[发明专利]开式整体叶盘通道多刀具分区域粗加工工艺方法

摘要

本发明提出一种开式整体叶盘多刀具分区域粗加工工艺方法，该方法首先计算得出的最大适用刀具尺寸，选用多把不同尺寸刀具，将叶盘通道划分为多个加工区域，每个区域使用尽可能大的刀具进行粗加工，去除尽量多的材料，可以有效提高开式整体叶盘通道粗加工效率。本发明在不同的加工区域尽可能使用大尺寸刀具进行加工，由于在通道粗加工中大尺寸刀具无论是加工效率还是刚性均优于小尺寸的刀具，并且能够去除超过80％的粗加工余量；另外20％的整体叶盘粗加工余量通过小刀具分层侧铣来完成，工件通过一次装夹即可完成所有的数控铣削加工工艺，提高了开式整体叶盘通道粗加工的效率。

主权项

1.一种开式整体叶盘通道多刀具分区域粗加工工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：对开式整体叶盘上待加工的叶片进行等参数化处理，得到沿流道方向和积叠轴方向的若干切触点，对于每个切触点PCC(i,j)，通过以下步骤，得到对应的最优刀具转角BO(i,j)和最大适用刀具半径rL(i,j)，其中(i,j)为切触点PCC(i,j)的参数化序号；根据所有切触点对应的最大适用刀具半径rL(i,j)的范围，选择若干加工刀具；步骤1.1：建立加工坐标系以及刀具几何模型，并确定刀具参数：所述加工坐标系为CSM(OM‑xM‑yM‑zM)，其中加工坐标系固定在工作台上；加工坐标系的yM轴为工作台的自身旋转轴，ZM轴平行与四轴数控加工平台的刀轴方向；当待加工整体叶盘装夹在工作台上时，待加工整体叶盘的回转轴线与yM轴重合；所述刀具几何模型由参数r、r_c以及H确定，其中表示刀具锥度，r表示刀具半径，r_c表示圆角半径，H表示刀具刃长；r_c和H为预先确定变量，r为优化变量；步骤1.2：在某一给定的刀具转角B条件下，通过以下步骤确定刀具切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径，所述刀具转角B为整体叶盘绕yM轴的转角：步骤1.2.1：在加工坐标系中，根据被加工曲面S0上的切触点PCC坐标[xCC,yCC,zCC]T，切触点PCC处的单位法矢量n＝[nx,ny,nz]T，以及检查点P的坐标[x,y,z]T，通过公式计算得到参数Δx，Δy，Δz以及λ；其中检查点P位于被加工曲面S0或者检查面Si上，且P≠PCC；所述检查面为加工过程中构成叶盘通道的若干约束面，且不包括被加工曲面S0；步骤1.2.2：根据步骤1.2.1得到的参数Δx，Δy，Δz以及λ，分以下四种情况分别计算得到检查点P对应的适用刀具半径r(P,B)：情况1：Δz≥H‑rc：若不等式成立，则刀具始终会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝0；若不等式成立，则刀具始终不会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝∞；其余条件下，情况2：若不等式成立，则刀具始终会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝0；若不等式成立，则刀具始终不会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝∞；其余条件下，情况3：若不等式Δx2+Δy2+Δz2≤rc2成立，则刀具始终会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝0；若不等式均成立，则刀具始终不会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝∞；其余条件下，情况4：Δz＜‑rc：刀具始终不会与叶盘通道发生干涉，r(P,B)＝∞；步骤1.2.3：对于被加工曲面S0或检查面Si上的所有检测点P，分别代入步骤1.2.1和1.2.2，得到每个检测点对应的适用刀具半径r(P,B)，然后取其中的最小值minr(P,B)为在转角B条件下，切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径；步骤1.3：采用二分法计算切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