（机械电子工程专业论文）闭式整体叶盘切触点规划及刀轴矢量研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 作为航空发动机的关键零件，闭式整体叶盘的加工精度要求高，加工难度 大，通常采用多轴数控加工。因此开展闭式整体叶盘五坐标数控加工算法研究具 有重要的意义。本论文首先分析了闭式整体叶盘的造型结构和加工通道特点，并 结合对以往切触点规划算法的研究，提出了适用于整体叶盘的、以球头刀为加工 工具的等误差切触点规划算法，详细描述了算法中边界参数点确定、切削行参数 划分、走刀步长确定和型值点网格化四个步骤；然后在对自由曲面n c 加工中的 干涉情况和现有干涉检测方法进行分析的基础上，采用了离散曲面，基于点的投 影方法，并结合通道特点，建立了与通道相关的刀轴控制平面，从而简化了数据 存储问题和切触点刀轴矢量范围确定问题；最后给出了该算法在u gc a d 系统 中的实现。 关键字：闭式整体叶盘，切触点，等误差，干涉，刀轴控制 西北j 二业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t 一。_-。_。_-。_-。1。-。1。_h。_-_。-_-_。_。_一a b s t r a c t a st h ek e yp a r to ft h ea e r o e n g i n e t h eb l i s ki s u s u a l l yp r o c e s s e dw i t ht h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fm a n ya x e sd u et oi t s h i g i lm a c h i n i n ga c c u r a c ya n d d i f f i c u l tp r o c e s s i n gt e c h n i c s s oi t s g r e a t l ys i g n i f i c a n tt od e v e l o p5 - a x i sn c m a c h i n i n ga l g o r i t h ms t u d yt ot h eb l i s k f i r s t l y ，a f t e ra n a l y z i n gt h eb l i s k sm o d e l s t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gp a s s w a yc h a r a c t e r i s t i c ，c o m b i n i n gt h er e s e a r c ho fp l a n n i n g t h e a l g o r i t h m a b o u tc u t t e rc o n t a c t p o i n t s i nt h ep a s t ，t h e p a p e rp r o p o s e s a p r o g r a m m i n ga l g o r i t h ms u i t a b l ef o rt h eb l i s ko fc u t t e rc o n t a c tp o i n t sw i t hc o n s t a n t e r r o rb yt h eb a l lc u t t e ra n di l l u s t r a t e si nd e t a i lf o u rs t e p sw h i c hi n c l u d ed e t e r m i n i n g t h eb o u n d a r yp a r a m e t e r s ，p l o t t i n gt h ep a r a m e t e r so fc u t t i n gl i n e s ，d e t e r m i n i n gt h e s t e p - l e n g t ha n ds e l t i n go f ft h eg r i d d i n go ft h es u r f a c e s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h e a n a l y s e so ft h ei n t e r f e r e n c e i n s t a n c e si n p r o c e s s i n g t h ef r e es u r f a c e sw i t hn c m a c h i n i n ga n dt h ee x i s t i n gd e t e c t i o nm e t h o d s ，i ta d o p t sap o i n t - p r o j e c t i o nm e t h o d w i t ht h ed i s c r e t es u r f a c ea n dc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep a s s w a y , s e t su pa p l a n er e l a t e dt op a s s w a yb yw a y o fc u r e