[发明专利]基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶轮加工刀轴矢量控制方法，特别是涉及一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法。

背景技术

现代国防、能源及其它民用领域越来越广泛的采用叶轮类零件，典型的例子如航空发动机叶轮等，实现此类零件的高效精密数控加工技术已经成为先进制造企业核心竞争力的重要表现形式之一。

随着设计方法的改进及数控系统的发展，利用先进的五轴数控机床，在机床的工作行程内，可以实现三维空间任意位置刀轴的摆动。通过合理选择刀轴，能够满足大部分多轴加工任务的需求。但是，如果刀轴矢量选择不合适，会造成切削过程中，刀轴矢量变化剧烈，使得机床的旋转轴产生较大的角速度、角加速度，甚至出现旋转轴的“反转”。很多工程实践表明，这些剧烈变化，会严重影响加工表面的质量，如出现“鱼鳞状”凹坑等质量差的加工表面，从而在很大程度上限制了高精度多轴数控机床的应用。这些矛盾在切削加工整体结构件的过程中尤为显著。

叶轮结构具有其特点：叶片进气边基本与叶轮回转轴垂直，而排气边基本与回转轴平行，沿流道从进气边到排气边，叶片的径向由与叶轮回转轴基本垂直逐渐过渡到与回转轴基本平行。传统的叶轮叶片型面半精铣、精铣刀轴控制方法是：使得刀轴在局部进给坐标系下的前倾角及侧偏角为恒定值，不同结构、尺寸的叶轮采取不同的前倾角、侧偏角，刀轴极易发生干涉，甚至需要分区域规划刀轴。可以发现，采取这种刀轴控制方式，数控编程工作量大，并且不能保证无干涉前提下刀轴矢量变化较小，也就不能保证加工中数控机床的旋转轴变化较小，往往导致叶片局部区域由于刀轴矢量变化剧烈，产生“鱼鳞状”加工表面，严重影响叶片的半精加工、精加工质量。

发明内容

为了克服现有叶轮加工刀轴矢量控制方法所加工的叶轮质量差的不足，本发明提供一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法。该方法通过生成刀轴选择边界，确定刀轴控制线所在的投影曲面，沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面，构造五轴无干涉刀轴控制线，确定任意刀位点的刀轴矢量。由于实现从进气边到排气边刀轴与叶轮回转轴的夹角变化单调且均匀，同时绕回转轴的刀轴摆动变化最小；通过刀轴控制线能够完成整个叶片型面多轴加工，同时避免刀轴全局干涉，可以提高所加工叶轮的质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将待加工叶型面、通道对侧叶型面以及内轮毂面向通道侧偏置相应尺寸Δ，Δ=球头刀半径r+为后续加工预留的加工余量δ。

步骤二、将外轮毂面向外偏置一距离d，作为刀轴控制线所在的投影曲面。d取叶轮叶片悬长平均值L的2/3。

步骤三、沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面；根据叶轮结构，指定进、排气边处刀轴摆刀平面与回转轴的夹角分别为β₁、β_n；过叶根线的起始点作相应的摆刀平面，并裁剪偏置曲面。

步骤四、构造五轴无干涉刀轴控制线。

Step1.在叶尖线上按等弧长提取n个叶尖点。

Step2.过叶尖点作摆刀平面。取叶轮回转轴上任意一点，作为所有摆刀平面的参考点。从进气边到排气边，第i个摆刀平面与回转轴的夹角为：β_i＝(1-t_i)β₁+t_iβ_n,t_i＝(i-1)/(n-1),i＝1,2,3,...,n。第i个摆刀平面的法矢为：其中，均为单位矢量，

Step3.生成投影曲面上的无干涉曲线段。用摆刀平面分别与控制线投影面、待加工叶型偏置面、通道对侧叶型偏置面求交线；在待加工叶型偏置面上的截交线上等弧长离散m个点；在摆刀平面内，找到每个点开口角度最小的左右边界，并在控制线投影面上投影得到边界点；在一系列左边界点中和一系列右边界点中选择距离最近的点对作为无干涉曲线段的两个端点，控制线投影面上两个端点之间的截交曲线段即为无干涉曲线段。