一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法
【专利摘要】一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，本发明涉及一种叶盘盘铣通道开槽加工方法。以解决在开式整体叶盘通道的粗加工开槽工序中存在材料去除量大，加工效率低，且由于开槽通道狭窄且深，刀具易与自由曲面叶片发生干涉，刀具易磨损问题。方法是：对开式整体叶盘通道开槽区域进行规划；求取叶片干涉控制线；通道开槽临界线求解；获取通道开槽可达加工域；刀位轨迹的规划；盘铣刀几何参数选取；实现通道开槽盘铣。本发明用于对开式整体叶盘盘铣开槽加工。
【专利说明】一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种叶盘盘铣通道开槽加工方法。
【背景技术】
[0002]开式整体叶盘是现代高推重比航空发动机的重要零件，数控铣削加工是其主要的制造方法，但现有技术主要存在以下问题:1)开式整体叶盘叶片型面为复杂的空间自由曲面，叶片扭曲度大，通道狭窄且较深，导致在数控加工过程极易发生干涉问题；2)现有的开槽方法有端铣分层开槽、侧铣和插铣方法，端铣和侧铣方法效率较低，而且不适于较深的通道，插铣虽然效率有所提升仍难以满足高效率的开槽需求；3)现有开槽用刀具主要有圆柱平底刀，锥形球刀和专用插铣刀，由于材料去除量较大，这些刀具在开槽过程中容易产生“让刀”现象，刚性较差且排屑困难，同时开式整体叶盘材料多为钛合金、高温合金和新型复合材料等难加工材料，导致刀具磨损极其严重；4)由于开式整体叶盘的难加工性，现有通道开槽方法中刀具轨迹较为复杂，加之有时需要不断变换刀轴方向，致使加工过程不稳定；5)在实际加工中，刀具尺寸的选择是极其关键的，目前刀具结构尺寸都是凭借研究人员的经验或是初步的选择，而非严格按照加工方法和通道的几何关系去参考选择较合适的刀具几何参数。
[0003]开式整体叶盘开槽加工是粗加工的第一道工序也是整个通道材料去除量最大的一道工序。因此，对通道开槽加工区域进行规划和计算，选用合适的刀具，采用新的加工方法并应用于实际加工中去改善或解决以上问题，对提高开式整体叶盘开槽加工的效率和整体加工质量，降低加工成本，具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，以解决在开式整体叶盘通道的粗加工开槽工序中存在材料去除量大，加工效率低，且由于开槽通道狭窄且深，刀具易与自由曲面叶片发生干涉，刀具易磨损问题。
[0005]本发明方法的主要思路是，在开槽盘铣刀具轨迹尽量简易，且保证不干涉开式整体叶盘通道、轮毂和叶片自由曲面的约束条件下，通过规划合理的通道区域和选取合适的刀具几何参数，大幅度的提升加工效率，同时基于通用工程软件UG使该加工方法更容易实现和推广。
[0006]为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
[0007]一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，所述开式整体叶盘盘铣开槽加工方法包括以下步骤:
[0008]步骤一:对开式整体叶盘通道开槽区域进行规划；
[0009]先定义垂直于叶盘轴线做一组截平面，然后截取得到与所述叶盘通道环形轮毂曲面相交的一组环曲线，并在这组环曲线中找到距离叶盘轴线距离最大的点；过此点和叶盘轴线的平面，再在这个平面内过所述此点做一直线，使该直线与叶盘轴线平行；再以此直线为母线绕叶盘轴线旋转得到叶盘的开槽内环面；沿着叶片进气边和排气边的边界线将叶片分为凸形的叶背曲面和凹形的叶盆曲面，一个通道内相邻叶片的叶背曲面、叶盆曲面和开槽内环面构成了一个通道的开槽区域；