ra x e s d i r e c t i o nc o n t r o l l i n g ，w h i c hs i m p l i f i e s d a t as t o r ea n dc u t t e rc o n t a c tp o i n t sa x e sv e c t o rr a n g ec o n f i r m a t i o n l a s t l y , t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h mi nu gc a d i sg i v e n k e yw o r d s c l o s e db l i s k ，c u t t e rc o n t a c tp o i n t ，c o n s t a n te r r o r ，i n t e r f e r e n c e ， c u t t e ra x e s - d i r e c t i o nc o n t r o l l i n g i i 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越 来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时，随着航空工业、汽车工 业和轻工业消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越 高；此外，产品研制生产周期也要求越来越短。这样在2 0 世纪年代后期数控加 工技术作为能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题而得到迅速发展和广 泛应用。 数控加工技术是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有 关理论、方法与实现技术，它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基 础与关键技术。一般来说，涉及到数控机床加工工艺和数控编程技术两方面，其 中数控加工是采用数字信息对零件加工过程进行定义，并控锖8 机床进行自动运行 的一种自动化加工方法：具有对形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的 复杂曲线、曲面轮廓进行加工的能力；由于用数字程序控制实现自动加工，排除 了人为误差因素，且加工误差还可以由数控系统通过软件技术进行补偿校正；与 采用普通机床加工相比，生产率一般可提高2 3 倍，特别是在加工复杂零件时， 可提高十几倍甚至几十倍：并且只需改变零件程序即可适应不同品种的零件加 工，且几乎不需要制造专用工装夹具。因此加工的柔性好，有利于缩短产品的研 制与生产周期，适应多品种、中小批量的现代生产需要。 目前数控加工技术已广泛应用于航空航天工业、造船业、动力工业和机床工 具业等各个行业，方面对常规零件加工，以提高加工效率，避免人为误差，保 证产品质量，并以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期：另 一方面用于复杂形状零件的加工，如模具行腔、涡轮叶片等，该类零件在众多的 制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机产品的质量， 这也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。总之，数控加工技术在制造业 中的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加 过程联为一体，使零件的 c a d 、c a p p 和c a m 的一体化成为现实，使机械加丁的柔性自动化水平不断提高。 1 塑! ! 三些叁兰堡主堂堡堡奎 苎二童堕堡 鉴于此，数控加工技术已成为飞机制造机加工艺中最为关键的手段【2 】口 1 2 数控编程系统概述 在数控加工中，数控机床是加工系统的硬件，数控编程系统是加工系统中的 应用软件。数控加工技术的应用水平不仅取决于数控机床的精度、速度等硬件性 能，更取决于数控程序的效率和质量。因此，生成高效优质的数控代码一直是数 控加术研究中的重要课题。 概括地说，数控编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以确 定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等； 建立工件的几何模型、计算加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹或机床运动轨 迹；按照数控系统可接受的程序格式，生产零件加工程序，然后对其进行验证和 修改，直到得到合格的加工程序。 根据问题复杂程序的不同，数控加工程序可通过手工编程或计算机自动编程 来获得。手工编程是指编制零件数控加工程序的上述各步骤具有人工来完成，只 能解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程问题。计算机自动编程也即是计 算机辅助编程，它是借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序。 