一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法与流程

技术特征：
1.一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，包括以下步骤：1)离心闭式叶轮气流通道及可加工中间截面的参数化；101)离心闭式叶轮的nurbs参数化；102)离心闭式叶轮气流通道的参数化；103)进出口曲面及可加工中间截面的参数化；104)通过上述101)、102)和103)，得到离心闭式叶轮整体铣高效材料去除的参数化目标铣削区域；2)固定刀轴矢量、最大直径刀具高效材料去除；201)最大无干涉区域及固定刀轴矢量等的计算，在步骤1)得到离心闭式叶轮整体铣高效材料去除的参数化加工铣削区域的基础上，对进口段进行能够保证刀具移动的最大无干涉区域的计算；进一步得到能够最大限度稳定、高效材料去除的固定刀轴矢量、最大刀具直径参数，完成离心闭式叶轮整体铣固定刀轴矢量、最大直径刀具高效材料去除方法；202)铣削区域分段及子区域最大无干涉区域等的计算，为了进一步提高材料去除效率，将进口曲面到中间截面的铣削区域再次分段；分段采用步骤201)算法计算子区域最大无干涉区域、固定刀轴矢量及最大刀具直径；实现离心闭式叶轮气流通道不需要材料的分段固定刀轴矢量、最大直径刀具的高效铣削；3)残留不规则材料的关顺去除；针对经过步骤2)中由固定刀轴矢量、最大直径刀具的分段高效铣削所形成的不规则材料残留，分段采用连续螺旋线方法完成闭式叶轮残留不规则材料的去除，实现高效光顺，完成离心闭式叶轮整体铣高效材料去除；4)针对特定五轴数控机床进行后置处理，完成实践加工。2.根据权利要求1所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，步骤101)的实现方法为：将离心闭式叶轮直纹面叶片定义成为双三次非均匀有理b样条矩阵形式，其中，定义沿叶轮进口到出口为u向、沿叶轮轮盖至轮毂方向为v向：0≤u≤1；0≤v≤1；i＝1,2,...,n；j＝1,2,...,m定义c
i，1
(u)、c
i,m
(u)为直纹面叶片的基线、s(u,v)为直纹面叶片，则双三次nurbs矩阵形式数值参数化叶片为：s(u,v)＝vc
i,1
(u) (1
‑
v)c
i,m
(u)0≤u≤1,0≤v≤1,i＝1,2,...,n。3.根据权利要求2所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，步骤102)的实现方法为：提取一个离心闭式叶轮气流通道，定义其由压力面为s1、相邻吸力面s'2、s1和s'2分割轮盖面形成的气流通道轮盖面ω
s
(u,v)以及s1和s'2分割轮毂面形成的气流通道轮毂面ω
h
(u,v)四个空间曲面约束，则有：s1(u,v)＝vc
1i,1
(u) (1
‑
v)c
1i,m
(u)
(0≤u≤1,0≤v≤1,i＝1,2,...,n)s2'(u,v)＝vc2'
i,1
(u) (1
‑
v)c2'
i,m
(u)(0≤u≤1,0≤v≤1,i＝1,2,...,n)式中：c
1i,1
(u)——直纹面叶片压力面s1的轮盖线；c
1i,m
(u)——直纹面叶片压力面s1的轮毂线；c2'
i,1
(u)——相邻直纹面叶片吸力面s'2的轮盖线；c2'
i,m
(u)——相邻直纹面叶片吸力面s'2的轮毂线；进一步定义沿绕z轴顺时针旋转方向为v'向，为了区别沿不同v向的空间节点数量，定义在轮盖面ω
s
(u,v')、轮毂面ω
h
(u,v')沿v'想的节点数量为m'，则将气流通道中的轮盖面ω
s
(u,v')、轮毂面ω
h
(u,v')转化成为典型的自由曲面双三次nurbs形式为：4.根据权利要求3所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，步骤103)的实现方法为：定义沿绕z轴顺时针旋转方向为v'向、从轮盖线到轮毂线为v向，定义进口曲面为ω1(v',v)、出口曲面为ω
