一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法技术

本发明专利技术涉及一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，属于整体叶轮叶根加工优化领域。本发明专利技术通过分析整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的曲率特点确定采用盘型铣刀进行整体叶轮叶根加工；通过确定参数的盘型铣刀采用本发明专利技术给定的优化模型应用自适应遗传算法求解最优的加工刀具位姿，并获得最优刀轨；可以有效地避免加工时刀具与非加工区域发生干涉，提高整体叶轮叶根区域的加工效率，提高整体叶轮叶根区域的加工质量。

【技术实现步骤摘要】
一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法
本专利技术涉及一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，属于整体叶轮叶根加工优化领域。
技术介绍
近年来航空航天和能源动力领域飞速发展，整体叶轮作为该领域中重要装置——涡轮式发动机的核心部件，加工精度和加工质量要求较高。整体叶轮由多个不规则曲面组成，叶片扭曲程度大、间隔小，结构十分复杂，加工时刀具很容易与工件或夹具发生干涉，加工难度较大。研究发现整体式叶轮的损坏大多数是由于叶根断裂造成的，因此叶根的加工质量极大地影响了整体叶轮的寿命。现有的整体叶轮铣削加工大多数都是采用球头刀进行，不仅效率低，而且加工质量也很难得到保证。
技术实现思路
本专利技术提供了一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，以用于提供采用盘型铣刀进行整体叶轮叶根加工的刀轨优化方法。本专利技术的技术方案是：一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，所述方法的具体步骤如下：步骤1、分析整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径；步骤2、根据步骤1中获得的整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径在国标刀具库中选择合适参数的盘型铣刀作为刀具；步骤3、建立整体叶轮数字化模型的过渡曲面铣削坐标体系，包括刀具坐标系、刀具局部坐标系以及工件局部坐标系；步骤4、在建立好的铣削坐标体系内定义刀具的前倾角β和侧倾角α；步骤5、根据避免刀具与相邻非加工区域发生干涉的约束条件求解加工过程中刀具前倾角和侧倾角的范围，并以侧倾角为横坐标，以前倾角为纵坐标，描绘出刀轴可行域的形状；步骤6、在刀轴可行域内应用自适应遗传算法求解最优的加工刀具位姿，并获得最优刀轨。所述步骤2中盘型铣刀的参数选择如下：刀具刀盘的直径小于整体叶轮的相邻叶片最小间距，刀具刀盘的母线曲率半径小于等于叶根区域的最小曲率半径，刀轴直径大于刀盘直径的1/3且小于刀盘直径。所述刀轴直径为刀盘直径的0.5倍就近取整的数值。所述刀具刀盘的直径为整体叶轮的相邻叶片最小间距的0.8倍就近取整的数值。所述步骤3中：所述刀具坐标系的建立：以刀具的刀盘底面圆心O为刀具坐标系的坐标原点，建立刀具坐标系OXYZ，以刀轴中心线为Z轴，方向向上，以底面上过O点的任意一条直线为X轴，Y轴通过右手螺旋法则确定；所述刀具局部坐标系的建立：在刀具有效切削面上任取一点Kt，以Kt为原点建立刀具局部坐标系KtXtYtZt，Xt轴方向为沿过Kt点刀具母线的切线方向，Zt轴指向刀轴轴心并与Xt轴垂直，Yt轴的方向由Zt轴和Xt轴按照右手螺旋定则确定；所述工件局部坐标系的建立：设工件加工曲面S(u,v)，在曲面上任取一点Kp作为工件上的定点，并以Kp点为坐标原点建立工件局部坐标系KpXpYpZp，Zp轴是沿着加工面S(u,v)在Kp点处的外法线方向，Xp轴与刀轴母线方向一致背向刀头，Yp轴则由Xp轴和Zp轴通过右手螺旋定则确定。所述步骤4中：所述前倾角β定义为刀具坐标系X轴绕刀具局部坐标系坐标Yt旋转的角度；所述侧倾角α定义为刀具坐标系Y轴绕工件局部坐标系坐标Zp旋转的角度。所述步骤6中：所述自适应遗传算法中采用的优化模型为：式中：*表示最优值的符号；ω*(α*β*)表示在最优的前倾角和侧倾角时刀具的最大加工行宽；E(α，β)表示当刀具侧倾角为α前倾角为β时曲面到刀具的有向距离；EI为曲面上除加工范围以外的其他部位到刀具的有向距离的集合；EC为在加工范围内曲面到刀具的有向距离集合；δ为允许加工误差。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过分析整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的曲率特点确定采用盘型铣刀进行整体叶轮叶根加工；通过确定参数的盘型铣刀采用本专利技术给定的优化模型应用自适应遗传算法求解最优的加工刀具位姿，并获得最优刀轨；可以有效地避免加工时刀具与非加工区域(流道、叶片)发生干涉，提高整体叶轮叶根区域的加工效率，提高整体叶轮叶根区域的加工质量。附图说明图1为优化方法整体结构图；图2为自适应遗传算法求解刀轴优化模型的算法流程图；图3为本专利技术的加工初始配合图；图4为加工过程中刀具方向变化表示图。具体实施方式实施例1：如图1-图4所示，一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，所述方法的具体步骤如下：步骤1、选定某一型号的整体叶轮为加工对象，分析该整体叶轮的相邻叶片最小间距为18mm，该整体叶轮的叶根区域最小曲率半径为4mm；步骤2、步骤2、根据步骤1中获得的整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径在国标刀具库中选择合适参数的盘型铣刀作为刀具；进一步，可以设置所述步骤2中盘型铣刀的参数选择如下：刀具刀盘的直径小于整体叶轮的相邻叶片最小间距，刀具刀盘的母线曲率半径小于等于叶根区域的最小曲率半径，刀轴直径大于刀盘直径的1/3且小于刀盘直径。进一步，可以设置所述刀轴直径为刀盘直径的0.5倍就近取整的数值。进一步，可以设置所述刀具刀盘的直径为整体叶轮的相邻叶片最小间距的0.8倍就近取整的数值。根据步骤1中分析所得的各参数信息，确定刀具刀盘的直径小于相邻叶片的最小间距，且一般为整体叶轮的相邻叶片最小间距的整体叶轮的相邻叶片最小间距，刀具刀盘的母线曲率半径小于等于叶根区域的最小曲率半径，刀轴直径一般选定为刀盘直径的0.5倍。选择尺寸信息如下的盘型铣刀进行加工，刀具刀盘母线曲率半径为4mm，刀盘直径为15mm，刀轴直径为8mm；步骤3、建立整体叶轮数字化模型的过渡曲面铣削坐标体系，包括刀具坐标系、刀具局部坐标系以及工件局部坐标系：进一步地，所述刀具坐标系的建立：以刀具的刀盘底面圆心O为刀具坐标系的坐标原点，建立刀具坐标系OXYZ，以刀轴中心线为Z轴，方向向上，以底面上过O点的任意一条直线为X轴，Y轴通过右手螺旋法则确定；所述刀具局部坐标系的建立：在刀具有效切削面上任取一点Kt，以Kt为原点建立刀具局部坐标系KtXtYtZt，Xt轴方向为沿过Kt点刀具母线的切线方向，Zt轴指向刀轴轴心并与Xt轴垂直，Yt轴的方向由Zt轴和Xt轴按照右手螺旋定则确定；所述工件局部坐标系的建立：设工件加工曲面S(u,v)(u,v坐标是一种曲面上的坐标，表示曲面上某点的位置，某种程度上类似于经纬度)，在曲面上任取一点Kp作为工件上的定点，并以Kp点为坐标原点建立工件局部坐标系KpXpYpZp，Zp轴是沿着加工面S(u,v)在Kp点处的外法线方向，Xp轴与刀轴母线方向一致背向刀头，Yp轴则由Xp轴和Zp轴通过右手螺旋定则确定。步骤4、在建立好的铣削坐标体系内定义刀具的前倾角β和侧倾角α；其中，所述前倾角β定义为刀具坐标系X轴绕刀具局部坐标系坐标Yt旋转的角度；所述侧倾角α定义为刀具坐标系Y轴绕工件局部坐标系坐标Zp旋转的角度。步骤5、根据避免刀具与相邻非加工区域发生干涉的约束条件求解加工过程中刀具前倾角和侧倾角的范围，并以侧倾角为横坐标，以前倾角为纵坐标，描绘出的刀轴可行域为近似梯形；步骤6、在刀轴可行域内应用自适应遗传算法求解最优的加工行宽(两条刀轨之间的宽度即为加工行宽)，此时对应的前倾角和侧倾角所确定刀具位姿即为最优刀具位姿，按此参数运行加工可获得最优刀轨。所述自适应遗传算法中采用的优化模型为：式中：*表示最优值的符号；ω*(α*β*)表示在最优的前倾角和侧倾角时刀具的最大加工行宽；E(α，β)表示当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：步骤1、分析整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径；步骤2、根据步骤1中获得的整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径在国标刀具库中选择合适参数的盘型铣刀作为刀具；步骤3、建立整体叶轮数字化模型的过渡曲面铣削坐标体系，包括刀具坐标系、刀具局部坐标系以及工件局部坐标系；步骤4、在建立好的铣削坐标体系内定义刀具的前倾角β和侧倾角α；步骤5、根据避免刀具与相邻非加工区域发生干涉的约束条件求解加工过程中刀具前倾角和侧倾角的范围，并以侧倾角为横坐标，以前倾角为纵坐标，描绘出刀轴可行域的形状；步骤6、在刀轴可行域内应用自适应遗传算法求解最优的加工刀具位姿，并获得最优刀轨。

