基于分区域切削的离心压缩机叶轮五坐标铣削方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于机械加工领域，具体涉及一种基于分区域切削的离心压缩机叶轮五坐 标铣削方法。
【背景技术】：
[0002] 离心压缩机叶轮作为高性能透平叶轮等的核心部件，广泛应用于航空航天、汽车 船舶、石油化工等领域。这些产品的制造技术水平是衡量一个国家制造能力的重要标志。五 坐标数控精密切削是目前实现离心压缩机叶轮加工的一种主流工艺。
[0003] 离心压缩机叶轮空间扭曲的叶片能够在整个叶轮流道中控制流线轨迹，具有极高 的空气动力学特性。从五坐标数控精密切削方面来讲，离心压缩机叶轮的特点集中表现为 叶片薄、弯扭大、易变形且材料难加工。鉴于其自身的空间弯扭特性及加工过程中刀轴相对 于工件摆动的不可预见性，在切削过程中，随着切触点的移动，刀具一叶片一切肩处于接触 和脱离的动态变化过程中。而在气流通道的加工过程中，如何高效切除多余的金属材料是 实现整个离心压缩机叶轮高效率铣制的关键因素。所以，切削过程中切触点计算、干涉检 验、刀轴矢量优化等问题，一直是其精密切削方面的研宄重点。
[0004] 文献 "Chen, C. H.，Huang, W. N.，and Li, Y. W. 2012. An integrated framework of tool path planning in 5-axis machining of centrifugal impeller with split blades. Journal of Intelligent manufacturing, 23 (3)，687-698. " 尝试了一种离心压缩 机叶轮的分区域铣制方法。该方法划分离心压缩机叶轮加工区域，分段完成对叶轮叶片的 五坐标铣制。但是，该方法仅仅简单划分加工区域，对于各个区域类切削特征的提取、不同 切削特征的解决方案、各区域之间刀位轨迹的联接、气流通道的高效成型等均未作考虑，加 工轨迹杂乱、切削效率低下，只是一种初级阶段的尝试。
【发明内容】
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[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于分区域切削的离心压缩机叶轮五坐标 铣削方法。该方法基于实体模型空间几何特征及数控加工工艺特性，获取分区域气流通道 及叶轮叶片高效切削五坐标数控加工刀位轨迹，可实现离心压缩机叶轮等复杂零部件的高 效整体铣制，大幅度的提高各种行业所需复杂零部件的数控精密加工效率。
[0006] 本发明采用如下的技术方案：
[0007] 基于分区域切削的离心压缩机叶轮五坐标铣削方法，包括以下步骤：
[0008] 1)将离心压缩机叶轮的叶片、轮盘实体模型数据输入计算机，完成原始离心压缩 机叶轮造型；
[0009] 2)以双三次非均匀有理B样条矩阵形式数值表示叶片S (u，v)及短叶片Ss (u，v);
[0010] 3)提取短叶片前缘线并绕主轴旋转，获取其与叶片S(u，V)交线，将叶片S(u，V)划 分成为前后两部分Si (u,V)和St (u,V);
[0011] 4)分段的各长叶片、短叶片将加工区域分成三个子加工区域，分别用第1加工区 域、第2加工区域及第3加工区域表示；
[0012] 5)智能选取刀具的最大直径D1;
[0013] 6)选取带圆角平底刀作为切削刀具，计算粗铣阶段加工带宽；
[0014] 7)进行刀位轨迹的规划；
[0015] 8)进行刀轴矢量的计算；
[0016] 9)精铣阶段，将不用加工区域各自单独计算的刀位轨迹线光滑链接，实现流道精 铣；
[0017] 10)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 五坐标数控机床完成离心压缩机叶轮加工。
[0018] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，定义叶片S(u, v)由顶部到根部为v向、叶 片进口到叶片出口为u向，那么叶片S(u，v)用双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义为：
[0019] S(u，v) =vCuW+Q-vWiJu)，0 <u< 1，0 <v< 1，i= 1，2, ? ? ?，m，m为正整 数；
[0020] 其中U = (1，u, u2, u3) ;V = (1，v, v2, v3)(u)和为叶片的叶顶和叶根空 间曲线；
[0021] 定义k G (l，rn)为短叶片进口前缘线处位置，定义短叶片Sss(u，v)，则短叶片可 用双三次非均匀有理B样条矩阵形式定义为：
[0022] Ss(u, v) = vCs；i；1(u) + (l-v)Cs；i；n(u) ,0^u^l,0^v^l, i=k, 2, ...,m
[0023] 其中：U = (1, u, u2, u3)，V = (1, v, v2, v3)，(u)和 Cs，i，n(u)为短叶片的叶顶和 叶根空间曲线。
[0024] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，以k G (l，m)为基准，将叶片S(u, v)分割 成为前后两部分，分别定义为& (u，v)和St (u，v)，则有：
[0025] S^u, v) = vC1；i；1(u) + (l-v)C1；i；n(u) ,0^u^l,0^v^l, i = l,2, ...,k
[0026] St(u, v) = vCu'iO^O + Q-vWu'nOa)，0<u<l，0<v<l，i=k, k+1, ? ? ?，m〇
[0027] 本发明进一步的改进在于，步骤4)中，取叶轮的一个气流通道作为整个加工区 域，定义Si(u，v)为流道前部左侧叶片、SKwv)为流道前部右侧叶片以及所约束区域为第 1加工区域；定义S t(u，v)流道左后部左侧叶片、Ss(u，v)流道左后部右侧叶片以及所约束 区域为第2加工区域；定义SR s(u，v)为流道右后部左侧叶片、SRt(u，v)为流道右后部左侧 叶片以及所约束区域为第3加工区域。
[0028] 本发明进一步的改进在于，步骤5)中，在第1加工区域中定义？1为左侧叶片 Sju，v)上任一点、p rl为右侦1J叶片SRju，v)上任一点、屯为p丄和p ^之间的空间距离，贝1J 有：
[0029] dn= |px-prl
[0030] 定义MINCES p #卩p 之间的最小空间距离，贝丨」有：
[0031] MINd^ min (d n)
[0032] 定义加工所需最大刀具直径为Dp则有布尔关系式：
[0033] MINdi
[0034] 故，第1加工区域中最大刀具直径Di确定为适合于上述布尔关系式的最大值；
[0035] 第2加工区域及第3加工区域中最大刀具直径的确定方法与第1加工区域中最大 刀具直径Di的确定方法相同。
[0036] 本发明进一步的改进在于，步骤6)中，选取带圆角平底刀作为切削刀具，定义圆 角平底刀底面直线段半径为d、圆角半径为r，则有：
[0037] r+d =/2
[0038] 定义粗铣切削最大允许残留高度为h、加工带宽为L，则有：
[0040] 定义水平方向加工带宽为S、待加工曲面在切削点处与水平面的夹角为0，则 有：
[0042] 本发明进一步的改进在于，步骤7)中，具体的步骤如下：
[0043] 1)定义Cu，n(u)和CRu，n(u)为第1加工区域中两侧叶片曲面Sju, v)和SRju, v) 与流道底面的交线；
[0044]2)依据上述水平方向加工带宽为S，将Cu，n(u)和CRu，n(u)各自由两侧向流道 中间沿法线方向偏置S，并定义此两条偏置曲线为第一组刀位轨迹线；
[00