n
(v',v)、中间截面为ω
k
(v',v)：(0≤u≤1；0≤v≤1；i＝1,2,...,m'；j＝1,2,...,m)(0≤u≤1；0≤v≤1；i＝1,2,...,m'；j＝1,2,...,m)(0≤u≤1；0≤v≤1；i＝1,2,...,m'；j＝1,2,...,m)其中，进口曲面ω1(v',v)由u向i＝1所约束，其4条边界曲线为气流通道的压力面为s1、相邻吸力面s'2、轮盖面ω
s
(u,v)、轮毂面ω
h
(u,v)沿u向i＝1时的曲线，即为这4条约束曲面的进口线；出口曲面ω
n
(v',v)由u向i＝n所约束，其4条边界曲线为气流通道的压力面s1、相邻吸力面s'2、轮盖面ω
s
(u,v)、轮毂面ω
h
(u,v)沿u向i＝n时的曲线，即为这4条约束曲面的出口线；提取k∈(1,n)，获沿u向得i＝k时气流通道的压力面为s1、相邻吸力面s'2、轮盖面ω
s
(u,v)、轮毂面ω
h
(u,v)上的曲线，组成中间截面ω
k
(v',v)；由进口曲面ω1(v',v)和中间截面ω
k
(v',v)约束组成离心闭式叶轮整体铣高效材料去除参数化铣削区域的进口段，由出口曲面ω
n
(v',v)和中间截面ω
k
(v',v)约束组成其出口段。
5.根据权利要求4所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，步骤201)的实现方法为：以所述离心闭式叶轮整体铣高效材料去除参数化铣削区域的进口段，保证刀具移动的最大无干涉区域的计算方法如下：(1)定义o1为进口曲面ω1(v',v)的中心点，其具体位置为ω1(v',v)上(v',v)上处；(2)定义o
k
为进口曲面ω1(v',v)的中心点，其具体位置为ω
k
(v',v)上(v',v)上处；(3)连接o1、o
k
，获得从o
k
指向o1的空间矢量，依此由进口曲面ω1(v',v)向中间截面ω
k
(v',v)作投影，阴影部分为四周叶片压力面、相邻叶片吸力面、轮毂面、轮盖面在中间截面ω
k
(v',v)上的投影，中间空白部分为可由进口曲面ω1(v',v)直达中间截面ω
k
(v',v)的无干涉区域；(4)以o
k
为基准点，o1沿v'向移动获得新空间矢量，作各曲面由进口曲面ω1(v',v)向中间截面ω
k
(v',v)投影的无干涉区域；(5)以o
k
为基准点，o1沿v'反向移动获得新空间矢量，作各曲面由进口曲面ω1(v',v)向中间截面ω
k
(v',v)投影的无干涉区域；(6)以o
k
为基准点，o1沿v向移动获得新空间矢量，作各曲面由进口曲面ω1(v',v)向中间截面ω
k
(v',v)投影的无干涉区域；(7)以o
k
为基准点，o1沿v反向移动获得新空间矢量，作各曲面由进口曲面ω1(v',v)向中间截面ω
k
(v',v)投影的无干涉区域；(8)比较步骤(4)至步骤(7)所获得投影面与步骤(3)所获得无干涉区域面积，得到最大投影面积所对应的新o1点；(9)如果新o1点为原始o1点，则以步骤(3)所获得无干涉区域为准，转步骤14)；(10)如果新o1点为步骤(4)至步骤(7)所得到新o1点，则依此新o1点作为基础点，重复步骤(4)至步骤(8)，再一次获得新的o1点；(11)步骤(10)中基础点与新的o1点作比较；(12)重复步骤(10)、步骤(11)，直至新的o1点保持一致，不再变化；(13)步骤(12)所获得的固定o1点即为最终o1点；(14)定义步骤(9)或步骤(13)所获得最终o1点所对应的最大无干涉区域为加工区域；(15)完成进口曲面向中间截面最大无干涉区域计算。6.根据权利要求5所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，在最大无干涉区域内固定刀轴矢量、最大刀具直径高效铣削的计算如下：(1)最终o1点的确定，使得其与o
