组合曲面叶片的螺旋加工刀位轨迹生成

第14卷第11期计算机集成制造系统

Vol.14No.112008年11月

Computer Integrated Manufacturing Systems

Nov.2008

文章编号:1006-5911(2008)11-2243-05

收稿日期:2007-12-28;修订日期:2008-02-21。Received 28Dec.2007;accepted 21Feb.2008.

基金项目:航空科学基金资助项目(2007ZE53061);西北工业大学青年科技创新基金资助项目(W016216)。Fo undatio n items:Project supported

by the Aronautical Science Foun dation,China(No.2007ZE53061),and the Youth Science Foun dation of Nothw estern Polytechn ical U niversity,Chin a(No.W016216).

作者简介:单晨伟(1978-),男,山东茌平人,西北工业大学机电学院讲师,现代设计与制造技术教育部重点实验室博士研究生,主要从事数控

加工方面的研究。E -mail:shancw @nw https://www.360docs.net/doc/eb18458360.html, 。

组合曲面叶片的螺旋加工刀位轨迹生成

单晨伟,张定华,刘维伟

(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,陕西 西安 710072)

摘 要:为提高叶片加工质量和改进现有螺旋加工方法,提出了一种新的针对组合曲面造型叶片的四轴螺旋加工方法。该方法在叶片曲面造型过程中,将叶片曲面分割为叶盆、叶背、前缘和后缘四个区域。根据组合曲面叶片造型,提出了组合曲面叶片螺旋加工刀位轨迹生成方法和切触点的计算公式。最后,基于U G 软件平台,以二次开发方式编制了相应的数控编程模块,生成了连续光滑的叶片螺旋加工刀位轨迹。试验结果表明,该方法能够实现叶片的四坐标螺旋加工,并可有效提高叶片的加工质量。

关键词:叶片;组合曲面;加工;自由曲面;刀位轨迹生成;计算机辅助设计中图分类号:T P391.7 文献标识码:A

Spiral machining tool path generation for blade with compound surfaces

SH A N Chen -w ei,ZH A N G Ding -hua,LI U Wei -wei

(K ey L ab o f Co nt empo rary Desig n and Integ rated M anufacturing T echno log y,M inistr y o f Educat ion

No rthw ester n P olytechnical U niver sity,Xi p an 710072,China)

Abstract:T o improv e the blade machining quality and the ex isting spir al machining strateg y,a nov el four -ax is spiral machining appro ach fo r blade with co mpo und sur faces w as pr esented.In the modeling pro cesses,the blade surface was divided into four patches,namely the suctio n sur face,the pr essure surface,the leading and trailing edg e sur -faces.Based on t he Co mputer A ided Design (CA D)model of blade with compound surfaces,the spiral cutter contact po ints p calculation for mula and machining to ol path generation metho d w ere pr oposed.Finally ,based on the U G so ftwar e platfo rm,the numerical contr ol module w as pr og rammed by second dev elo pment.A nd t he smo oth and con -tinuous spr ir al machining to ol path for blade w as generated.Ex per imental r esult sho wed that the presented method co uld realize the four -ax is spira l machining of blade and impr ove the blade machining quality.

Key words:blade;co mpo und surf aces;machining;freefo rm surfaces;too l path generation;computer aided desig n

0 引言

叶片是一种典型的复杂自由曲面零件,在航空、水电、船舶行业有广泛的用途,是发动机、汽轮机和燃汽轮机中的关键部件。因此,提高叶片的设计水平和制造水平是一项至关重要的关键基础工作。由于航空发动机叶片的品种多、数量大、材料特殊、型面复杂、内部质量和外部质量要求高、而且机械加工

难度大,人们对此投入了大量的人力、物力,发展了各种叶片成形技术和工艺。常见的叶片加工方法有电解加工(Electro Chemical Machining ,ECM )、精密

锻造(precisio n fo rging )和数控加工(Num er ical Control machining,NC machining)。其中数控加工方法因具有较短的生产周期和良好加工质量而成为批量生产叶片首选的加工方式。叶身表面一般为直纹面或自由曲面。直纹面叶片适合于小或中等转速

计算机集成制造系统第14卷

比设计,用于中低转速比叶轮,加工方法较简单,已经具有成熟的加工编程算法,自由曲面叶片适用高转速比叶轮,其数控加工编程复杂,国外一般使用叶片加工专用机床进行加工。从国外引进的五坐标叶片加工专用机床(如意大利C.B,Ferrari公司和瑞士的StarragH eckert公司)可以针对自由曲面叶片进行螺旋加工,其加工效率和加工质量均可取得令人满意的结果。由于引进国外的叶片加工专用机床成本昂贵,分摊到每件叶片的加工成本很高,且其功能单一,无法挪做它用,很难在叶片加工车间普及应用,限制了国内叶片加工企业的加工能力;另一方面,采用普通数控机床加工叶片难以保证质量,只有留大余量,靠钳工打磨来保证质量,大大影响了叶片生产能力;此外,即使采用专用机床进行叶片加工,国内企业也往往为了追求更高的加工效率,留了012m m~014m m的加工余量,然后采取钳工抛光的方法进行再加工。因此,专用机床的使用效果并不是非常理想。