[0010]步骤二:求取叶片干涉控制线；
[0011]根据几何原理求曲面间最小距离方法，利用三维设计软件直接求出，求取相邻叶背曲面和叶盆曲面距离最近的两个点P1和P2,由于通道内相邻叶背曲面和叶盆曲面呈两侧展开结构，可知所求取的该两个点靠近轮毂曲面；连接该两个点即为叶片干涉控制线，所求取的叶片干涉控制线的长度即为通道相邻叶片的最小间距；
[0012]步骤三:通道开槽临界线求解；
[0013]将步骤一中的开槽内环面以叶盘轴线为中心进行偏置，使得到的偏置面过步骤二中所求两个点中的叶背曲面上点，得到偏置面一 F1，同理过叶盆曲面上点得到偏置面二 F2;
[0014]求得所述偏置面一F1与叶背曲面的一条凸状相交曲线S1,同理求得偏置面二F2与叶盆曲面的凹状相交曲线S2;过步骤二中所求叶背曲面上点求取所述凸状相交曲线S1的单侧包络直线I1，求解过程应用最小二乘原理公式如下:
[0015]
【权利要求】
1.一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，其特征在于:所述开式整体叶盘盘铣开槽加工方法包括以下步骤: 步骤一:对开式整体叶盘通道开槽区域进行规划； 先定义垂直于叶盘轴线做一组截平面，然后截取得到与所述叶盘通道环形轮毂曲面相交的一组环曲线，并在这组环曲线中找到距离叶盘轴线距离最大的点；过此点和叶盘轴线的平面，再在这个平面内过所述此点做一直线，使该直线与叶盘轴线平行；再以此直线为母线绕叶盘轴线旋转得到叶盘的开槽内环面；沿着叶片进气边和排气边的边界线将叶片分为凸形的叶背曲面(2)和凹形的叶盆曲面(3)，一个通道内相邻叶片的叶背曲面(2)、叶盆曲面(3)和开槽内环面构成了一个通道(4)的开槽区域； 步骤二:求取叶片干涉控制线； 根据几何原理求曲面间最小距离方法，利用三维设计软件直接求出，求取相邻叶背曲面(2)和叶盆曲面(3)距离最近的两个点P1和p2，由于通道(4)内相邻叶背曲面(2)和叶盆曲面(3)呈两侧展开结构，可知所求取的该两个点靠近轮毂曲面(I);连接该两个点即为叶片干涉控制线(5)，所求取的叶片干涉控制线(5)的长度即为通道(4)相邻叶片的最小间距； 步骤三:通道开槽临界线求解； 将步骤一中的开槽内环面以叶盘轴线为中心进行偏置，使得到的偏置面过步骤二中所求两个点中的叶背曲面(2)上点，得到偏置面一匕，同理过叶盆曲面(3)上点得到偏置面二F2 ;求得所述偏置面一 F1与叶背曲面(2)的一条凸状相交曲线S1,同理求得偏置面二 F2与叶盆曲面(3)的凹状相交曲线S2 ;过步骤二中所求叶背曲面2上点求取所述凸状相交曲线S1的单侧包络直线I1，求解 过程应用最小二乘原理公式如下:
η _y = min ,( I )
?=1 其中X为S1上各点到I1的距离，y为X方差最小值；同理求得叶盆曲面(3)的凹状相交曲线S2的单侧包络直线I2，所求解的凸状相交曲线S1的单侧包络直线I1和凹状相交曲线S2的单侧包络直线I2即为通道开槽临界线； 步骤四:获取通道开槽可达加工域； 定义一个平面一 F3使其与叶盘轴线垂直相交；过步骤二的叶片干涉控制线(5)定义另一个平面二 F4,并使所述平面二 F4与所述平面一 F3垂直相交；将步骤三中求得的两条通道开槽临界线投影到平面二 F4分别得到两条直线，定义该两条直线分别是直线一 13和直线二14，定义两个临界平面分别是临界平面一 L1和临界平面二 L2,并使得临界平面一 L1过直线一I3,临界平面二 L2过直线二 14，使所述两个临界平面与平面二 F4垂直，将平面二 