CN117970868A - 一种面向鼓锥形球头铣刀的叶轮五轴加工轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，属于机械加工及工具领域。所规划的对象为符合特征的鼓锥形球头铣刀加工半开式整体叶轮，对整个叶片曲面部分进行包含排除走刀空间约束及圆角干涉约束的轨迹规划；铣刀球头直径根据叶根圆角半径选择，刀位点路径根据轨迹均匀性、表面残余高度以及叶片曲面几何确定；圆角干涉通过判断铣刀球头球心与圆角的相对位置来检查，通过调整刀具侧倾角来排除；刀轴干涉通过判断刀轴与叶片的相对位置来检查，通过调整前倾角来排除；规划的刀具轨迹通过设计的APT语言按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出。本发明解决了新型鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮的应用问题，降低生产成本。

Description

一种面向鼓锥形球头铣刀的叶轮五轴加工轨迹规划方法

技技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及盖盘整体叶轮曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工，特别涉及到一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法。

背景技术

离心压缩机广泛应用于航空航天、石油化工、天然气、汽车等行业中，是一种典型的基础工业核心设备。半开式叶轮作为离心压缩机的核心部件，其加工工艺的优劣将直接影响加工效率和生产成本，一直是科研院所和企业的研究热点和竞争利器。

目前半开式叶轮多采用点铣方法加工，球头铣刀是现阶段点铣加工的主要刀具，然而，球头铣刀点铣轨迹行距一般小于0.3mm，使得刀具轨迹数量极其庞大，导致精加工时间长，加工成本高。随着离心压缩机交货周期要求越来越短，成本控制越来越严格，点铣叶片加工效率低、加工成本高的缺点越来越突出。

鼓形铣刀是一种复杂曲面五轴加工的高性能刀具，其几何轮廓与曲面密切接触，在表面残余高度相同时能够采用数倍于球头铣刀的切削行距完成复杂曲面点铣，在走刀行距相同时鼓形铣刀切出的表面粗糙度不到球头铣刀的25％，且鼓形铣刀比较容易磨制出大前角、大螺旋角，有利于降低切削力，提高表面质量。因此，研究整体叶轮鼓形铣刀加工技术，能够显著提高加工效率，降低生产成本，具有重要的实用价值。

大连理工大学的魏兆成团队在论文“整体叶轮鼓形铣刀加工技术研究”中设计了一种新型鼓锥形铣刀并应用于叶轮加工，相对于常规鼓形铣刀多了球头，加工时以鼓形与球头衔接位置附近作为刀触点进行点铣，加工时铣削行距更大，解决了现有的球头铣刀点铣加工行距小的缺陷，且相比于传统鼓形铣刀，多出的球头更有利于加工靠近叶根圆角的区域。目前，鼓形铣刀加工叶轮的轨迹规划算法研究较少，且与叶根圆角衔接区域的叶片曲面由于受到的叶片几何空间约束极为复杂，所设计的专用鼓锥形球头铣刀又有区别于传统鼓形铣刀的结构，导致现有算法并不适用于所设计的鼓锥形球头铣刀。而UG、NREC等商用CAM软件，对于鼓形铣刀的加工算法也不完善，在应用此鼓锥形球头铣刀加工叶轮时，靠近叶根处的刀具轨迹往往无法生成。因此本专利即对使用此新型鼓锥形球头铣刀加工整体叶轮进行轨迹规划。

发明内容

为了解决针现有半开式整体叶轮球头铣刀点铣加工效率不足的问题，本发明采用的技术方案是：

一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

根据铣刀切削后的残余轮廓模型配合允许的表面粗糙度来确定刀位点轨迹的行距；根据需满足使铣刀完全使用鼓锥形刃切削的条件，确定铣刀的初始倾角；沿叶轮直纹母线方向规划鼓锥形球头铣刀轨迹，保证刀具轨迹的均匀性；

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时，铣刀与叶片的干涉情况，对铣刀与叶片的干涉进行排除；

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时，铣刀与叶根圆角的干涉情况，对铣刀与叶根圆角干涉进行排除；

