专利名称：自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法
技术领域：
本发明属于机械加工领域，涉及ー种自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法。
背景技术：
离心压气机作为关键部机广泛应用于航空、航天、船舶、石油化工等领域，其核心动设备——离心叶轮通常在高温、高压、高线速环境下压缩并传输气体，噪音、振动等因素也易引起设备损坏。为了保证叶轮质量、尽可能大的减少生产加工环节的偏差对叶轮性能及运行稳定性的影响、达到叶轮设计与实际产品的一致性，所以对生产制造环节的要求非常高。而且，随着工业实践对离心叶轮效率、能耗等方面要求的进ー步提高及CFD技术的飞速发展，自由曲面叶片、叶轮已经越来越多的应用于各个领域，五坐标整体铣制更是保证其制造水准的最优途径。但是，现阶段离心叶轮整体铣制的研究还大多集中在直纹面叶轮方面，对自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣制的研究比较少。并且，鉴于自由曲面离心式压气机叶轮叶片的空间任意扭曲性，现有的数控加工一般用点、线切削来拟合出所需要的复杂叶片曲面，这种加工方法虽然能够比较好的拟合出所要加工的复杂叶片曲面，但缺点是加工表面的一致性差、表面硬化严重，同时由于加工路径密集造成刀具磨损较快、加工效率低、加工周期长——特别是在粗加工阶段。文献“HeoaEY, Kima DW,Kimb BH, Jangc DK, Chen FF 2008. Efficient rough-cutplan for machining an impeller with a 5-axis NC machine, international Journalof Computer Integrated Manufacturing 21(8) :971_983” 研究发现超过 60% 的数控加エ时间产生在材料去除——粗加工阶段。但是，现阶段针对目前自由曲面离心压气机叶轮等复杂零部件五坐标整体铣制，大多数研究课题的重点都集中在对成型曲面精确度等精加エ环节，而研究核心集中在节约数控整体铣制时间——特别是粗加工时间方面的特别少，造成数控加工周期长、效率低下的现状。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法，该方法基于实体模型规划自由曲面离心压气机叶轮整体铣制粗加工环节五坐标数控加工刀位轨迹，可实现自由曲面离心压气机叶轮等复杂零部件的高效整体铣制粗加工，大幅度的提升复杂零部件数控加工效率。其特点是包括以下步骤I)将自由曲面离心压气机叶轮的叶片实体模型数据输入计算机，完成原始自由曲面造型；2)以双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义叶片的自由曲面为Ω i ；3)提取自由曲面Ω 顶部及根部两条自由曲线形成直纹面A1 ； 4)计算出自由曲面Q1和直纹面A1之间的最大空间距离AH1及直纹面A1指向自由曲面Q1的法向量，并让直纹面A1沿此方向偏置距离AH1，得到直纹面A2;
5)得到由直纹面ApA2组成的带厚度的实体直纹面叶片A;6)将分流叶片数据输入计算机，按照上面步骤I)到步骤6)得到带厚度的实体直纹面分流叶片SA ；7)结合轮毂数据，得到由叶片、分流叶片、轮毂组成的叶轮待粗加工气流通道，然后按照分 流叶片位置分为前面、左侧、右侧三个加工区域；8)逐步抬升轮毂曲面，与叶片、分流叶片相交得到不同高度处的加工区域，从上到下的使用最大半径刀具、变刀轴矢量与固定刀轴矢量结合来完成整个刀位轨迹、刀轴矢量的计算；9)针对所使用五坐标数控机床对计算所得刀位轨迹、刀轴矢量进行后置处理，在五坐标数控机床实践加工。本发明的有益效果是本发明基于自由曲面叶片及直纹面叶片的几何特征，创新性的将自由曲面叶片离心压气机叶轮整体铣制和直纹面叶片数控加工相结合，拟合出目标直纹面粗加工离心压气机叶轮模型，进ー步通过逐步抬升轮毂曲面得到不同高度的加工区域，使用最大半径刀具、变刀轴矢量与固定刀轴矢量结合来高效完成自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣粗加工。在同等精度要求情况下提高整体数控加工效率40%以上。同吋，由于本发明采用变刀轴矢量与固定刀轴矢量结合五坐标数控加工方法，既可以保证粗加工的成型精度，又有效地避免了多坐标数控加工过程中各轴变化频繁、刀具容易磨损的弊端，可大幅度提高切削质量及大量节约刀具成本，具有很高的社会效益及推广价值。
图I是某叶轮自由曲面叶片；图2是带厚度直纹面叶片意图；图3是叶轮单个气流通道及加工区域分割图；图4是分层粗加工气流通道示意图；图5是第I个加工层粗加工示意图。
