[发明专利]叶片式流体机械数控加工切削力的快速预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶片式流体机械数控加工切削力的快速预测方法，属于叶片式流体机械数控加工领域。

背景技术

叶片式流体机械在国民经济中起着极为重要的作用。特别是在现代电力工业中，绝大部分发电量是由叶片式流体机械（汽轮机、水轮机、风力机、燃气轮机）承担的，而叶片作为叶片式流体机械的核心部件。因此，叶片的加工质量直接影响叶片式流体机械的使用效率和寿命。在叶片等过流部件的数控加工过程中，切削力会使叶片的加工表面产生变形，过大的切削力会引起切削系统（机床、刀具、工件、夹具）的震颤和加工表面的温度升高，使加工表面恶化、零件过早的产生疲劳、加工精度和表面质量降低。

目前，对切削力的研究主要有以下几种方法：（1）有限元法，这种方法由于对材料的本构方程描述不够准确会使结果误差较大，边界条件设置难，而且切削力仿真时间较长；（2）通过简单的切削实验来预测加工过程切削力 ，由于一般都是采用比较规则的试件进行代替，无法模拟形状复杂零件的实际加工过程，因此预测结果存在较大的局限性和误差。

在叶片式流体机械中，其过流部件表面多为曲面，表面曲率变化较大、加工周期较长、加工成本较高，所以采用在加工过程中安装测力仪的方式进行试验，对材料的需求量较大，同时也延长了整个零件的加工时间。目前，在国内外研究中，对大型叶片式流体机械的数控加工切削力快速预测一直没有很好的办法。

发明内容

为了克服以上困难，本发明提供了一种叶片式流体机械数控加工切削力的快速预测方法；解决了大型叶片式流体机械数控加工过程切削力预测难的问题，为快速准确的进行切削力预测提供了可靠的保证。

本发明叶片式流体机械数控加工切削力的快速预测方法，该方法通过在叶片式流体机械数控加工几何仿真的基础上，对几何仿真过程中的切削参数进行提取，经切削力计算模型和MATLAB的处理，进而快速准确的来计算切削力，并将加工过程中切削力的变化过程以图形的形式显示。

实现本发明目的的技术方案如下：

步骤1：叶片式流体机械过流部件的数字化建模，通过对叶片式流体机械过流部件进行数字化测量，测量点沿叶片的流线方向布置，得到叶片表面点的三维坐标，进而反求出一系列叶片表面点的空间曲线，将这些曲线拟合构成叶片式流体机械过流部件的三维数字化模型； 

步骤2：加工区域的划分与加工刀具的选择，首先对叶片式流体机械过流部件的表面进行曲面特性分析，根据叶片表面的曲率变化情况，要求在切削方向上的起始点与终止点之间的曲率变化不大于10%，且在切削横向方向曲率变化小于15%，将被加工曲面划分为若干个加工区域，对不同的加工区域选择不同的加工刀具；

步骤3：加工路线的规划，首先建立数控机工机床坐标系，选择叶片式流体机械过流部件的流线方向作为走刀方向；

步骤4：数控程序的生成，依据CAM软件（Unigraphics NX）的加工模块的数控编程功能，在不同的加工区域中，沿着选定好的加工路线和加工刀具建立并生成数控加工程序；

步骤5：数控机床加工仿真环境的构建，运用三维建模软件Unigraphics NX建立五轴联动数控机床模型、夹具模型，并将其转换为数控加工仿真软件VERICUT能够识别的格式，依据Base→X→Y→Z→C→B→Tool顺序依次添加各组件，选择数控系统完成五轴联动加工仿真环境的构建；

步骤6：数控加工仿真，利用数控加工仿真软件VERICUT的几何仿真功能，对叶片式流体机械过流部件的数控加工进行仿真，同时对数控加工几何仿真过程中的切削参数进行提取，通过设置的颜色对比来检查加工过程中是否存在过切、欠切和碰撞干涉，如果零件被加工表面出现红色区域，则代表加工过程中有过切、和碰撞干涉，则返回步骤4进行数控加工轨迹的重新生成，如果零件被加工表面全部为绿色，则代表加工过程中不存在过切、和碰撞干涉，则直接仿真至数控加工结束；

步骤7：切削力图形显示，将步骤6中提取的切削参数通过切削力计算模型计算，并由MATLAB软件处理实现切削过程中切削力的变化显示，实现在实际加工之前对加工过程中切削力变化进行快速预测的目的。

本发明方法的具体操作过程包括以下步骤：

步骤1，叶片式流体机械过流部件三维数字化模型的建立；