排除干涉后的刀具轨迹按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出，驱动机床完成盖盘整体叶轮叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工。

进一步地：分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶片的干涉情况，对干涉进行排除的过程如下：

当铣刀刀杆与相邻叶片发生干涉时，通过遍历计算相邻叶片上的点到刀轴的距离，若距离小于刀杆半径且此点与刀轴在平面D即鼓形刃与刀杆的分界平面，的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉；

当铣刀刀杆与正在加工的叶片发生干涉，通过遍历计算正在加工的叶片上的点到刀轴的距离XP，P为叶片上任一点，X为其向刀轴作垂线的垂足，设刀杆半径为R，若XP<R且此点与刀轴在平面D的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉。

进一步地：所述分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶根圆角的干涉情况，对干涉进行排除的过程如下：

当铣刀球头球心位于圆角上侧时，通过遍历计算叶根圆角上的点P到球头球心O的距离OP，设球头半径为r，若OP<r则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；

当铣刀球头球心位于圆角下侧的情况，通过遍历计算叶根圆角上边界的点E到球头球心的O距离OE，取距离最小的那一点与刀轴所在平面，再计算OE与圆角交成的弦EF的长度，F为OE与圆角的交点，若EF<OE则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉。

本发明的有益效果：本发明提出的一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，所规划的对象为符合特征的鼓锥形球头铣刀加工半开式整体叶轮，对整个叶片曲面部分进行包含排除走刀空间约束及圆角干涉约束的轨迹规划；铣刀球头直径根据叶根圆角半径选择，刀位点路径根据轨迹均匀性、表面残余高度以及叶片曲面几何确定；圆角干涉通过判断铣刀球头球心与圆角的相对位置来检查，通过调整刀具侧倾角来排除；刀轴干涉通过判断刀轴与叶片的相对位置来检查，通过调整前倾角来排除；规划的刀具轨迹通过设计的APT语言按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出；

本申请方法是对现有CAM刀具轨迹规划算法的补充和完善，解决了现有鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮的应用问题，发明可以为鼓锥形球头铣刀加工半开式整体叶轮叶片曲面规划出无干涉且与圆角完美衔接的轨迹，可以有效提高叶轮加工效率，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1盖盘整体叶轮示意图；

图2鼓锥形球头铣刀示意图；

图3铣刀倾角、刀位点轨迹示意图；

图4铣刀与相邻叶片叶片干涉示意图；

图5铣刀与正在加工叶片干涉示意图；

图6叶片干涉排除程序逻辑框图；

图7铣刀与叶根圆角干涉情况1示意图；

图8铣刀与叶根圆角干涉情况2示意图；

图9球头球心位置判断示意图；

图10圆角干涉排除程序逻辑框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的技术方案：一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，考虑到盖盘叶轮其进风口及出风口的叶片高度呈现“一高一矮”的情况，为兼顾刀位点轨迹的均匀性走刀方向为沿着母线往复进给；

刀位点轨迹的行距需要根据铣刀切削后的残余轮廓模型配合允许的表面粗糙度来确定，所述刀位点轨迹的行距指的是两条相邻刀位路径间的距离，虽然是轨迹规划里面的重要参数之一，本申请主要论述的是没有干涉的刀轴矢量。而这句话中的行距在鼓锥形铣刀五轴加工叶轮中不是难点，只需要按照传统的方法进行设置即可。在传统的轨迹规范方法中，行距的变化决定了加工材料残余的多少，直接影响加工表明粗糙度。所以，往往根据加工表明粗糙度的要求反过来设置步距的数值。本申请中行距的设计无需特别之处，按照传统方法即可。