具体实施方案下面以某自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣制粗加工为例，结合附图，对本发明自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法做详细描述I.建立模型请參见图I所示，将叶片实体模型数据输入计算机，完成目标自由曲面的造型。2.以双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义叶片的自由曲面为Ω i定义自由曲面叶片Q1由顶部到根部为V向、叶片进ロ到叶片出口为u向，那么自由曲面叶片Q1用双三次非均匀有理B样条(NURBS)矩阵形式定义为
UN P NtVtQu ( , V) =·, (0^u^l;0^v^ l；i=l, 2，· · · , n; j=l, 2，· · ·，m)其中U= (1，U，u2，u3) ；V=(l,v, v2, v3) ;NU和NVT是基函数；Pw为特征网络顶点；W为对应于Pw的加权因子。m、η分别为在U、V方向上组成自由曲面的点的个数；i、j为自由曲面上各点在U、V方向上的位置。
3.计算目标直纹面叶片A1(I)提取叶顶、叶根自由曲线以双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义叶片的自由曲面为Q1之后，自由曲面叶片上的流线即可用矩阵形式表示为
权利要求
1.自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法，其特征在于包括以下步骤 1)将自由曲面离心压气机叶轮的叶片实体模型数据输入计算机，完成原始自由曲面造型； 2)以双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义叶片的自由曲面为Q1; 3)提取自由曲面Qi顶部及根部两条自由曲线形成直纹面A1 ； 4)计算出自由曲面Q1和直纹面A1之间的最大空间距离AH1及直纹面A1指向自由曲面Qェ的法向量n，并让直纹面A1沿此方向偏置距离AH1，得到直纹面A2; 5)得到由直纹面ApA2组成的带厚度的实体直纹面叶片A； 6)将分流叶片数据输入计算机，按照上面步骤I)到步骤5)对分流叶片数据进行处理，得到带厚度的实体直纹面分流叶片SA ； 7)结合轮毂数据，得到由叶片、分流叶片、轮毂组成的叶轮待粗加工气流通道，然后按照分流叶片位置分为前面、左侧、右侧三个加工区域； 8)逐步抬升轮毂曲面，与叶片、分流叶片相交得到不同高度处的加工区域，从上到下的使用最大半径刀具、变刀轴矢量与固定刀轴矢量结合来完成整个刀位轨迹、刀轴矢量的计算； 9)针对所使用五坐标数控机床对计算所得刀位轨迹、刀轴矢量进行后置处理，在五坐标数控机床实践加工。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤2)具体为 定义自由曲面叶片Q1由顶部到根部为V向、叶片进ロ到叶片出口为u向，自由曲面叶片Q i用双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义为
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤3)具体为 自由曲面叶片上的流线用矩阵形式表示为
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤4)具体为 AH1为A1和Q1之间的最大距离、d(i』为自由曲面Q1上任意一点、D(i,j)为d(i,j)到直纹面A1的距离，则有
全文摘要
本发明提供了一种自由曲面离心压气机叶轮五坐标整体铣高效粗加工方法。首先，将自由曲面离心压气机叶轮的叶片实体模型数据输入计算机；接着以双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义叶片的自由曲面为Ω1；然后提取自由曲面Ω1顶部及根部两条自由曲线形成直纹面A1；计算自由曲面Ω1和直纹面A1之间的最大空间距离ΔH1及直纹面A1指向自由曲面Ω1的法向量，并让直纹面A1沿此方向偏置距离ΔH1，得到直纹面A2；计算由直纹面A1、A2组成的带厚度的实体直纹面叶片A；将分流叶片数据输入计算机，计算带厚度的实体直纹面分流叶片SA；计算叶轮待粗加工气流通道，分割加工区域；计算不同高度处的加工区域，利用最大半径刀具、变刀轴矢量与固定刀轴矢量结合原则完成整个刀位轨迹、刀轴矢量的计算；针对五坐标数控机床进行后置处理，在五坐标数控机床实践加工。
文档编号B23C3/18GK102649178SQ20121015424
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者席光, 樊宏周 申请人:西安交通大学