的最优刀具转角BO和最大适用刀具半径rL：步骤1.3.1：确定刀具转角的初始左右边界BL和BR，以及工作台旋转轴的定位精度BP；步骤1.3.2：根据步骤1.2中的方法，分别计算rM0(BL)、rMi(BL)，以及rM0(BR)、rMi(BR)；其中rM0(BL)表示刀具转角为BL，检查点处于待加工曲面S0上的条件下，切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径，rMi(BL)表示刀具转角为BL，检查点处于检查面Si上的条件下，切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径；rM0(BR)表示刀具转角为BR，检查点处于待加工曲面S0上的条件下，切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径，rMi(BR)表示刀具转角为BR，检查点处于检查面Si上的条件下，切削被加工曲面S0上的切触点PCC时的适用刀具半径；步骤1.3.3：取B_L和B_R的二分中点计算r_M0(B_M)和r_Mi(B_M)；步骤1.3.4：若|BL‑BR|≤BP成立，则取BM为最优刀具转角BO，以及取rM0(BM)和rMi(BM)的最小值作为最大适用刀具半径rL；否则判断rM0(BM)和rMi(BM)的大小关系，若rM0(BM)＜rMi(BM)则令BR＝BM，否则令BL＝BM，返回步骤1.3.2；步骤2：根据步骤1选择的加工刀具的刀具参数，以及步骤1得到的每个切触点PCC(i,j)最大适用刀具半径rL(i,j)，确定每把加工刀具的加工区域：若rL(i,j)≥r1，则该切触点PCC(i,j)用1号刀具加工，所述1号刀具指步骤1中选择的加工刀具中刀具半径r最大的刀具；若rk≤rL(i,j)＜rk‑1,(k＝2,3,…,K)，则该切触点PCC(i,j)用k号刀具加工，其中K为步骤1中选择的加工刀具数量；对所有切触点PCC(i,j)均进行如上判断，得到每把加工刀具的加工区域；步骤3：通过以下步骤生成刀具轨迹：步骤3.1：根据切触点在加工坐标系中的坐标，以及切触点对应的加工刀具参数，计算切触点对应的刀位点：PCL(i,j)＝PCC(i,j)+n·rc+nT·rk+nc·rc其中P_CL(i,j)＝[x_CL,y_CL,z_CL]^T为刀位点，P_CC(i,j)＝[x_CC,y_CC,z_CC]^T为切触点，n＝[n_x,n_y,n_z]^T为切触点P_CC(i,j)处的单位法矢，n_c＝[0,0,‑1]^T；步骤3.2：沿叶片积叠轴方向分层，将沿叶片积叠轴方向分割的切削层按由叶尖到叶根的顺序排序，用Ln表示，n＝1,2,…,Ln，其中层数Ln按下式计算：h表示叶片沿积叠轴方向的高度，Ap表示轴向切深；步骤3.3：确定每把加工刀具的加工轨迹：对于第k号刀具，确定加工轨迹的过程为：遍历所有切削层Ln，在每一切削层上，沿叶盘流道方向从前缘到后缘逐个检查刀位点PCL(i,j)：1)若该刀位点PCL(i,j)不可用k号刀具加工，则检查下一个刀位点；2)若该刀位点PCL(i,j)可用k号刀具加工，则将该刀位点PCL(i,j)添加到加工路径中，并进行如下判断：(1)、若该刀位点PCL(i,j)为本切削层首点，则生成一个位于安全平面上的进刀点，并将进刀点添加到加工路径中，且置于该刀位点前；(2)、若该刀位点PCL(i,j)为连续刀位点的首点，且前一点为已加工点，则取前一刀位点PCL(i‑1,j)为进刀点，并将进刀点添加到加工路径中，且置于该刀位点前；所述连续刀位点指连续若干个刀位点均为可用k号刀具加工的刀位点；(3)、若该刀位点PCL(i,j)是本切削层末点或连续刀位点的末点，则生成一个位于安全平面上的退刀点，并将退刀点添加到加工路径中，且置于该刀位点后；(4)、若该刀位点PCL(i,j)是连续刀位点的首点，且前一点为未加工点，则沿叶盘流道方向从后缘到前缘逐个检查刀位点PCL(i,j)；检测方式与从前缘到后缘的检查方式相同；步骤4：根据步骤3生成的刀具轨迹，采用从通道外侧进刀，先使用直径最大的刀具以分层铣削的方式完成对应加工区域的粗加工，然后换刀，使用下一把直径较大的刀具完成相应区域的加工，直至最后一把最小的刀具完成通道的粗加工。