[發明專利]基于整體葉盤通道四軸數控加工的最大適用刀具半徑計算方法

有效

• 申請號: 201710554306.5
• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN107505913B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 常智勇;文近安;陳澤忠;李舸;高博鵬
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B19/402
• 分類號: G05B19/402;G05B19/404
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出了一種基于整體葉盤通道四軸數控加工的最大適用刀具半徑計算方法，首先考慮加工過程中整體葉盤通道與刀具的空間幾何關系建立葉盤通道對刀具尺寸的約束模型，并根據該模型研究在不同轉角下葉盤通道對刀具尺寸的影響，最后通過設計的優化算法計算出加工過程中的最大適用刀具半徑和對應的無干涉刀軸方向。本發明具有計算精度高、收斂速度快的特點。解決了整體葉盤四軸數控加工過程中最大適用刀具半徑及無干涉刀軸方位的計算問題，符合整體葉盤加工的實際情況，為合理選擇葉盤通道加工時所用刀具提供了理論依據，為實現整體葉盤通道的高效加工奠定了基礎。

技術領域

本發明屬于多軸數控加工的技術領域，涉及到航空發動機整體葉盤數控加工中最大適用刀具的計算方法，具體為一種基于整體葉盤通道四軸數控加工的最大適用刀具計算方法。

背景技術

整體葉盤是為了滿足高性能航空發動機而設計的新型結構件，其將發動機轉子葉片和輪盤形成一體，省去了傳統連接中的榫頭、榫槽及鎖緊裝置等，減少了結構重量及零件數量，避免榫頭氣流損失，提高了氣動效率，使發動機工作壽命和安全可靠性大大提高，結構大為簡化。

與整體葉盤諸多優點相對應，其制造工藝技術面臨著非常嚴峻的挑戰。由于其結構復雜：葉片薄、扭曲大、通道窄、深且開敞性差，加工精度要求高，尤其是葉片型面為復雜的空間自由曲面。特別是為了適應其高壓、高轉速的極端工作條件，其材質廣泛采用鈦合金、高溫合金等難加工材料。使得對整體葉盤的制造技術要求極高，國內研究最多、應用最廣泛、技術成熟度最高的加工方法是多軸數控加工方法。

整體葉盤數控加工工藝方案涉及通道的粗加工、葉片半精和精加工等一系列工序。整體葉盤的加工一般周期長、效率低，從毛坯到成型的加工過程去除的材料約占毛坯的60％-90％以上，其中絕大部分是在葉盤通道粗加工過程中完成的。因此，實現通道高效粗加工，對縮短整體葉盤制造周期及降低加工成本具有重要意義，同時也有利于后續葉片型面及輪轂表面的半精加工和精加工。

在目前的加工工藝方法中，無論是采用分層側銑，還是插銑，都有一個共同的問題，即刀具選取通常靠經驗判斷，而且為了保證加工過程無干涉，往往選用的刀具尺寸都比較保守。從切削加工的原理來看，大尺寸的刀具相較于小刀具而言具有很多優點：刀具的剛性和強度好，能以更大的切深和更高的進給速度去除材料，刀具后刀面磨損相對較慢，被加工零件的表面光潔度高。要進一步提高整體葉盤通道粗加工效率，應盡可能選用大尺寸刀具去除盡量多的材料，因而精確計算整體葉盤通道加工時的最大適用刀具成為了重中之重。

對于軸流式整體葉盤而言，其通道由形狀復雜的葉型自由曲面包圍而成，通道狹窄，開敞性差。葉盤通道的這一典型幾何特征極大地約束了采用大刀具加工葉盤通道，如何通過精確的優化計算來確定加工葉盤通道時可用的最大刀具半徑是一個亟待解決的問題，同時無干涉的刀軸方向優化也有很高的理論難度。為解決這一問題，本文根據葉盤通道與刀具的空間幾何關系建立了通道對刀具尺寸的約束模型，用于定義最大適用刀具半徑，并設計了一種高效穩定的全局優化算法用于求解最大適用刀具半徑。

發明內容

為了解決現有問題，本發明給出一種基于整體葉盤通道四軸數控加工的最大適用刀具半徑計算方法。考慮整體葉盤繞軸線旋轉不同角度時葉盤通道對刀具尺寸的約束也在變化，設計了一種優化算法對最大適用刀具半徑進行計算，解決了整體葉盤通道加工過程中最大適用刀具半徑及無干涉刀軸方向的計算問題。本發明所提供的計算方法能夠精確地計算最大適用刀具及無干涉刀軸方向，為使用大刀具高效率加工整體葉盤通道提供了基礎。

技術方案

本發明首先考慮加工過程中整體葉盤通道與刀具的空間幾何關系建立葉盤通道對刀具尺寸的約束模型，并根據該模型研究在不同轉角下葉盤通道對刀具尺寸的影響，最后通過設計的優化算法計算出加工過程中的最大適用刀具半徑和對應的無干涉刀軸方向。

具體的技術方案為：