【技术特征摘要】
1.一种整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：步骤1、分析整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径；步骤2、根据步骤1中获得的整体叶轮的相邻叶片最小间距以及整体叶轮的叶根区域的最小曲率半径在国标刀具库中选择合适参数的盘型铣刀作为刀具；步骤3、建立整体叶轮数字化模型的过渡曲面铣削坐标体系，包括刀具坐标系、刀具局部坐标系以及工件局部坐标系；步骤4、在建立好的铣削坐标体系内定义刀具的前倾角β和侧倾角α；步骤5、根据避免刀具与相邻非加工区域发生干涉的约束条件求解加工过程中刀具前倾角和侧倾角的范围，并以侧倾角为横坐标，以前倾角为纵坐标，描绘出刀轴可行域的形状；步骤6、在刀轴可行域内应用自适应遗传算法求解最优的加工刀具位姿，并获得最优刀轨。2.根据权利要求1所述的整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述步骤2中盘型铣刀的参数选择如下：刀具刀盘的直径小于整体叶轮的相邻叶片最小间距，刀具刀盘的母线曲率半径小于等于叶根区域的最小曲率半径，刀轴直径大于刀盘直径的1/3且小于刀盘直径。3.根据权利要求2所述的整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述刀轴直径为刀盘直径的0.5倍就近取整的数值。4.根据权利要求2所述的整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述刀具刀盘的直径为整体叶轮的相邻叶片最小间距的0.8倍就近取整的数值。5.根据权利要求1所述的整体叶轮叶根的特征刀轨优化方法，其特征在于：所述步骤3中：所述刀具坐标系的建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴仁杰，阴艳超，徐凯，常斌磊，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53