專利名稱：直紋面葉輪五坐標插銑加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工領(lǐng)域，主要涉及一種葉輪插銑加工方法，特別是涉及一種直紋面葉輪五坐標插銑加工方法。
背景技術(shù)：
插銑法又稱為z軸銑削法，其工作方式類似于鉆削，刀具沿主軸方向做進給運動，利用底部的切削刃進行鉆、銑組合切削，如圖I所示。插銑加工法是復(fù)雜曲面金屬切削實現(xiàn)高切除率最有效的加工方法之一，被廣泛的應(yīng)用在具有垂直側(cè)壁的零件的切削上。插銑法的加工效率遠遠高于常規(guī)的銑削方法，在需要快速切除大量金屬材料時，采用插銑法可使加工時間大幅度縮短。此外，插銑加工還具有以下優(yōu)點1)側(cè)向力小，減小了零件變形；2)加工中作用于銑床的徑向切削力較低，使主軸 剛度不高的機床仍可使用而不影響工件的加工質(zhì)量；3)刀具懸伸長度較大，適合對工件深槽的表面進行銑削加工并延長刀具使用壽命，而且也適用于對高溫合金等難切削材料進行切槽加工。雖然插銑加工擁有許多優(yōu)勢，但是過去和當(dāng)前對銑削加工的研究主要集中在使用端銑刀加工雕塑曲面時的優(yōu)化問題。很少能見到對插銑加工刀具路徑規(guī)劃的研究。文獻EL-MIDANY T T, ELKERAN A, TAffFIK H. Optimal CNC plunger selectionand toolpoint generation for roughing sculptured surfaces cavity[j]. Journalof Manufacturing Science and Engineering.，2006，128 (4) : 1025-1029,是少數(shù)公開發(fā)表的研究插纟先加工刀具路徑規(guī)劃的文獻。該文獻提出了重疊填充圓(over-lapped circlesfilling, Ocfill)算法來生成插銑加工的刀具軌跡，較好的解決了 2D區(qū)域內(nèi)的插銑加工刀具路徑的生成問題。但是該算法不能對刀軸進行控制(只能應(yīng)用在三坐標機床加工中)，無法針對具有扭曲型腔的零件生成插銑加工路徑。文獻KO J H, ALTINTAS Y. Time domainmodel of plunge milling operation[J]. Machine Tools & Manufacture. , 2007, 47(9):1351-1361，提出了一個插銑加工的機械和動力學(xué)時間域模型，但是也只應(yīng)用在三坐標銑削加工上。在工業(yè)生產(chǎn)中，有一類零件必須要求用五坐標機床才能對其進行加工，葉輪類零件就是典型代表。傳統(tǒng)的葉輪加工工藝規(guī)劃方案一般包括開槽、擴槽和精加工。其中開槽、擴槽部分相當(dāng)于一般的粗加工階段。大部分采用錐形球頭銑刀，先在流道的中間部分進行開槽，然后采用側(cè)銑法從流道中心向兩邊逐步擴展，一直到達到葉片粗加工的余量要求為止，最后再采用側(cè)銑或點銑法完成葉片的精加工。有資料表明，在開槽、擴槽階段的材料去除量很大，約為60% 90%，因此，粗加工的效率和工藝的優(yōu)劣對縮短加工周期及降低加工成本具有重要的意義。綜合葉輪零件粗加工所面臨的問題和插銑加工的特點，插銑法是葉輪類零件粗加工的首選法案。但是，由于葉輪類零件的流道(型腔)通常形狀復(fù)雜(如圖2所示)，因而在生成刀具軌跡的時候要求CAM軟件對刀軸的控制能力要非常高，既要保證插銑路徑均勻分布，又要保證刀具不同葉片表面發(fā)生干涉。因此插銑刀如何在多坐標數(shù)控加工中生成無碰撞的刀軸方向和優(yōu)化的刀位軌跡是當(dāng)前研究的熱點問題之一。文獻HUChuangguo, ZHANG Dinghua, REN Junxue, et al. Research on the plungemilling of blisk tunnel[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(2):p. 153-155.(in Chinese)[胡創(chuàng)國，張定華，任學(xué)軍，等.開式整體葉盤通道插銑粗加工技術(shù)的研究[J].中國機械工程，2007，18(2) :153-155]，進行了開式整體葉盤的通道插銑粗加工技術(shù)的研究，利用直紋面逼近葉輪的葉型曲面，通過連接刀心和刀軸上的對應(yīng)點，規(guī)劃刀具軌跡。但是該方法沒有考慮行距、步距的計算準則，無法保證插銑加工的材料去除率和加工效率(生成的刀具軌跡不一定最短)，對插銑加工的深層次的研究不利。另外，插銑加工是一種比較新穎的加工方法，目前還處在研究階段。通常普通的插銑方法只能在三坐標機床上完成插銑加工，對像葉輪這樣的窄流道、葉片扭曲大和深型腔