铣刀的初始倾角需满足使铣刀完全使用鼓锥形刃切削的条件。所述初始倾角指的是本专利中刀轴矢量算法的带入初始值，这个初始没有严格的要求，因为最终的刀轴矢量在本专利算法下，都会成功避免干涉，寻找到合适的刀轴矢量。但是这个初始倾角也不是随意给出的，需要考虑鼓锥形铣刀的几何特点，就是保证用于刀具与工件接触的区域位于鼓锥形刃区域，如图2，这也是为了充分发挥这种刀具的加工效率优势。

定义侧倾角为刀轴与其在过刀触点的切平面上的投影的夹角，前倾角为刀轴在过刀触点的切平面上的投影与进给方向的夹角。

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶片的干涉情况，可能发生两种干涉，首先是铣刀刀杆与相邻叶片发生干涉，这种干涉情况需要遍历计算相邻叶片上的点到刀轴的距离，若距离小于刀杆半径且此点与刀轴在刀尖法平面的同一侧那么则判定为干涉，可通过减小前倾角来排除干涉。第二种情况是铣刀刀杆与正在加工的叶片发生干涉，这种干涉情况需要遍历计算正在加工的叶片上的点到刀轴的距离，若距离小于刀杆半径且此点与刀轴在鼓形刃与刀杆的分界平面的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉，上述两种干涉情况的排除逻辑相同，涉及点到直线的距离计算：设刀轴方程为Ax+By+C＝0,需要判断干涉的点的坐标设为Q(x₀,y₀,z₀)，那么点到刀轴距离d可依据公式(1)计算：

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶根圆角的干涉情况，可能发生两种干涉情况，首先是铣刀球头球心位于圆角曲面上侧的情况，这种情况需要遍历计算叶根圆角上的点到球头球心的距离，设距离小于球头半径则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；第二种情况是铣刀球头球心位于圆角下侧的情况，这种情况需要遍历计算叶根圆角与叶片曲面衔接线上的点到球头球心的距离，取距离最小的那一点与刀轴所在平面为计算模型所在的平面，具体计算此点与球心连线的长度及此连线所在直线与圆角交成的弦的长度，若连线长度小于弦的长度则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；以上过程涉及两点之间的距离计算：设两点的坐标分别为M(x₁,y₁,z₁)、N(x₂,y₂,z₂)，那么两点距离d可依据公式(2)计算：

排除干涉后的刀具轨迹通过设计的APT语言按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出，驱动机床完成盖盘整体叶轮叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工。

实施例

实施例条件：已知盖盘整体叶轮的CAD模型，叶轮直径600mm，已知如图2所示的鼓锥形球头铣刀球头刃半径r＝4mm，鼓形刃半径R₁＝250mm，刀刃总长度L₂＝40.3mm，刀杆半径R＝14mm，刀具长度L＝200mm，锥度角θ＝10°。具体实施方式如下：

(1)如图1所示的盖盘叶轮其进风口及出风口的叶片高度呈现“一高一矮”的情况，考虑到刀位点轨迹的均匀性走刀方向为沿着母线往复进给；刀位点轨迹的行距需要根据铣刀切削后的残余轮廓模型配合允许的表面粗糙度来确定。铣刀的初始倾角需满足使铣刀完全使用鼓锥形刃切削的条件再结合铣刀悬伸长度来确定。如图3所示即为鼓锥形球头铣刀加工盖盘叶轮叶片的示意图，其中侧倾角为刀轴与其在过刀触点的切平面上的投影的夹角，前倾角为刀轴在过刀触点的切平面上的投影与进给方向的夹角。

(2)分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶片的干涉情况，如图4所示的干涉情况是铣刀刀杆与相邻叶片发生干涉，这种干涉情况需要遍历计算相邻叶片上的点到刀轴的距离XP(P为叶片上任一点，X为其向刀轴作垂线的垂足)，若距离小于刀杆半径即XP<R且此点与刀轴在平面D(鼓形刃与刀杆的分界平面)的同一侧那么则判定为干涉，可通过减小前倾角来排除干涉。

