[发明专利]一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，属于数控加工技术领域。

背景技术

随着数控加工技术的发展，在航空航天、汽车制造、造船等诸多领域,大量采用了自由曲面类零部件。这些复杂产品的自由曲面类零部件，对其制造技术的要求非常高，尤其像叶片这种多约束的复杂自由曲面，其高效加工技术更是近年来研究的热点与难点。目前对于此类零件的粗加工，采用插铣加工的方法。插铣是一种高效的粗加工方法，加工时刀具沿刀轴方向进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合。对于整体叶盘类零件，插铣加工时需要求出叶片的直纹插铣边界，然后在插铣边界内生成插铣刀位轨迹，其涉及到自由曲面叶片直纹包络面的生成。在现有公开的文献《开式整体叶盘四坐标高效开槽插铣工艺方法》及《整体叶轮插铣粗加工算法》中，前者采用基于最小面积原理的直纹包络面生成方法，生成叶片的直纹包络面作为插铣边界，虽然能够保证最大的材料去除量，但加工表面可能会留下不均匀的余量，导致后续半精加工、精加工时余量差异大，影响零件表面加工质量；后者采用基于最小二乘发原则的直纹包络面生成方法，生成叶片的直纹包络面作为插铣边界，虽然能够保证较为均匀的加工余量，但加工过程中可能会产生过切，从而导致后续半精加工、精加工余量不足，严重时甚至导致零件报废。

发明内容

本发明目的是针对叶轮、叶盘类零件的叶片型面粗加工，以加工过程中材料的去除量最大为目的，以加工后叶片表面最大残留余量最小为原则，本发明提出一种基于残留余量最大值最小化的自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，既要保证余量的均匀性，也要避免加工过程中的过切现象。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括以下步骤:

步骤1.对叶片进行预处理；选择通道区域内的叶背面，找出叶背面沿叶盘轴向的最高点和最低点，将叶背面向包络侧偏置生成叶背偏置面，偏置距离为加工所用的刀具半径加上粗加工余量，粗加工余量取0.3～1.5mm；然后，将叶背偏置面缩短至叶背面与前、后橼连接处，去掉橼头部分，沿切向延长叶背偏置面，直到叶背偏置面的上边界线所有点高于最高点，叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点，得到待包络曲面，即为将要直纹包络的自由曲面；

步骤2.沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分n等距离点，其中，划分的n个等距离点包括最高点和最低点，且n为大于或等于10的整数；过这n个等距离点作垂直于叶盘轴向的n个等距平面，等距平面与待包络曲面的n条交线即为所要包络的自由曲面截面线；

步骤3.自由曲面截面线为三次或三次以上的样条曲线，其中，n次样条曲线在节点处n-1次连续；连接自由曲面截面线两端点得到端点连线，在端点连线所在等距平面内，使端点连线与x轴重合，以靠近叶根的端点为原点，指向叶尖的方向为x轴正方向，垂直于x轴并指向包络侧的方向为y轴正方向，建立直角坐标系；根据端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，分三种不同情况，按照最大残留余量最小的原则生成自由曲面截面线的最佳包络直线：

1.当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧，即自由曲面截面线上所有点的纵坐标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时，则该端点连线即为所求的最佳包络直线；

2..当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线为单凸时，自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上所有点的二阶导数大于零；对于自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下:

（1）在自由曲面截面线上按照精度要求等弧长离散k个点，过这k个点中的每一点作自由曲面截面线的切线，得到k条切线；

（2）在切线上按照精度要求等距离离散m个点；

（3）求切线上离散点与自由曲面截面线上对应点之间的纵坐标之差，判断纵坐标之差是否大于或等于零，若纵坐标之差大于或等于零则进入(4)；若纵坐标之差小于零，则舍弃该条切线进入(2)，继续下一条切线；

（4）重复(3)，直到求出切线上所有离散点与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标之差；

（5）求出上述所有离散点对应的纵坐标之差中的最大值，并记为该切线所对应的纵坐标之差的最大值；

（6）重复(2)～(5)，直到求出所有切线所对应的纵坐标之差的最大值；

（7）求出上述所有切线对应的纵坐标之差的最大值中的最小值；

（8）在自由曲面截面线上加密离散点，重复(1)～(7)进行多次迭代，直到最小值无明显改善或k值足够大时，终止迭代，则最后一次迭代得到的切线即为所求的最佳包络直线；