧、左侧与前缘侧、左侧与后缘侧、右侧与前缘侧以及右侧与后缘侧，共12条交线；
c.由上一步12条交线及对应边界曲面确定的广义长方体即型腔加工区域。
(2)在型腔待加工区域内部填充离散点，
在型腔待加工区域内部填充离散点，目的在于通过离散点来近似表达待加工区域空间位置及几何形态。其关键在于在型腔待加工区域内部均匀填充离散点，可以采用但不局限于以下所述方法，在型腔待加工区域内部填充离散点包括以下步骤：
a.求广义长方体的轴向包围盒AABB，确定型腔待加工区域在各个轴向上的范围[Xmin,Xmax]、[Ymin,Ymax]、[Zmin,Zmax]；
b.确定所述离散点在坐标轴方向上的间隔距离d，根据求解的精度d可取不同的值，如d＝0.1mm；
c.在包围盒AABB沿轴向间隔所述间隔距离d均匀分布空间点，得到点集P(P1,P2,…,Pn)；
d.删除点集P中位于广义长方体外部的点，保留位于广义长方体内部的点，得到新的空间点集Q(Q1,Q2,…,Qm)，完成在型腔待加工区域内部填充离散点。
(3)根据填充离散点确定最佳固定刀轴方向，
该步骤通过对离散点集的分析与处理，确定离散点集的分布方向，进而确定用于型腔待加工区域的最佳刀轴方向。其关键在于对离散点集的分析与处理，并最终得到离散点集的分布方向矢量，可以采用但不局限于以下所述方法，
确定型腔待加工区域的最佳刀轴步骤如下：
a.求离散点集Q的方向包围盒OBB；
b.由方向包围盒OBB可得到三个相互正交的空间方向n1,n2,n3，分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向。
或，确定型腔待加工区域的最佳刀轴步骤如下：
a.根据主成分分析法(PCA)，求离散点集Q的的三个主方向n1,n2,n3；
b.分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向。
在一种闭式整体叶环型腔固定轴开粗的铣削工艺方法中，采用的刀具为硬质合金直柄牛鼻铣刀，其具体加工方法为在叶片长度方向(即叶片前缘到后缘方向)进行分层加工，每层采用从内到外“回字形“的方式进行加工，进刀方式为斜线进刀，并采用上述方法自动确定最佳固定刀轴方向。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。
本申请的闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法可以帮助工艺人员节省手动指定刀轴的步骤，快速完成数控程序的编制，且减少因手动指定的刀轴欠佳而带来的残留量过大、加工时间长等问题出现的可能性。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环中，实践证明该项技术是航空发动机整体叶环加工中的关键技术，在缩短闭式整体叶环编程耗时、提高加工效率方面效果显著，并且产生了较大的经济效益。
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 (1)
1.闭式整体叶环型腔固定轴铣削的刀轴确定方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤，
(1)确定型腔待加工区域；
(2)在型腔待加工区域内部填充离散点；
(3)根据填充离散点确定最佳固定刀轴方向；
步骤(1)包括，定义型腔待加工区域为广义长方体，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，
所述的前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面、围带侧边界曲面、轮毂侧边界曲面、左侧边界曲面、右侧边界曲面构成一型腔待加工区域，
确定型腔待加工区域的步骤如下：
a.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；两条极曲线绕整体叶环的旋转轴旋转得到的回转面分别为前缘侧边界曲面、后缘侧边界曲面；
b.分别求以下边界曲面的交线：左侧与轮毂侧、左侧与围带侧、右侧与轮毂侧、右侧与围带侧、前缘侧与轮毂侧、前缘侧与围带侧、后缘侧与轮毂侧、后缘侧与围带侧、左侧与前缘侧、左侧与后缘侧、右侧与前缘侧以及右侧与后缘侧，共12条交线；
c.由上一步12条交线及对应边界曲面确定的广义长方体为型腔加工区域；
步骤(2)包括，
a.求广义长方体的轴向包围盒AABB，确定型腔待加工区域在各个轴向上的范围[Xmin,Xmax]、[Ymin,Ymax]、[Zmin,Zmax]；
b.确定所述离散点在坐标轴方向上的间隔距离d；
c.在包围盒AABB沿轴向间隔所述间隔距离d均匀分布空间点，得到点集P；
d.删除点集P中位于广义长方体外部的点，保留位于广义长方体内部的点，得到新的空间点集Q，完成在型腔待加工区域内部填充离散点；
步骤(3)包括，
a.求离散点集Q的方向包围盒OBB；
b.由方向包围盒OBB可得到三个相互正交的空间方向n1,n2,n3，分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向；
或者，步骤(3)包括，
a.根据主成分分析法,求离散点集Q的的三个主方向n1,n2,n3；
b.分别求三个方向与整体叶环旋转轴的夹角α1,α2,α3，找到最小夹角所对应的方向，作为最佳刀轴的方向。
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| CN103056625A (zh) * | 2012-12-29 | 2013-04-24 | 中国人民解放军总参谋部第六十研究所 | 基于ug nx系统平台整体叶轮的五轴加工方法 |
| CN107491034A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-19 | 华中科技大学 | 一种基于协变场泛函的刀轴矢量优化方法 |
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