此时编程人员一般只需借助数控编程系统提供的各种功能对加工对象、工艺参数 及加工过程进行较简便的描述后，即可由编程系统自动完成数控加工程序编制的 其余内容。 数控编程软件从二十世纪6 0 年代出现到二十一世纪工业领域中的广泛应用， 其发展过程已经经历了三代： 第一代是以a p t 为代表的语言编程系统。它用专用语句书写源程序，将其输 入计算机，由a p t 处理程序经过编译运算，输出刀具中心轨迹，然后再经后最处 理，把通用刀位数据转换成数控机床所要求的n c 指令形式。由m r r 组织研制了 a p ti 、a p t i i 、a p t i 、a p t i v 、a p t - a c 和a i 吓s s ，各国在此基础上又发 展了带有一定特色和专用性更强的a p t 衍生语言，如美国的a d a p t ，德国的 e x a p t ，同本的h a p t 和f a p t 。 第二代是交互式图形编程系统。它沿两条路线发展， 条是专c a m 系统， 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 其成功典范是美国c n cs o f t w a r e 公司开发的m a s t e r c a m 。与m a s t e r c a m 匾 时发展 起来的c a m 系统还有s u r f c a m ，s m a r t c a m ，这种系统的特点是简单、实用，适 用于广大中小企业；另一条是和c a d c a m 集成系统一起发展，是c a d c a m 中 的c a m 模块或子系统。其代表有a p p l i c a t i o n 公司的b r a v o 系统，c o m p u t e r v i s i o n 公司的c a d d s 5 系统，d a s s a u l t 公司的c a t i a 系统，e d s 公司的u g i i 系统，a p 公 司的p e 系统，m a t r a d a t a v i s i o n 公司的e u c l i d 系统以及p t c 公司的p r o e ，这些系统 都是c a d ，c a m 集成系统，功能上各有千秋。如p r o e ，班) e a s 的实体建模功能 强大，编辑修改方便；e u c l i d ，c a t l a , c a d d s 5 ，u g l i 的曲面功能较强；c a d d s 5 ， c a t i a , u g i i 的加工功能较强。 第三代是綦于特征的c a m 系统。一类是直接面向加工的特征c a m 系统，如 b r i d g e p o r tm a c h i n e 公司推出的f c a t u r c m i l l 系统，另一类是基于特征的c a m 系 统，是建立在参数化特征造型系统之上的，如g s s l 公司的c a m w o r k 是一个与 s o l i d w o r k 无缝集成的基于特征的2 5 dc a m 系统，s o l i d w d r k s 9 7p l u s 是 s o l i d w o r k s 公司推出的基于w i n d o w sn t 的参数化造型系统，是第一个基于微机平 台的高度商品化的参数化特征造型系统。 此9 b c i m a t r o n 公司结合自动化n c 和基于知识的加工提出了智能n c 的概念。 该公司的产品c i m a t r o n 最近已经发布了1 2 0 版本。智能n c 与基于特征的加工的不 同之处在于：基于特征的加工只能局限于设计者造型时的几何特征，这些几何特 征与零件该采用何种优化方法来加工毫无关系；智能n c 则可以利用毛坯信息优 化随后产生的刀具轨迹，它还可以处理如斜面、水平区域、曲率、有无边界范围 等面向加工的技术特征。 我国对数控加工及编程技术的研究起步较晚，七十年代研究主要是以a p t 为 蓝本开发研制了一些数控加工自动编程语言系统，进入八十年代，首先在航空工 业开始集成化的数控编程系统的研究与开发工作，经过近3 0 年的不懈努力，自主 开发与技术引进并行，已在硬件系统、支撵软件、应用软件方面取得了较大的成 就。特别是微机c a d c a m 系统在我国许多行业得到广泛的推广和应用，在 c a d c a m 集成技术方面，无论是在理论上还是实践上都取得了大量成果。西北 工业大学、浙江大学、北航、华中理工大学等在编程理论的研究上都取得了一定 堕j ! 三些查堂堡主堂堡堡奎 塑二童堕笙 的成绩。北航海尔软件有限公司的c a d c a m 一体化软件c a x a 系列已经初步实 现了商品化，其最近推的c a x a 数控铣2 0 0 0 ( c a x a m i l l 2 0 0 0 ) 能够实现2 3 轴加工的自动编程。另外，国内企业在引进系统的应用和二次开发上亦取得了 相当大的成就。但从整体上看，我国c a d c a m 技术在基础研究和商品化方面同 国际先进水平仍存在较大的差距。特别是近几年来出现的一些新技术和计算机应 用技术突飞猛进的发展，如特征造型、参数化驱动、面向对象技术和智能n c 等 等。这方面我国仍处于初期研究阶段，仍有大量工作要做。 同时，由于数控编程技术有潜在的军事意义，国外厂家在出口技术上进行了 一定程度的封锁。因此，为解决各类复杂曲面的加工与测量问题，我国必须走自 力更生的道路。