近年来,叶片形状出现了弯、宽、掠、扭、薄的特点,叶片在加工中让刀是造成加工精度损失的重要因素,采用螺旋加工方式在一定程度上可以减小单面加工叶片时因分别去除叶盆和叶背多余材料而引起的残余应力变形。为了降低生产成本,国内也开始利用四、五坐标机床进行叶片螺旋铣加工。而商品化的数控加工软件如U G,CAT IA,MasterCam, CAXA等还不包含针对叶片的专用螺旋加工算法。从国外引进的五坐标叶片加工专用机床上附带的叶片专用加工软件产生的加工轨迹还包含大量的专用机床特殊指令,且对机床的性能要求高,使得工厂无法利用普通四、五坐标机床加工出合格的叶片产品。因此,研究适用于普通四、五坐标数控机床的叶片螺旋加工方法显得极为必要。

1研究现状

相对于Zig-zag走刀方式来说,螺旋加工更适用于高速加工,因为螺旋加工只有一次进刀和抬刀,中间无抬刀过程,且切削刀位轨迹光滑连续。曲面类零件的螺旋加工,一般做法是在一个平面内构造一条螺旋线,然后将其投影到曲面上生成刀位轨迹,如UG 等商品化软件就是如此。目前,仍然有不少学者针对曲面类零件的螺旋加工展开研究,文献[1]根据等高线偏置法提出了一种等残留高度的螺旋加工方法,该方法适用于高速加工,并可以处理组合曲面的加工问题。文献[2]提出了一种新的基于等角投影法和平面螺旋线螺旋加工轨迹生成方法,该方法适用于一般复杂曲面的加工。文献[3]提出了一种叶片类零件四坐标高效螺旋数控编程方法,该方法给出的螺旋加工公式是一种等参数加工方法,其叶片螺旋加工方法不能很好地处理有边界约束的情况。之后,文献[4]对文献[3]的算法进行了改进,根据叶轮通道加工方法原理,提出了一种带边界约束叶片的通道螺旋加工方法,收到了良好的效果。但是因为缘头(前、后缘,也称为进气边和排气边)部分厚度很薄,有不少叶片缘头部分的厚度不足1mm,且叶片的缘头部分与叶背/盆曲面之间的曲率变化很大,不应该采用同一种方法进行切触点和刀位点的计算。

2叶片的组合曲面造型

叶片的结构特征主要包括叶身、橼板和榫头,叶身又可细分为叶尖、叶身中段和叶根,某些特殊叶片的叶身中段还可能带有岛屿。榫头有固定的类型,叶片的主要工作部分叶身由复杂自由曲面组成,其截面线是复杂的自由曲线。在设计的时候,叶片缘头部分和叶盆(叶背)的连接应是一种相切关系,然而实际情况并非如此,如图1a所示缘头和叶身截面线之间出现了间隙或相交的现象,并不是理想的相切关系。如果完全按照原叶片的设计数据点进行造型,便不能成功完成叶片造型。而且有些叶片的设计数据是通过逆向工程方法得到的数据,如通过三维坐标测量仪测量得到数据,这就难免产生误差,所以需要在造型之前修正数据点。

由于截面线造型结果经常出现不光顺,大量文献对截面线光顺进行了研究,常见的有能量法、圆率法、局部回弹法等。曲面放样是飞机、造船工业常用的曲面生成方法,放样法得到的叶片曲面可能是不光顺的。文献[5]采用最小能量法进行了曲线和曲面的光顺算法研究,文献[6]对叶片曲面光顺进行了研究。由于曲面光顺算法比较复杂,且往往要调整数据点,影响了其在工程实践中的应用。如果分别对截面线进行光顺,必将影响截面线的定义点在曲线上的对应参数值,进而影响曲面的性质,尤其是在缘头附近,参数曲线很容易发生扭曲现象。因此,缘头拼接问题必须得到合理的解决。下面将以前缘头(进气边)和叶背截面线的拼接为例,阐述缘头拼接的方法与步骤。

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第11期单晨伟等:

