一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤一、建立模型；步骤二、刀具选型；步骤三、分割加工区域；步骤四、重构叶型曲面；步骤五、计算刀心点；步骤六、计算刀轴矢量；步骤七、后置处理；本发明专利技术方法进行闭式叶轮的叶片精加工刀具轨迹规划，使精加工得到的刀痕沿流线方向，提高产品工作效率；另外采用小角度五轴插铣，大幅减少了刀具受径向分力导致的刀具变形，提高了叶片加工精度；可以使两端进刀加工产生的接刀痕更小。

【技术实现步骤摘要】
一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法
本专利技术涉及机械制造
，具体涉及一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法。
技术介绍
闭式叶轮被广泛应用于航空航天发动机压气机、涡轮、涡轮泵等部件中，传统工艺为焊接或铸造结构，随着技术的发展，越来越多的闭式叶轮才用整体数控加工技术，该项技术成为了航空航天天发动机制造中的关键技术，其中精加工刀具轨迹规划是其技术核心。航空行太难发动机中闭式叶轮材料通常为高温合金、钛合金或不锈钢等难加工材料，叶片曲面为直纹面或自由曲面，加工精度要求高，通常采用的方法为定轴铣加钳工抛修、单个曲面的五轴铣、将通道视为异形管道的五轴螺旋铣或等高铣。上述方法分别存在以下问题：加工效率低下、表面质量差；加工精度低、接刀痕高度过大；刀痕垂直于流线方向，降低了产品性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，能够使得刀痕沿气流方向，提高表面质量和加工精度，降低中部接刀痕高度。实现本专利技术的技术方案如下：一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤一、建立模型；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、刀具选型；分析最小容刀间隙，确定刀具几何尺寸，开敞性好的结构选用锥度球头铣刀或直柄球头铣刀，开敞性差的结构选用棒棒糖铣刀；步骤三、分割加工区域；在通道单元中部设定初始分界面，以分割进气边和出气边分别进刀加工的加工范围；步骤四、重构叶型曲面；步骤五、计算刀心点；根据闭式叶轮产品表面粗糙度要求，按照等参数法分别计算叶盆曲面A、叶背曲面B、内轮毂面H、外轮毂面S、前缘曲面L、尾缘曲面T上的一组u向参数线p(u)，相邻参数线之间的距离即为切削行距，利用德布尔算法的递推公式得出等参数点qi,j即为刀具切触点；切触点沿曲面法矢偏置刀具半精R即得到了刀心点Oi,j；步骤六、计算刀轴矢量；按如下公式计算每个切触点处的一阶导矢：其中，为参数点处的一阶导矢，为控制定点，Nj,2(u)为基函数；在与曲面法矢构成的平面Ω内，每个刀心点处旋转角度θ∈[5°,10°]的得到初始刀轴矢量；特征曲面沿每一个点的法矢正向移动一个刀具半径距离R，得到该曲面的等距面：ρ(u,v)＝p(u,v)+R·n；通过刀轴与曲面ρ(u,v)求交迭代运算进行刀具干涉检查，若存在交点ρ(u0,v0)，则Oi,j、与ρ(u0,v0)构成的平面Ω’内绕Oi,j旋转角度α，并代回求交迭代中，重复此过程直到确定一个旋转角度α0，使得刀轴与等距面ρ(u,v)不相交；获得所有刀轴矢量后，通过插值法对每条u向参数线上的刀轴矢量进行光顺；步骤七、后置处理；完成步骤五、步骤六后即得到了所有刀位数据，经后置处理生成NC代码后，应用五轴加工中心设备即可实现沿进气边到初始分界面或出气边到初始分界面方向的五轴小夹角插铣叶片加工；该刀具轨迹规划方法依次完成叶盆、叶背、内外轮毂及相应前尾缘的加工，且加工痕迹沿流线方向。有益效果：本专利技术方法进行闭式叶轮的叶片精加工刀具轨迹规划，使精加工得到的刀痕沿流线方向，提高产品工作效率；另外采用小角度五轴插铣，大幅减少了刀具受径向分力导致的刀具变形，提高了叶片加工精度；可以使两端进刀加工产生的接刀痕更小。附图说明图1为闭式叶轮示意图。图2为刀具示意图。图3为刀具受力示意图。图4为走刀方向示意图。图5为曲面重构示意图。图6为刀轴矢量调整示意图。图7为刀具轨迹示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤一、建立模型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如图1所示：定义上述曲面由前缘到尾缘方向(流线方向)为u向，内轮毂到外轮毂方向为v向，那么以叶盆曲面A为例，用双3次张量积B样条曲面定义为：u3≤u≤um+1,v3≤v≤vn+1其中，di,j(i＝0,1,…,m；j＝0,1,…,n)为控制定点；Ni,3(u)、Nj,3(v)为B样条基函数；m、n分别为沿u、v向控制定点个数。步骤二、刀具选型分析最小容刀间隙，确定刀具几何尺寸，开敞性好的结构优先选用锥度球头铣刀或直柄球头铣刀，开敞性差的结构选用棒棒糖铣刀。