数控编程技术的进一步研究，具有十分重要的意义f 3 叫。 1 3 研究背景和意义 2 0 世纪4 0 年代初英国和德国先后发明了燃气涡轮发动机，在短短的半个世纪 中，航空动力技术进步巨大，对航空工业的迅速发展起到了关键性的作用，特别 是对军用飞机，其每一个大的飞跃都与发动机的技术更新密切相关。正是由于航 空发动机重要的战略地位，也由于它所具有知识密集、技术密集和资金密集的特 点，各航空发达国家都将其列为重点发展的高科技产品，但是目前能独立研制的 只有美、俄、英、法四国。而我国航空发动机技术的落后状况一直是制约我国航 空武器平台发展的“瓶颈”之一【7 1 0 目前我国第四代战斗机要达到超音速巡航，需要满足非常规机动等先进战机 指标，还必须配套推重比1 0 一级的涡扇发动机。对于我国武装直升机，为了完成 “进藏”的高原飞行任务，必须配套功重比9 一级的涡轴发动机。整体叶盘技术 是实现推重比1 0 涡扇发动机减重、功重比9 涡轴发动机减少压气机级数的关键技 术。它涉及到五坐标加工工艺和数控编程技术，这些都分别代表了当今国际同类 技术的最高水平。其主要内容就是围绕整体叶盘专用软件和数字化制造技术体 系，开展整体叶盘的制造特征模型与加工特征造型技术研究，整体叶盘的数控加 r = 编程、加l ：仿真与干涉验证技术研究，测量检验与误差分析技术研究，以及快 速响应制造坼元集成技术研究等。关键技术包括通道形态参数分析、通道加工区 4 蛹北工业大学顼士学位论文第一章绪论 域的合理划分、最大可用刀具半径确定方法以及五轴加工防干涉、最佳刀轴计算、 刀位轨迹生成这些内容嘲。 整体叶盘结构是8 0 年代中期出现的，它把发动机转子的叶片和轮盘做成一 体，是典型的整体、薄壁、难加工材料和复杂结构件，其制造技术综合难度很大， 主要体现在5 个方面：1 结构复杂一闭式结构、四面约束、通道窄深、开畅性差： 2 叶型复杂一超宽弦、大扭度、自由曲面；3 变形严重一叶盘加工残余应力引起 的变形大；4 精度难以保证一叶片薄、刀具细长、易产生弹性变形；5 切削加工 困难一毛坯大块金属性能的均匀住保证明难，切除量超过9 0 ，材料难加工、易 产生粘刀和冷作硬化，对刀具和切削参数选择要求高。早期的整体叶盘，通常是 两部分分别加工，然后焊接起来的。采用新的五坐标加工技术，使得叶盘的整体 式加工成为可能。与焊接方法相比，基于锻造毛坯加工整体叶盘，消除了焊接造 成的材料和几何热效应问题；加工完的零件在尺寸和精度上不需要进一步的加工 和二次处理；具有更高的加工精度和可重复性、更高的强度和可靠性；且无需专 用设备，特别适合新结构的快速反应制造，建立数字化生产线并快速扩散，形成 批量生产能力。 整体叶盘根据结构特点可分为闭式叶盘一带箍；开式叶盘一不带箍；大小叶 片转子一大叶片间含有小叶片的开式叶盘三种1 9 l ，如图1 1 所示。 c a ) 开式整体叶盘 ( b ) 闭式整体叶盘( c ) 大小叶片转子 图1 - 1 典型整体叶盘结构特点 本论文是针对闭式整体叶盘进行研究的。闭式整体叶盘结构采用了内盘，外 环与叶片一体化的结构，减少了不必要的连接，避免了气流损失、减少了结构重 量和零件数量；在气动布局上采用了宽弦、弯掠叶片和窄流道，从而提高了气动 效率；同时使发动机结构大为简化，推重比和可靠性得到了进一步提高。但闭式 叶盘的通道约束多、刀轴计算复杂、防干涉困难，且日前的商业化c a d c a m 软 s 壁j ! 兰些奎堂堡主堂垡垒塞 笙二童堕垒 件并不具有闭式叶盘专用数控编程功能。因此在此背景f 提出了此项研究。 1 4 闭式整体叶盘数控加工现状 早期的自由曲面加工通常采用三轴加工。近年来，随着机械、汽车、造船和 航空航天工业的迅速发展，各种有复杂曲面构成的加工零件如水轮机叶片、复杂 外形的模具等，愈来愈复杂，三轴数控加工已经远远不能满足现有各种零件加工 的要求，因此，多轴( 四轴和五轴) 数控加工所占的比重将逐渐增大，以适应各 种复杂曲面零件高效率加工的需要。特别是对闭式整体叶盘，只能采用五坐标数 控加工，相对于三坐标加工，五坐标加工多了两个旋转自由度，这使得五坐标加 工中刀位轨迹、刀轴矢量和干涉检查的计算非常复杂。其中刀位轨迹的生成和优 化以及干涉检查和处理是五坐标加工中的关键技术。 作为航空发动机的关键部件，整体叶盘是三维复杂曲面。它有如下特点：加 工面积大，曲率变化相对平缓。因此对其加工工艺的研究不仅要吸收借鉴一般曲 面加工工艺的研究成果，还应该充分考虑大型叶片曲面自身的特点。作为自由曲 面，整体叶盘五轴加工工艺的问题同曲面多轴加工的问题是基本相同的，主要涉 及叶盘曲面的加工轨迹规划、干涉处理、加工刀具参数的选区等等问题。虽然对 曲面加工轨迹优化研究直是国内外曲面加工中的热点研究问题，但是难度大， 问题复杂，目前尚未见到对曲面加工轨迹进行较为全面研究的文献报告，对整体 叶盘的加工轨迹研究亦是如此。 随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计和计算机辅助制造 ( c a d c a m ) 技术已广泛应用于军用和民用产品的设计、生产和制造的各个领 域，其发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要 标志之一。目前，世界各国为了加快高性能发动机的研制速度，竞相采用 c a d c a m 技术。