F4沿法矢量通道方向进行偏置，偏置距离为开槽工序最小加工余量，再使偏置后的平面二 F4与开槽内环面相切，得到开槽内环面偏置面，将临界平面一 L1进行偏置得到偏置面一 L11,将临界平面二 L2进行偏置得到偏置面二 L22,分别使偏置面一 L11距离P1点之间的部分为开槽工序最小加工余量，偏置面二 L22距离ρ2点之间的部分为开槽工序最小加工余量；求得的三个偏置面所划分出的步骤一的开槽区域即为通道(4)的开槽区域可达加工域； 步骤五:刀位轨迹的规划； 在步骤四通道的开槽区域可达加工域中，利用开槽内环面偏置面截取偏置面一 L11与偏置面二 L22分别得到两条直线和两条可达加工域临界直线，所述两条直线分别为第一条直线I11与第二条直线I22，对比两条可达加工域临界直线，定义长的那条加工域临界直线为·10 ;平移第一条直线I11与第二条直线I22，使该两条直线交点处在所述长的那条加工域临界直线Itl上，得到两条平移后的直线一 Itll与直线二 Itl2，分别过平移后的直线一 Itll与直线二102做平行于偏置面一 L11与偏置面二 L22的两个平行平面，两个平行平面分别是平行平面一L01和平行平面二 Ltl2,由此得出偏置面一 L11与平行平面一 Ltll，偏置面二 L22与平行平面二Ltl2所组成的两个固定轴盘铣槽；刀位点即为盘铣刀盘底面中心，刀轴为两个再偏置的第二偏置面法矢量，切削模式为单向切削，根据切削参数要求即可得到步骤四中通道的开槽加工域内的所有刀位路径； 步骤六:盘铣刀几何参数选取； 由步骤四获取的可达加工域利用三维设计软件直接算出开槽深度，开槽深度的二倍加上刀具内径d的和即为刀盘总体直径D选取最小值；刀体配套刀片刀刃宽度E由叶盘材料和步骤五中偏置面一 L11与平行平面一 Ltll,偏置面二 L22与平行平面二 Ltl2的几何间距参考选取； 使E< Δ d+n ε ,其中Δ d为固定槽间距,η为加工轨迹行数，ε为加工行距；刀片刃形由步骤四中可达加工域槽型选取，刀片为方形刀片；选取刀片的小角度正前角Y小于5°，后角α为6°~8° ； 步骤七:实现通道开槽盘铣； 根据步骤五的刀位路径和步骤六的刀具几何参数在计算机上应用通用工程软件UG中的CAM功能，把生成的加工程序根据第一条直线I11与所述长的那条加工域临界直线Itl之间夹角进行刀轴角度盘铣槽平移变换，同理根据第二条直线I22与所述长的那条加工域临界直线Itl之间夹角生成另一个固定轴盘铣槽加工程序；并在所述工程软件UG上进行仿真验证，最后把这个通道的加工程序根据叶盘通道数量按照每个开槽通道的夹角进行旋转变换即可得到整个叶盘的所有通道开槽加工程序；然后根据加工程序控制数控机床实现开式整体叶盘盘铣开槽加工。
2.如权利要求1所述一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，其特征在于:步骤二中，所述叶片干涉控制线(5)长度计算由曲面几何原理求曲面间最小距离方法计算得出或依据UG计算机辅助设计软件得出，所求取的叶片干涉控制线(5)的长度为19.73_。
3.如权利要求1或2所述一种开式整体叶盘盘铣开槽加工方法，其特征在于:步骤六中，所述刀体配套刀片刀刃宽度E由叶盘材料和步骤五中偏置面一 L11与平行平面一 Ltll，选取偏置面二 L22与平行平面二 Ltl2的几何间距为10mm，使E < 10+η ε。
【文档编号】B23C3/18GK103586518SQ201310631732
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】程耀楠, 安硕, 张悦, 刘献礼 申请人:哈尔滨理工大学