整体叶轮轮毂曲面数控加工刀具轨迹规划方法

　　整体叶轮零件在航空航天、水电、船舶行业中有广泛的用途,是航空发动机中的核心零件,在国防工业领域占有重要的地位[1]。整体叶轮是一类典型的复杂零件,通常采用5坐标数控加工方法对其进行加工,加工过程中干涉碰撞情况严重。其加工区域可分为叶片曲面、倒角曲面以及轮毂曲面。目前研究较多的为叶片曲面精加工[2, 3]以及高效粗加工[4, 5]等,而对轮毂曲面以及倒角曲面的加工方法研究不多。笔者主要研究整体叶轮轮毂曲面的数控加工刀轨规划方法。

　　整体叶轮轮毂曲面是一类比较特殊的曲面,其特殊之处在于其有两条确定的边界作为曲面的约束,并且该曲面与垂直于叶轮对称轴线的平面的交线是一个圆。这两条边界通常为倒角曲面与轮毂的交线。因此,轮毂曲面的刀具轨迹可按照通道加工方法来处理[6]。该方法的显著特点便是利用通道的两条约束曲线来规划其刀具轨迹。但最根本的问题仍然在于如何依据这两条边界按照加工许可误差来规划刀具轨迹。

　　文献[7]介绍了通道加工方法原理,并将该方法用于裁剪曲面叶片的刀具轨迹规划问题上,但其刀轨规划以及刀触点的计算却并没有给出合理的方法;文献[8]首先根据所需的刀轨行数,计算两条边界曲线上同一截面高度上的对应点,将这两个点之间的夹角根据行数进行等分,得到各等分点;将两条边界曲线根据一定密度进行离散,所有对应的点均进行相似处理;将同一条刀轨上的点拟合,便为该行的刀具轨迹。该文章并没有给出合理的刀轨行数计算方法,同时也没有考虑刀轴矢量的规划。

　　与以上文献不同,笔者在轮毂曲面的两条边界约束下,首先根据轮毂曲面特点,根据加工许可误差要求计算出所需的刀轨数;然后通过采用将边界曲线绕叶轮对称轴线根据刀轨数量插值的方式规划了轮毂曲面的刀具轨迹,并推导出了轮毂曲面刀具轨迹的具体参数方程,根据该参数方程,可以方便的计算刀位数据。在刀轴矢量计算过程中,为避免干涉碰撞的发生,采用了设置关键刀轴矢量的方法,与已有线性过渡方法不同,笔者实现了刀轴矢量二阶连续光滑过渡,避免了加工过程中机床的震动现象,提高了零件表面加工质量。

　　1　轮毂曲面刀具轨迹规划策略

　　对于轮毂曲面,应采用球头刀来加工。本文假设所用刀具已经确定。以某开式整体叶轮为研究对象,其轮毂曲面半径为一定值。如图1所示为整体叶轮轮毂曲面及其两条边界曲线。

　　设两条边界线分别为pa=pa(u)与pb=pb(u)。根据整体叶轮工作特点,流体一般是沿着流道从进气边流向出气边。因此在加工过程中,刀具轨迹应尽量与流体流动方向一致,这有利于提高零件的工作效率。事实上,包括轮毂曲面以及叶片在内,均要求刀具轨迹方向应沿着流体的流动方向,这便是所谓的流线加工法[9]。