当今世界航空发动机技术飞速发展，先进的新型发动机不断 出现，其研制周期和技术寿命大大缩短，其中一个重要因素是得益于c a d c a m 技术的应用。c a d c a m 技术的应用大大提高了航空发动机的设计和制造水平， 加快了航空发动机技术的发展。 存c a d c a m 技术的不断发展中，市场卜出现了u g 、c a t i a 、p r o e 、 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 m a s t c r c a m 、s o l l d w o r k s 、s o l i d e d g e 等成熟的三维c a d c a m 软件，这些c a d c a m 软件的出现为解决叶片的设计加工等问题提供了一种很好的工具，其中u g 在我 国的航空工业中被广泛采用。叶片叶盘c a d c a m 是一个统一完整的系统，是指 在叶片设计和制造过程中，计算机辅助完成叶片设计( c a d ) 、工装设计( c a d ) 、 工装和叶片的数控加工( c a m ) 等一系列工作，这样可以提高叶片的生产效率、 降低生产成本、提高加工质量。 但是这些c a d c a m 软件属于通用的商业软件。针对通用商业化软件的特 点，国外一些叶轮制造公司在u g 、c a t i a 、p r o e ，e u c k l i d 等通用软件上，通 过二次开发建立自已的叶轮专用软件：如，日本a i k o k ua l p h ae n g i n e 町i i 堰 c o r p o r a t i o n 曾在c a t i a 软件上开发出叶轮专用软件。该专用软件具有变过渡圆角 直纹面、自由曲面叶轮数控加工编程功能，但无闭式整体叶盘通道加工功能。 直到2 0 年6 月，北美n r e c 公司与c o n c e p t se t i 合并组成c o n c e p t sn r e c 后， 推出c o n c c p l s _ n r e c - - - - - c a m 软件。该软件是国际上唯一具有闭式叶盘加工功 能的商品化软件，其技术水平在世界范围内处于绝对领先地位。该软件在n r e c 公司原有的直纹面叶轮侧刃铣模块m a x 5 、自由曲面叶轮点铣模块m a x - a b 基 础上，新增加了闭式叶轮通道整体铣模块m a x s i 。 美国洛克西德马丁公司为j s p 攻击机研制的升力风扇整体叶盘，采用五坐 标整体铣削，从叶盘通道两侧对接加工完成，加工出了迄今最大的闭式叶盘。但 由于国外对整体叶盘技术的严密封锁，能收集到的资料极少。 我国对c p ，c m 系统的研究开始于7 0 年代，至少有二十年的历史，其问研 究成果很多，比较著名的系统有：北京航空航天大学的p a n d a 系统、清华大学 的g e m s 系统、西北工业大学的n p u 系统等。其中有些系统的技术水平接近世界 水平。同时在整体叶盘相关软件和加工关键技术方面也进行了大量研究。西北工 业大学与中国燃气涡轮研究所、北京航空航天大学合作，率先开展了整体叶盘先 进制造技术的研究，开发出了“叶轮类零件多坐标n c 编程专用软件系统”，打破 了国外对整体叶盘多坐标加工技术的垄断，该系统具有多轴数控编程能力，集测 量数据预处理、曲面建模、曲面消隐、刀位计算、刀位验证及后置处理于一体， 已在2 0 多种叶轮叶盘的研制与生产中应用，而且已具有部分整体叶盘加工的能 堕j ! 三些盔兰堡主鲎丝堡苎 苎二童堕垒 力，其功能与m a x 5 、m a x a b 相近，但不具备闭式整体叶盘通道加工功能。 1 5 论文研究内容及章节安排 本论文的研究内容是针对闭式整体叶盘的切触点规划和刀轴矢量确定。在 分析闭式整体叶盘的造型结构和加工通道特点的基础上，结合对以往切触点规划 算法的研究，提出了一种适用于整体叶盘的等误差切触点规划算法，并分析了自 由曲面n c 加工中的干涉情况和现有干涉检测方法，建立了一个初步的切触点刀 轴确定算法。各章内容安排如下： 第一章绪论 首先介绍了数控加工技术和数控编程的基础知识，结合本论文题目的来源和 课题背景，分析了国内外闭式整体叶盘数控加工的现状。随后引出了本论文研究 的内容和方向。最后对本文的章节安排进行了说明。 第二章叶盘造型及加工工艺分析 首先对闭式整体叶盘的造型进行了简单的说明，分析了叶盘加工通道区域； 并根据后续工作的需要，简单介绍了叶盘加工的工艺路线和刀具选择的原则。 第三章切触点计算及参数化 结合对以往切触点规划算法的研究，选用了一种适合五坐标加工的等误差 切触点轨迹方法，提出了适用于整体叶盘的、以球头刀为加工工具加工算法。本 章对叶身和内盘外环切触点规划算法分别进行了介绍。 第四章刀轴矢量确定和加工区域划分 首先分析了自由曲面n c 加工中的干涉情况和现有干涉检测方法，结合闭式整 体叶盘的特点，采用了基于点的离散曲面投影方法；并根据通道特点，建立了与 通道相关的刀轴控制平面。 第五章算法实现及实例 在上述研究成果及有关理论的基础上，结合对总体设计思路的把握，初步 构思了叶盘的总体操作流程。 第六章结束语 西北工业大学硕士学位论文 第二章叶盘造型及加工工艺分析 2 弓i 言 第二章叶盘造型及加工工艺分析 对时盘类零件而言，从设计、造型到加工，无论哪一个步骤，都是一个很复 杂的过程。而且针对它们的研究也一直没有中断过，其中的许多问题现在依然无 法解决，始终困扰着众多的设计和制造人员。