如图2所示：步骤三、分割加工区域通常叶片弯扭干涉严重的闭式叶轮无法从一侧完成全部加工，需进气边和出气边两侧分别进刀加工，因此在通道单元中部设定初始分界面，用以分割两个工步加工范围。步骤四、重构叶型曲面叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和尾缘曲面均以双3次B样条曲面定义，其u参数线可以表示为：其中，di(i＝0,1,…,n)为控制定点；Ni,3(u)为B样条基函数；n为控制定点个数。通常u参数线方向不满足流线方向要求，在叶盆或叶背曲面与内轮毂或外轮毂相交处，u参数线穿过内轮毂或外轮毂面，不利于刀具轨迹的生成，需要对曲面进行重构。以叶盆曲线为例，重构过程如下：建立笛卡尔坐标系，Z轴与叶轮中轴线同轴，X指向叶片方向；曲面与内轮毂和外轮毂曲面求交，得到交线ph(u),ps(u)u∈[0,1]；利用德布尔算法递推得出在曲线ph(u),ps(u)上取等参数点qi,j(i＝0,j＝0,1,…m)、qi,j(i＝k,j＝0,1,…m)，其中i为曲线序号，j为数据点序号；曲面依次与内轮毂和外轮毂之间的等分割曲面求交，重复上述过程可在q0,j与qk,j之间可以得到(k-1)×(m-1)个参数点i＝1,2,…,k-1，j＝0,1,…m其中，k为平面内曲线数量，m为单条曲线上参数点的个数。将上述参数点与曲线ph(u),ps(u)的等参数点组合成k×m个点构成呈拓扑矩形阵列的数据点qi,j(i＝0,1,…,k,j＝0,1,…m)，进行B样条曲面的反算，转化为k+1和m+1条B样条曲线反算问题，以u向截面曲线为例，采用如下矩阵方程依次得出控制定点：其中，Δi为采用积累弦长参数化法得到的分割；d为控制定点；e为边界条件，通过切矢条件确定。a1＝1,b1＝c1＝0,an-1＝bn-1＝0,cn-1＝1,其中，与分别为给定的首末数据点q0与qm处的切矢。通过上述过程，得到了B样条曲面的(k+1)×(m+1)个控制顶点di,j(i＝0,1,…,k；j＝0,1,…,m)。在曲面定义域内给定一对参数值(u，v)，利用德布尔算法以v参数值沿v参数方向的k+1个控制多边形计算B样条曲线上的点，求得m+1个点作为中间顶点，构成中间多边形；再以u参数对中间多边形执行德布尔算法，得到曲面p(u,v)即完成曲面的正算，也完成了曲面的重构，如图5所示。步骤五、计算刀心点根据闭式叶轮产品表面粗糙度要求，按照等参数法分别正算叶盆曲面A、叶背曲面B、内轮毂面H、外轮毂面S、前缘曲面L、尾缘曲面T上的一组u向参数线p(u)，相邻参数线之间的距离即为切削行距，利用德布尔算法的递推公式得出等参数点qi,j即为刀具切触点。切触点沿曲面法矢偏置刀具半精R即得到了刀心点Oi,j。步骤六、计算刀轴矢量在步骤五得出各个特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立模型；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、刀具选型；分析最小容刀间隙，确定刀具几何尺寸，开敞性好的结构选用锥度球头铣刀或直柄球头铣刀，开敞性差的结构选用棒棒糖铣刀；步骤三、分割加工区域；在通道单元中部设定初始分界面，以分割进气边和出气边分别进刀加工的加工范围；步骤四、重构叶型曲面；步骤五、计算刀心点；根据闭式叶轮产品表面粗糙度要求，按照等参数法分别计算叶盆曲面A、叶背曲面B、内轮毂面H、外轮毂面S、前缘曲面L、尾缘曲面T上的一组u向参数线p(u)，相邻参数线之间的距离即为切削行距，利用德布尔算法的递推公式得出等参数点q

【技术特征摘要】
1.一种闭式叶轮的精加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立模型；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、刀具选型；分析最小容刀间隙，确定刀具几何尺寸，开敞性好的结构选用锥度球头铣刀或直柄球头铣刀，开敞性差的结构选用棒棒糖铣刀；步骤三、分割加工区域；在通道单元中部设定初始分界面，以分割进气边和出气边分别进刀加工的加工范围；步骤四、重构叶型曲面；步骤五、计算刀心点；根据闭式叶轮产品表面粗糙度要求，按照等参数法分别计算叶盆曲面A、叶背曲面B、内轮毂面H、外轮毂面S、前缘曲面L、尾缘曲面T上的一组u向参数线p(u)，相邻参数线之间的距离即为切削行距，利用德布尔算法的递推公式得出等参数点qi,j即为刀具切触点；切触点沿曲面法矢偏置刀具半精R即得到了刀心点Oi,j；步骤六、计算刀轴矢量；按如下公式计算每个切触点处的一阶导矢：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晶，罗远锋，谷万龙，宛春博，邱文旺，刘月萍，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11