如图5所示的干涉情况是铣刀刀杆与正在加工的叶片发生干涉，这种干涉情况需要遍历计算正在加工的叶片上的点到刀轴的距离如图5中的XP(P为叶片上任一点，X为其向刀轴作垂线的垂足)，设刀杆半径为R，若XP<R且此点与刀轴在平面D的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉，上述两种干涉情况的排除逻辑相同，具体程序逻辑结构见图6。以上过程涉及点到直线的距离计算：设刀轴方程为Ax+By+C＝0,需要判断干涉的点的坐标设为Q(x₀,y₀,z₀)，那么点到刀轴距离d可依据公式(1)计算。

(3)分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶根圆角的干涉情况，如图7所示的干涉情况是铣刀球头球心位于圆角上侧的情况，这种情况需要遍历计算叶根圆角上的点P到球头球心O的距离OP，设球头半径为r，若OP<r则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；

如图8所示的干涉情况是铣刀球头球心位于圆角下侧的情况，这种情况需要遍历计算叶根圆角上边界的点E到球头球心的O距离OE，取距离最小的那一点与刀轴所在平面为图9模型所在的平面，再计算OE与圆角交成的弦EF的长度(F为OE与圆角的交点)，若EF<OE则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；具体程序逻辑结构见图10。以上过程涉及两点之间的距离计算：设两点的坐标分别为M(x₁,y₁,z₁)、N(x₂,y₂,z₂)，那么两点距离d可依据公式(2)计算。

(4)排除干涉后的刀具轨迹通过设计的APT语言按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出，驱动机床完成盖盘整体叶轮叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工。

采用上述盖盘整体叶轮叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工方法，在最大表面残余高度为5μm时，走刀行距为1.781mm，用同半径球头铣刀点铣加工其走刀行距为0.399mm，行距提高4倍以上，加工效率极大提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

根据铣刀切削后的残余轮廓模型配合允许的表面粗糙度来确定刀位点轨迹的行距；根据需满足使铣刀完全使用鼓锥形刃切削的条件，确定铣刀的初始倾角；沿叶轮直纹母线方向规划鼓锥形球头铣刀轨迹，保证刀具轨迹的均匀性；

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时，铣刀与叶片的干涉情况，对铣刀与叶片的干涉进行排除；

分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时，铣刀与叶根圆角的干涉情况，对铣刀与叶根圆角干涉进行排除；

排除干涉后的刀具轨迹按照沿母线方向反复进给的走刀方式输出，驱动机床完成盖盘整体叶轮叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工。

2.根据权利要求1所述的一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，其特征在于：分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶片的干涉情况，对干涉进行排除的过程如下：

当铣刀刀杆与相邻叶片发生干涉时，通过遍历计算相邻叶片上的点到刀轴的距离，若距离小于刀杆半径且此点与刀轴在平面D即鼓形刃与刀杆的分界平面，的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉；

当铣刀刀杆与正在加工的叶片发生干涉，通过遍历计算正在加工的叶片上的点到刀轴的距离XP，P为叶片上任一点，X为其向刀轴作垂线的垂足，设刀杆半径为R，若XP<R且此点与刀轴在平面D的同一侧那么则判定为干涉，通过减小前倾角来排除干涉。

3.根据权利要求1所述的一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，其特征在于：所述分析鼓锥形球头铣刀加工盖盘整体叶轮叶片曲面时铣刀与叶根圆角的干涉情况，对干涉进行排除的过程如下：

当铣刀球头球心位于圆角上侧时，通过遍历计算叶根圆角上的点P到球头球心O的距离OP，设球头半径为r，若OP<r则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉；

当铣刀球头球心位于圆角下侧的情况，通过遍历计算叶根圆角上边界的点E到球头球心的O距离OE，取距离最小的那一点与刀轴所在平面，再计算OE与圆角交成的弦EF的长度，F为OE与圆角的交点，若EF<OE则判定干涉，通过增大侧倾角来排除干涉。

4.一种叶片曲面鼓锥形球头铣刀五轴加工的轨迹规划方法，其特征在于：该方法适用于鼓锥形球头铣刀加工半开式整体叶轮的轨迹规划。