为了获得满足要求的零件，准确的 再现设计思想的三维造型结果是非常重要的，可以说建立零件的实体模型是进行 数控加工的必要基础。 实体模型技术是发展较成熟的造型技术，它与完善的曲面造型技术共同构成 现代c a d c a m 技术的基础。实体模型能够完整地表达物体的几何拓扑关系，是 数控加工技术的基础。数控加工技术一般要求建立待加工件的实体模型，从实体 模型中提取曲面模型用于曲面分析和选定数控加工中刀具参数以及生成加工刀 位轨迹。参数化实体造型技术是近年来发展迅速的用来提高生产效率的实用技 术，它通过定义各种几何约束如平行关系、垂直关系、相切关系等和尺寸约束建 立完整的尺寸链，在保持拓扑关系不变的前提下修改尺寸，达到尺寸驱动的目的。 现代的大型c a d c a m 软件系统如u g 、p m - c n g i n c c r ，都具有建立复杂的实 体模型和曲面模型的功能，本课题所选用的u g v 1 8 在实体造型技术方面具有强 大的功能，基本可以满足建立整体叶盘实体模型的要求，同时还可以从实体模型 中提取必要的曲面模型。 在零件造型完成后，就需要考虑零件的加工工艺。加工工艺的合理确定对实 现优质、高效、经济韵数控加工具有极为重要的作用，从加工角度看，也就是在 数控加工过程中需要考虑一系列的加工工艺过程，如选择刀具、装夹方式、加工 方式等。对数控加工工艺的制定需要丰富的加工经验，这是数控加工成败的关键， 而且叶盘的机械加工特点与其他零件相比要复杂的多。 2 2 闭式整体叶盘的结构特点及造型原理 闭式整体n f 盘是现代高推重比航空发动机采用的新结构，如图2 。1 所示。浚 堕i ! 王些盔堂堕主堂堡堡奎 苎二三皇吐垄堕型墨垫三王茎坌堑 结构采用了内外环与叶片一体化结构，减少了结构问的连接，避免了榫头气流 损失、减少了结构重量和零件数量；在气动布局上采用了宽弦、弯掠叶片和窄流 道，提高了气动效率；同时使发动机结构大为简化，推重比和可靠性得到了进一步 提高。其中外环盘与内盘均为沿同一中心轴的旋转体，绕旋转中心轴均布多个叶 片。 图2 - 1 闭式整体叶盘结构 内盘是一个回转体，而且是连接件，要承受气流压力，起到支撑叶片和传递 动力的作用。在数控加工中是首先要加工的部分，也是加工精度要求较高的部分。 同时在加工过程中应将定位基准选择在内盘。在u g t i 中构造内盘实体的方法是 首先构造内盘截丽的二维闭合啦线，再通过对称轴旋转扫描闭合曲线一周即可得 到内盘的实体模型；外环是一个薄壳回转体，实体的构造方法是类似于内盘实体 的构造方法，先构造外环截面封闭曲线，再通过对称轴旋转扫描成外盘实体。如 图2 - 2 所示， 图2 - 2 内盘、外环实体模型 叶片为通过各叶片截面三次样条曲线的拉伸实体，各截面曲线分别出前缘、 西北工业大学硕士学位论文第二章叶盘造型及加工工艺分析 叶背、后缘、叶盆四段曲线组成，如图2 3 所示。叶片在设计上扭转角度较大， 厚度薄，叶片数目多，一级叶盘有1 2 片，二级叶盘有2 2 片。在设计要求上，前缘 与后缘均为圆弧，要求保证其与叶背、叶盆的相切，叶盆与叶背均为三次b 样条 曲线，在构造叶背与叶盆三次b 样条曲线时实质上是通过反求顶点得到特征多边 形端点，边界条件为第一个特征多边形的第个顶点和最后一个特征多边形的最 后一个顶点重复取两次。 前缘 u - i - 盆 厂 1 后缘、 _ 图2 - 3 叶片截面曲线特征 原始叶片截面线的前缘与后缘均不能与叶盆线很好地相接，为此过叶盆曲线 端点作与前缘和后缘的切线，经过剪裁与重新拟合后得到整根光顺的截面线。通 过以上步骤可以得到所有的截面线。 为了使通过这些截面线的曲面光顺并具有良好的参数线，需要在通过各个截 面作曲面前对各个截面线进行以下处理： ( 1 ) 定义叶盆线端点和叶背线端点为关键点。 ( 2 ) 定义前缘点和后缘点为关键点。 ( 3 ) 定义叶盆线最高点和叶背线最高点为关键点。 ( 4 ) 以这些关键点对整个截面曲线重新参数化。重新参数化的方法有许多种， 最常见的为等弧长参数化，即沿曲线弧长的参数u 取值在( o ，1 ) 之间且均布。 经过处理后的截面线按照关键点对齐的方式( 即各个截面的相应关键点的参 数v 取值相同) ，并调整叶片上必要的数据点及相应的参数值，然后沿各截面拉伸 扫描成实体模型，经过这种方法得到的实体模型的参数“、v 取值较好，不会发生 兰垡生些螳堡主望些鲨苎 一 蔓三兰竺垄堕型墨塑三三茎坌堑 曲面局部过密或参数线扭曲的现象【1 1 1 ，如图2 4 。 图2 4 叶片放样截面线组及叶片实体 2 3 叶盘加工通道区域分析 单个气流通道是在两相邻叶片之间，并由内盘和外盘所包含，如图2 - 5 所示。 在通道加工过程中首要就是要界定单个加工通道的加工范围，即加工区域的各个 切触点参数值或切触点坐标值。 图2 5 叶盘加工通道区域 如上小节所述，叶身型面设计过程通常是先设计出叶型的各截平面曲线外 形，然后将各截平面在径向放样。在放样时还进行了曲面防扭曲处理1 1 3 - 1 4 。如图 2 - 6 所示( u 向为截面线构造方向，v 向为山截面线牛成叶型曲面的扫掠方向) ，最 初的叶身i 维实体造型结果并不全是最终需要的叶身部分，在u g 中的叶身造型 一般进行了延展，叶身顶底部是要去除的。其实，真m 的原因足设计图纸中给 西北工业大学硕士学位论文 第二章叶盘造型及加工工艺分析 定的尺寸大于实际叶身尺寸，这是为了保证叶身设计结果的准确性和加工的需 要，所以需要划定叶身的边界，一个是叶身与内盘的裁剪部分，- - + b 环的裁剪部分。