[发明专利]一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种封闭式曲面数控加工刀路轨迹规划方法，特别涉及涡轮发动机闭式叶轮数控加工中刀路轨迹规划。

背景技术

封闭式非直纹曲面是闭式叶轮的典型结构，而闭式叶轮是涡轮增压发动机的核心部件，广泛应用于航天、航空以及国防、能源、电力等部门。采用整体数控加工，突破了传统的采用叶轮和外环分开加工后再铆接或焊接在一起的工艺束缚，创新的提出整体加工，这样避免了分体加工后再组装到一起存在的焊接开裂、焊接不实、叶片在高温下变型等诸多问题。同时，采用整体加工可大大减少叶轮部件结构中叶尖与叶轮外环之间的逸流损失，提高发动机的工作效率、推重比和安全可靠性。

对于封闭式非直纹曲面加工方式，文献《带冠整体叶轮加工现状及新方法探索》、《带冠整体叶轮的应用及其加工工艺的研究》、《带冠整体叶轮组合电加工关键工艺的研究》等提出精铸成型、电解加工、电火花成型加工以及电解、电火花复合加工等方法，但是这些加工方式加工范围有限，加工精度低，加工表面质量差，对于高质量的整体闭式叶轮加工，需对其通道进行铣削加工。封闭式非直纹曲面加工刀路轨迹规划技术属国际性难题，文献《闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹规划》中提出了基于最小面积原理的叶盘插铣通道边界最佳直母线求解算法，分别针对叶片曲面及叶盘内外环面，提出了通道偏置直纹包络面的生成方法，给出了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹，但该方法研究对象为闭式直纹曲面加工刀路轨迹规划。目前对封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划也未有有效方法，加工精度和加工表面质量都不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法，从而实现闭式叶轮加工精度和加工表面质量的提高。

本发明的技术方案是：一种封闭式非直纹曲面数控加工刀路轨迹规划方法的具体步骤为：

步骤一：封闭式非直纹曲面结构的叶片内弧的加工采用刀轴插补的加工策略，在内弧面上定义一系列的矢量以控制刀轴，内弧面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U-V双向线性插值或样条插值获得；

矢量的定义经过不断的调试和修改，最终要达到，刀具在闭合的空间内合理的摆动，使得刀具尽可能地接近两侧的轮毂和外环，而又不过切轮毂及外环的表面，最大限度地减少内弧面与轮毂及外环间的残留区；

步骤二：外环加工刀轴采用指向直线，直线的确定应使刀轴摆动角度在允许范围内，同时使叶根加工平滑；通道内的轮毂5加工角度在-5°至15°之间，其刀轴采用指向点，顺着流道方向加工；

步骤三：叶片背弧数控加工采用侧刃驱动--加前倾角的加工策略，定义沿驱动曲面的侧刃划线移动的刀轴，若刀具不带锥度，刀轴将平行于侧刃划线，若刀具带锥度，刀轴将与侧刃划线成一定角度，但二者共面，驱动曲面支配刀具侧面的移动，而部件表面支配刀尖的移动；叶片背弧中间部分采用在驱动体上的双4轴；指定一个4轴旋转角、一个前倾角和一个侧倾角，在双4轴中，分别为单向运动和回转运动定义不同的参数；

步骤四：前缘、尾缘数控加工，应用三轴的加工策略予以完成。

优选的：在步骤二中，外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，以相切法确定加工区域，采用正反两次装夹，每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，外环加工面积大于轮毂加工面积。

外环和轮毂与叶片两端连接处形成复杂空间曲线，加工时刀具与叶片干涉严重，需采用两次装夹，应使每次装夹加工面积最大，加工区域重叠，消除两次装夹加工产生的接刀痕。

优选的：在步骤三中，以边界曲线关系确定刀轴角度范围，确定出刀轴所指向的点和直线位置，以及刀轴摆动的最大前倾角和侧倾角。从而更好地实现封闭非直纹曲面刀路轨迹规划。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的优点在于：根据封闭式非直纹曲面结构特征，对于其数控加工，不同的位置采用不同的加工策略，实现了在五轴数控机床上一体化加工，加工柔性和加工效率高，且加工稳定，生产准备周期短，各个叶片形状的一致性好，动平衡性高，加工精度在IT6内，实现闭式叶轮加工精度和加工表面质量的提高，特别适合大批量的生产。

附图说明

图1为封闭式非直纹曲面结构示意图，包括1叶片内弧、2外环、3尾缘、4叶片背弧、5轮毂和6前缘；

图2为通道偏置面生成示意图；

图3为s4面相切线示意图；

图4为s2面上相切线示意图；

图5为加工区域确定示意图；