组合曲面叶片的螺旋加工刀位轨迹生成

步骤1 将叶背截面线缩短一定的距离,直到叶背截面线与前缘头圆弧之间的距离满足大于0105mm 小于015m m 的要求。

步骤2 从叶背截面线的端点出发做一条与缘头相切的直线。

步骤3 如图1b 所示,利用切线作为边界,剪切掉前缘头圆弧多余的部分,并删除该切线。

步骤4 如图2所示,假定b 0是前缘头的端点,b 2是叶背截面线的端点,b 1是前缘头端点b 0处切矢与叶背截面线上端点b 2处切矢的交点。以b 0,b 1,b 2作为控制顶点,可构造一条通过端点b 0,b 2并与前缘头圆弧和叶背截面线相切的二次有理B zier 曲线。二次有理B zier 曲线的定义方程为

[7]

p (u)=

(1-u)2

X 0b 0+2u(1-u)X 1b 1+u 2

X 2b 2(1-u)2X 0+2u(1-u)X 1+u 2

X 2

。(1)

式中0[u [1,X 0,X 1,X 2分别是点b 0,b 1,b 2的权因子。设X 0=X 2=1,X 1从0到1之间变化,二次有理B zier 曲线的形状可能为直线、椭圆弧或抛物线。在缘头拼接过程中,椭圆弧和抛物线是最好

的选择。

步骤5 如图1b 所示,将新生成的二次有理B zier 曲线和叶背截面线合并为一条曲线作为新的

叶背截面线。

用类似的方法可以生成一系列的叶身截面线,如果拼接后的叶盆、叶背截面线和缘头截面线合并为一条曲线,则通过截面线放样法构造出的叶身曲面就是一张封闭曲面。构造多张曲面组成的叶片曲面,不需要将缘头与叶盆、叶背截面线合并,此时的截面线可分为前、后缘头和叶盆、叶背四部分曲线。分别将缘头部分和叶盆、叶背部分截面线进行放样法造型,造型结果将是由四张曲面片组成的叶身曲面。这种造型结果便于将缘头部分和叶盆、叶背部分区分开,可在加工中针对缘头特点进行单独处理。

3 组合曲面叶片的螺旋加工原理

通道螺旋加工方法是由叶轮类零件的通道开槽

加工方法演化而来的[4]。当采用通道螺旋加工法加工组合曲面造型的叶片时,采用曲面等参数加工方法已经不能满足曲面之间的过渡要求,文献[4]提出的通道螺旋加工方法也需要作进一步的改进以适应组合曲面叶片的螺旋加工。

图3是关于组合曲面叶片通道螺旋加工的参数计算示意图,图中的五条纵向粗实线S k (k =0,1,,,4)代表了叶片各曲面的边界线,将叶片模型分成四部分,即四张曲面;叶身各曲面采用样条曲面表示法,用p (u,v )表示。沿叶片截面线方向为参数域u 方向,沿叶片径向为参数域v 方向,参数域u,v 取值范围为[0,1],在计算过程中以曲面ID 号对四个曲面进行识别。叶片曲面在叶尖端面方向的边界线为c 0。将榫头橼板内表面沿叶身方向偏置一个安全距离(至少等于加工中不会使刀具和橼板产生干涉的最小距离),得到一个新偏置曲面,该新偏置面与叶身的交线为c 1。c 0和c 1均为自由曲线,在不失算法一般性的情况下,可将其简化为直线表示。假设每张叶身曲面上提取的控制曲线数为n(n 随曲面不同而变化),控制曲线分别表示为t j (j =0,1,,,n),在图3中采用短划线表示。假设螺旋加工轨迹经过m 圈从c 0(或c 1)过渡到c 1(或c 0),则A ij (i =0,1,,,

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计算机集成制造系统第14卷

m)为叶片曲面切触点,顺序连接点A ij 可得叶片曲面切触点螺旋线。t j 与c 0的交点为P j ,t j 与c 1的交点为Q j ,t j 的等分点为L ij ,P j =L 0j ,Q j =L mj 。而控制曲线t j 经c 0和c 1裁减后,每一条控制曲线的参数域范围不同,

需要根据端点条件确定。

设u 0,v 0为0~1之间的某一常数,取u =u 0或v =v 0,可得曲面p (u,v)上的一条v 线p (u 0,v )或u 线p (u,v 0)。控制曲线的提取有多种方法:1等参数法,即将叶身u 参数区域等分,如果控制曲线需要n 条,就将u 参数区域等分成n -1份;o等弧长法,即提取曲面上一条u 线p (u,v 0),将该u 线等弧长分割,然后根据分割点参数提取控制曲线;?等弦高误差法,也是提取曲面上一条u 线p (u,v 0),将该u 线按等弦高误差进行分割,然后根据分割点参数提取控制曲线。固定等分点的u 参数,可在曲面上提取出一系列的控制曲线。