超出内环外环型腔的部分属于非加工区域，所要计算的切触点 范围应该限制在内盘外壁和外环内壁间的型面区域内，所以叶身加工切触点规划 时首先需要确定边界参数点。 图2 - 6 叶身曲面造型中使用的截面线 内盘外环的情况不像叶身那样具有超出的一部分，因此不涉及裁剪问题。 只是通道内属于内盘b i - 环的那部分有效的加工区域由上叶片的叶背和下叶片的 叶盆界定( 如图2 7 所示) ( i - 下叶片按逆时针方向规定) ，这样参与单通道刀位 轨迹规划的型值点就受到了限制。 图2 7 单通道内盘外环加工区域 两北工业大学硕士学位论文 第二章叶盘造犁及加t 工艺分析 2 4 叶盘数控加工工艺分析 2 4 1 叶盘加工的工艺路线 整体叶盘一般采用难加工的钛合金( 或高温合金) 材料，毛坯锻件的余量过 大，材料切除率超过9 0 ，为此根据围绕提高效率、降低切削应力，制定了一种 加工工艺路线f l l j ： ( 1 ) 对毛坯进行基准面的车削加工，加工出整体叶盘回转体的基本形状。即 加工出内盘及外盘的基本轮廓。 ( 2 ) 叶盘气流通道的开槽加工。在一般情况下开槽加工中的位置选在气流通 道的中间位置，先用钻头钻孔，再采用平底锥柄棒铣刀从里向外铣削加工，采用 从进气口和出气口两头分别开槽的方法，最后连接成一个完整的通槽。 ( 3 ) 叶盘气流通道的扩槽加工。开槽完毕后，从开槽位置开始，采用球形锥 柄捧铣刀，从里向矫往两边叶片扩槽，扩槽切削宽度与刀具轨迹数目根据气流通 道表面道痕要求决定。同样采用从进气道和出气道两头分别扩槽的方法。 ( 4 ) 叶盘气流通道的粗加工。为了最大限度地保证精加工的质量和效率，必 须对气流通道表面进行粗加工以保证叶型留有一定的精加工余量。绝大部分的气 流通道表面可以采用三坐标数控加工，但一部分气流通道表面将采用五坐标加工 方式。 ( 5 ) 叶盘气流遥道的精加工。采用从进气道和出气道两头分别进刀加工气流 通道，选用合适的球形锥柄棒铣刀对加工区域均匀走刀，最终形成完整的气流通 道。 ( 6 ) 叶盘的清根加工。在叶片与内盘和外盘接合处要求为变半径圆滑过渡区 域，必须采用小直径球形锥柄棒铣刀对过渡区域进行单独加工，采用半径递减法 逐步加工过渡区域。 ( 7 ) 对于现代数控加工来讲，数控自h 工后一般还要进行研磨和钳工修理，将 剩余的未加工余量完全去除和修理加工残余痕迹。 西北工业大学硕士学位论文 第二章叶盘造型及加工工艺分析 2 4 2 刀具的选择 叶盘加工中的刀具选择比较严格。选择刀具时应考虑毛坯材料、机床、允许 的切削用量、刚度和耐用度、精度要求、加工阶段。叶盘数控铣过程中常用的刀 具有球头刀和端铣刀。其中端铣刀主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体 轮廓( 如大型叶片、螺旋桨、模具等) 的多坐标铣削，具有切削速度稳定，切削 效率高，刀具磨损小，包络的曲率分布可大幅度变化，且便于计算等特点，但刀 身结构比较复杂( 由圆柱面、四分之一外圆弧面和底圆平面组成) ，活动范围小； 球头刀是三维立体轮廓加工的主要刀具，加工时刀具中心轨迹是由零件轮廓沿其 外法线方向偏置一个刀具半径而成，即使在三坐标加工情况下，除了内凹的暗角， 均可加工，因此加工对象的适应能力很强，编程与使用较方便，刀具成本低，装 夹方便，加工表面粗糙度小，其缺点是切削速度差别过大( 在回转轴线处切削线 速度为零。容屑空间小、切削角度差) “”。 闭式整体叶盘的叶片表面为带实约束面的腔槽侧面，逶道开敞性差，需采用 五轴端铣加工方式，且分别从进、出气边对接的工艺方案，鉴于此，在闭式整体 叶盘成型加工时采用球头刀。 2 5 本章小结 本章介绍了闭式整体叶盘的结构特点和叶盘加工的部分典型加工工艺。首先 分析了叶盘的结构工艺性，重点分析了叶盘的造型原理，这是进行后续工作方法 选择的基础，并针对研究的重点介绍了叶盘通道的特点，阐述了闭式整体叶盘的 各个加工阶段以及分析了两种常用刀具的优缺点。 竺堕笠e ! 坠堂堕主兰篁堡壅 塑三童塑塑皇塑生塞堡墨墼堡 第三章切触点计算及参数化 3 1 引言 曲面数控加工在航空、航天、造船以及汽车等制造业占有非常重要的地位。 目前曲面加工刀位轨迹的规划方法主要有：( 1 ) 等参数线法。该方法采用曲面上的 等参数线来生成加工轨迹。为了满足加工精度的要求，该方法必需选用合适的加 工行距使具有最大残余高度的地方也满足加工精度要求。( 2 ) 等截面线法。采用 一组平行截面与曲面求交，以二者的交线来生成曲面加工轨迹。与等参数法相同， 为了满足加工精度的要求，必须选用合适的截面间隔距离使具有最大残余高度的 地方满足加工要求。( 3 ) 投影法。投影法的基本思想是先在驱动几何体上按一组 事先定义的规则进行轨迹规划，然后按照一定的投影法则将驱动几何体上的轨迹 投影到被加工曲面上，并且保证生成的刀具轨迹不切入检查面，由此得到的被加 工曲面的刀具轨迹。( 4 ) 导动面法。这种方法是通过引入导动面来对走刀过程进 行约束，使走刀过程中刀具始终保持与被加工表面( 零件面) 与导动面相切。这种 方法的代表是a p t 的刀具轨迹生成算法，采用数字迭代搜索来确定刀具运动过程 中每一步的位置，使其到零件面与导动面的最小距离满足给定的编程精度要求， 从而得到刀具轨迹。 等参数线法和等截面线法虽然算法简单，但两种方法都存在加工后残余高度 分布不均匀的现象。