的需要用五坐標機床才能完成加工的工件通常無能為力。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的各種問題，本發(fā)明對復(fù)雜型腔插銑方法進行了研究，提出了一種直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，有效解決了上述問題。技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，其特征在于根據(jù)直紋面葉片的偏移邊界矢量，利用四元數(shù)插值方法計算插銑加工的刀軸矢量，提出并確定了五坐標插銑加工的行距、步距，規(guī)劃出刀具加工軌跡，從而對工件進行加工，該方法具體步驟如下a、邊界矢量的生成在工程中，直紋面的參數(shù)方程的表達方式為P(u, v) = (1-v)Q(u)+vW(u)(I)其中W(U)和Q(U)分別為直紋面葉片的葉頂線和葉根線，U、V分別為u向和V向
的參數(shù)；由三角形的幾何關(guān)系，建立計算邊界矢量的數(shù)學(xué)模型得如下方程組
.2<isin2(f/2)a = arccos(—)<^L2 + 4d2 sin2(//2)(2)
d = /f/sin(cO式中R為刀具半徑，L為中P1P2的長度，Y為P1C1和P2C2的夾角，a為P1C1和C1C2的夾角，d為刀具相對葉片的偏移距離；該方程組是一個非線性二元方程組，其中a和d為未知數(shù)；解方程組求得的a和d的值，計算出偏離直紋面指定距離的矢量即邊界矢量；b、邊界矢量的插值是在邊界矢量之間均勻的填充(插值)矢量作為插銑加工的刀軸方位，這樣，在上述步驟a已生成邊界矢量的情況下，通過合理的對邊界矢量進行插值，最終完成對邊界矢量所包圍的型腔的加工；旋轉(zhuǎn)運動采用四元數(shù)表示方式，用四元數(shù)插值法生成均勻切除量的刀具軌跡，保證插銑的過程中側(cè)吃刀量一直保持均勻，對插銑加工生成插值的刀軸矢量采用球坐標線性插值運算(Spherical Linear Interpolation,簡稱 Slerp), Slerp 的插值公式為Slerp (q0, q1； h) = q0(q0_1 * Qi)h(4)式中，h為插值參數(shù)，q0, Q1——代表四元數(shù)噸1——代表四元數(shù)的倒數(shù)，其計算公式為
權(quán)利要求
1.一種直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，其特征在于根據(jù)直紋面葉片的偏移邊界矢量，利用四元數(shù)插值方法計算插銑加工的刀軸矢量，提出并確定了五坐標插銑加工的行距、步距，規(guī)劃出刀具加工軌跡，從而對工件進行加工，該方法具體步驟如下 a、邊界矢量的生成 在工程中，直紋面的參數(shù)方程的表達方式為 P(u, v) = (1-v)Q(u)+vW(u)(I) 其中W(U)和Q(U)分別為直紋面葉片的葉頂線和葉根線，U、V分別為u向和V向的參數(shù)；由三角形的幾何關(guān)系，建立計算邊界矢量的數(shù)學(xué)模型得如下方程組
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，其特征在于步驟a中，邊界矢量的生成要依據(jù)吸力面和壓力面通過偏移一個刀具半徑來計算，為了給精加工留有余量，在偏移刀具半徑的基礎(chǔ)上，再偏移一個加工余量，余量為0. 1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，其特征在于步驟d中刀心點的計算，即邊界矢量和輪轂面的求交算法如下 直紋面葉輪的輪轂截面為圓弧截面，用解析幾何的方法來計算交點，圓弧截面繞Z軸旋轉(zhuǎn)后的曲面方程可以表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，其特征在于對于葉片形狀為自由曲面的葉輪，將自由曲面擬合成直紋面，再進行加工。
全文摘要
本發(fā)明是一種直紋面葉輪五坐標插銑加工方法，該方法步驟如下邊界矢量的生成，邊界矢量的插值，行距、步距的計算，刀心點的計算，刀具軌跡規(guī)劃，直至完成直紋面葉輪零件的加工。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中粗加工效率低下的缺陷，保證了插銑加工的材料去除率和加工效率，適于推廣應(yīng)用。
文檔編號B23C3/18GK102722137SQ20121022011
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者梁全 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)