构造完整的叶片螺旋加工轨迹时,为保证精加工精度和一定的计算速度,在比较平坦的叶盆和叶背表面可采用等参数或等弧长方法,而在曲率较大的缘头处采用等弦高误差法是比较理想的一种选择。

利用控制线与其所属曲面的对应关系,A ij 点对应于所属曲面上的参数u 就等于控制曲线映射在叶片曲面上的对应参数u 。当沿着u,v 参数增大的方向构造螺旋线时,第k 张曲面上的点A ij 对应在所属曲面上的参数v 需要采用式(2)计算;当沿着u 参数减小、v 参数增大的方向构造螺旋线时,第k 张曲面上的点A ij 对应在所属曲面上的参数v 需要采用式(3)计算。点A ij 的参数可采用链表方式存储,因此若要计算u 参数增大、v 参数减小,或者u,v 参数均

减小的螺旋线切触点A ij 的参数v ,只需将链表反向即可。连接一系列的点A ij 的折线便是近似的螺旋线,但仅有这些点A ij 仍不能满足加工步长要求,还需要以A i(j -1)和A ij 两点的参数u,v 为端点条件,采用二分法求出满足加工步长误差要求的螺旋线所经过的其他切触点参数。

N =|S 0S k -1|

|S 0S 4|

,G =|S 0S k ||S 0S 4|,k =1,,,4

v A ij =v L ij +(v L (i +1)j -v L ij )((G -N )j

n

+N )

,

(2)

N =|S 4S k ||S 0S 4|,G =|S 4S k -1||S 0S 4|,k =1,,,4v A ij =v L ij +(v L (i +1)j

-v L ij )((G -N )n -j n

+N )

。(3)

在式(2)和式(3)中,v A ij 和v L ij 分别代表点A ij

和L ij 对应在当前叶片曲面上的v 参数。N ,G 为比例因子,|S 0S k |表示从第0条曲面边界线到第k 条曲面边界线之间的累加弦长。

在一定的误差范围内,相邻曲面的边界线可认

为是重合的。从图3可以看出,前一张曲面上的A in 点和后一张曲面上的A i 0点重合,这是因为前一张

曲面上提取的曲线p (1,v)和后一张曲面上提取的曲线p (0,v)是相邻边。采用式(2)和式(3)可成功实现切触点螺旋线在两张曲面之间的成功过渡。在实际计算中,边界曲线c 0和c 1为自由曲线,加工步长根据给定的弦高误差计算,螺旋刀位轨迹在c 0和c 1之间均匀过渡,因此螺旋刀位轨迹的光滑性能够得到保证。对于c 1边界与橼板之间的部分还需要进一步清根加工。

4 刀位点计算和加工实例

叶片螺旋加工可以采用四坐标或五坐标加工方法,从经济成本角度考虑,可采用成本较低的四坐标数控加工中心进行叶片的螺旋加工。刀位点计算包括计算刀位点坐标和刀轴矢量方向两部分。设环形刀具半径为R,刀头圆角半径为r,摆刀平面在YOZ ,旋转轴为X 轴,旋转轴单位矢量为b ,刀轴沿进给方向与加工表面法矢量倾斜角为后跟角B ,切触点为P,P 点沿摆刀平面内进给方向单位向量为f ,n =f @b,切触点矢量为r p 刀位点矢量为r o ,刀轴矢量方向为T a 。当保证刀轴方向在刀具摆刀平面内变化时,四坐标刀位点计算公式为:

r o =r p +r n +(R -r )(n sin B -f co s B ),

T a =n cos B +f sin B 。(4)

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第11期单晨伟等:组合曲面叶片的螺旋加工刀位轨迹生成

本文以大型计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)/计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)软件UG V18为平台,通过二次开发方式开发了用于叶片螺旋加工的编程模块,实现了组合曲面叶片的螺旋加工,计算出的四坐标螺旋加工刀位轨迹如图4a 所示,图4b 为其仿真效果图。本试验室进行了叶片的试验加工。采用JOH NFORD VMC850四坐标数控加工中心进行加工试验,试验现场如图5所示。所用刀具为硬质合金球头刀,刀具直径为8mm,刀长80mm 。结果表明,本文提出的组合曲面叶片的螺旋加工方法完全符合加工要求,解决了

叶片螺旋加工的缘头过渡问题。

5 结束语

本文通过将叶片曲面分成四个区域的方式改进

了叶片的螺旋加工刀位轨迹生成方法,可以单独针对缘头处进行控制,提高了编程和加工质量。该方法可以在四坐标四联动数控机床上实现叶片的螺旋加工,而无需采用成本较高的五坐标数控加工中心加工叶片,在一定程度上节约了加工成本。生成的刀位轨迹连续光滑,切削过程没有进退刀,可以直接采用高速铣方法进行叶片加工。参考文献:

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