实际加工中为了保证加工精度而使走刀行距变小，有的地方 精度过高从而使加工效率不高。投影法常常用于复杂曲面的加工，其优点是稳定 性好，适用范围非常广泛，但是由于投影法是在导动几何体上而不是被加工曲面 上生成轨迹，没有考虑到被加工曲武的局部性态，其加工参数往往根据经验确定， 所以就难以保证m i 精度。导动面法的主要缺点是数值迭代计算量较大，并存在 迭代是否收敛的稳定性问题，特别是对跨曲面连续加工的处理更为困难。在三 坐标加工时，导动面法一般只能采用球头刀加工，此时的刀具轨迹在本质上是被 加工曲面的等距面与导动面的等距面的交线，即使这样，其处理也比较复杂。因 此，导动面法一般多用于对组合曲面的交线进行清根处理。以上四种方法是嗣前 的数控1 j h ：e 自动编程系统( u ( ，m a s t e r c f i m ，p r o l ! 等) 中常用的方法。这些力法 1 6 堕j ! 三些查堂堡主兰垡笙塞 笙三皇塑塑盛塑生簦垫窆墼垡 只达到了把曲面加工出来的目的，并没有考虑轨迹的优化和加工效率的提高n 一， 1 5 - 1 8 ) 。考虑到大型叶盘的特点，上面的这几种方法并不适于大型叶盘叶片加工刀 位轨迹的生成。影响加工轨迹的因素包括所选择的刀具、加工精度要求、走刀步 长和行距和走刀方向等，如何合理的确定这些参数，从而实现对刀位轨迹的优化， 是叶盘加工轨迹优化中应当考虑的问题。 3 2 诳式叶盘叶身加工切触点规划算法 刀位点信息由两部分组成：刀具中心点坐标和刀轴矢量。设l ： c ，a ，l 为 刀位点，c 为刀具中心位置矢量，a 为刀轴方向矢量。本文为了后续计算的方便， 将刀位中心位置矢量再分解为切触点位置和曲面点法矢。 定义被加工曲面与相邻曲面的交线为检查曲线，相邻曲面为检查曲面。 考虑到叶盘内叶身的造型原理，即在对单个叶片造型完成后，以叶盘主轴为 圆形阵列旋转轴旋转生成其余叶片，因此以后的算法在针对叶盘的单个加工通道 分析时，通道组成的叶片参数确定过程仅仅是对象的不同，可简化为对一叶片进 行分析，只在确定切触点时考虑各个叶片对象。 对于叶盘叶身曲面，如果曲面点对应的刀位点与检查曲面的最近距离大于有 效偏置距离( 刀具半径+ 安全距离) 则为有效曲面加工点；在和检查曲面最近的 有效切触点与检查线之间的曲面点仅用于确定刀轴矢量。 叶片采用样条曲线表示法，沿叶片的截面线方向为参数域u 方向，沿叶片径 向为参数域y 方向。考虑到叶身与内外环的交线并非在同一参数线上，采用 等参数线规划切触点方法会增加清根工作量，同时因为叶身的扭曲严重，造成加 工中存在大景的未加工区域。同时为了满足叶盘的气动性能，切削行方向的确定， 需要沿叶盘旋转轴方向。基于该思想，本文提出如下切触点规划算法： ( 1 ) 提取一条r 向线，用内环外壁外环内壁的偏簧面( 偏置量= 刀具半径+ 安全距离) 和内环外壁外环内壁裁剪，即确定提取线的有效加工范围及用于刀 轴矢量确定的辅助点； ( 2 ) 以一条y 向线作为行距确定线，在其有效范围内离散出满足残余高度的 型值点，并确定各型值点的相应参数值； 堕j ! ! ：兰兰叁堂堕主堂竺笙窭 茎三童塑塑盛塑生簦垫叁塑些 ( 3 ) 求步长确定线( 本算法选用等y 参数线) 上满足加工要求的离散点列以及 相应的参数值； ( 4 ) 根据上步确定的参数确定其余r 向提取线，各提取线的离散点数相同； 这样，具有在提取线上相同序号的离散点在同一切削行上。 同时为了避免在加工有效加工区域边界时刀具和内、外环发生干涉，需要绘 出一个安全距离( 本算法取为刀具半径的1 1 0 ) 。 由以上对算法的简介可以看出，在计算曲面加工切触点时，需要提取参数域 内的控制曲线，为了保证两个切触点之间的加工误差要求，控制曲线要相当密集 才能满足加工要求，当加工误差要求很高时计算量将增大。 3 。2 1 边界参数点的确定 边界参数点的确定包括获得辅助点边界参数和有效加工区域边界参数，其实 质就是计算叶片与外环内壁内盘外壁及其偏置面的交线，从而涉及到曲面的求 交问题。 在曲面造型技术的应用中，多张单一曲面( 具有表示实体概念的拓扑结构) 经过求交及集合运算，也即通过裁剪及拼接获得组合曲面是非常常见的，这样在 曲面求交问题上就有大量比较成熟的算法，其大致可分为如下三类“3 ： ( 1 ) 网格逼近算法：将参与求交的曲面在参数空间划分成足够的网格点，求 得这些网格点在实空间的位置，再将曲面近似成多面体，然后在这两个近似的多 面体之间进行求交运算，这就将复杂的曲面求交问题简化为离散平面间的求交问 题。 ( 2 ) 追踪求交算法；先搜索计算得到交线上的一些初始点，然后沿交线方向 按一定的步长进行追踪，并求得交线上一系列点。追踪的方向可以由罚函数方法 或由曲面的偏微分得到。 ( 3 ) 分割求交算法：将曲面分割成若干曲面片，直到分割成的曲面片简化到 容易求出其交线为止。 在实际应用中，通常是同时采用上述三二种方法的几种，即混合法。一般用网 格逼近算法求得一系列曲面交线上的点，然后将获得的点作为追踪求交的初始 西北工业大学硕士学位论文 第三章切触点的计算机参数化 点，再采用交线跟踪方法求出整个交线。 在本论文中提到的算法中，由于考虑到时片参数化中u y 参数的单调性以及 叶盘的实际应用情况，采用了线面求交算法来简化求交问题，具体算法如下： 设曲面方程为旷j 口( “订，范围常用两个参数的变化区间所表示的打y 参数平 面上的一个矩形区域h 1 蔓“2 ，hs v s v 2 给出。如果固定其中一