k
连接，定义为闭式叶轮材料去除的固定刀轴矢量；(2)以最大无干涉区域对应边界的最小处数值定义为最大刀具直径；(3)以垂直于最大刀具直径所定义方向为进刀方向，实现闭式叶轮气流通道不需要材料的固定刀轴矢量、最大直径刀具的高效铣削。7.根据权利要求6所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，步
骤202)的实现方法为：在进口段，为进一步提高效率、满足最大刀具直径及最短刀位轨迹线，将进口曲面到中间截面的铣削区域再次分段，其进口铣削区域沿u向分段的计算方法如下：(1)定义k'∈(1,k)为闭式叶轮进口铣削区域沿v上任意一点；(2)计算获得进口曲面ω1(v',v)、中间截面ω
k
(v',v)之间的任一空间曲面ω
k'
(v',v)；(3)采用最大无干涉区域计算方法，获得进口曲面ω1(v',v)在ω
k'
(v',v)上的最大无干涉区域；(4)计算步骤(3)所得最大无干涉区域沿v向最小距离；(5)令k'＝k' 1，重复步骤(2)至步骤(4)，进一步获得进口曲面ω1(v',v)在ω
k'
(v',v)上的最大无干涉区域及沿v向最小距离；(6)比较步骤(5)与步骤(4)所得最小距离；(7)如果步骤(6)中两者之差大于2mm，则以步骤(6)所得ω
k'
(v',v)为基础与进口曲面ω1(v',v)获得闭式叶轮进口铣削区域第一个分段；(8)如果步骤(6)中两者之差小于2mm，则令k'＝k' 1，继续重复步骤(2)至步骤(4)，直至满足步骤(7)条件，获得闭式叶轮进口铣削区域第一个分段；(9)继续令k'＝k' 1，重复步骤(2)至步骤(4)，进一步获得进口曲面ω1(v',v)在ω
k'
(v',v)上的最大无干涉区域及沿v向最小距离；(10)如果k'＜k，重复步骤(9)并比较步骤(9)与步骤(8)所得最小距离，依次获得闭式叶轮进口铣削区域若干个分段；(11)如果k'＝k，计算结束，ω
k'
(v',v)＝ω
k
(v',v)为最后一个分段界面；完成闭式叶轮进口铣削区域分段后，在每个子区域按照步骤2)中所述最大无干涉区域内固定刀轴矢量、最大刀具直径高效铣削的计算方法，可选择最大刀具直径满足最大限度内在每个子进口铣削区域沿v向获得最少刀位轨迹线——在现有能够选择的范围内，最大限度可由最大直径的刀具一条轨迹线完成材料的高效去除。8.根据权利要求7所述的一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法，其特征在于，针对步骤2)分段材料去除后由刀具边界处切削刃所形成的不规则材料残留，步骤3)的实现方法为：(1)提取进口铣削区域分段截面ω
k'
(v',v)以及周围约束曲面压力面为s
1k'
(u,v)、相邻吸力面s'
2k'
(u,v)、s
1k'
(u,v)及s'
2k'
(u,v)分割轮盖面形成的气流通道轮盖面ω
sk'
(u,v')、s
1k'
(u,v)及s'
2k'
(u,v)分割轮毂面形成的气流通道轮毂面ω
hk'
(u,v')；(2)令u＝k'，提取步骤(1)中4个约束曲面的边界曲线ss
1k'
(u,v)、ss'
2k'
(u,v)、sω
sk'
(u,v')、sω
hk'
(u,v')；(3)由闭式叶轮半精铣所给定的允许误差计算加工带宽；(4)步骤(2)所获得的4个约束曲面的边界曲线由边界向分段截面ω
k'
(v',v)中心作等距线，等距线带宽为步骤3)中的加工带宽；(5)对步骤(4)所得各段等距线进行简单裁剪；(6)获得双向等距的刀位轨迹线；(7)从最靠近气流通道开始，比较闭式叶轮轮廓和等距刀位轨迹线；(8)如果某一层等距刀位轨迹线全部被固定刀轴矢量包围，则去除该层等距刀位轨迹
线；(9)如果某一层等距刀位轨迹线全部在固定刀轴矢量范围之外，则保留该层等距刀位轨迹线；(10)处于步骤(8)和步骤(9)之间，如果等距刀位轨迹线部分被固定刀轴矢量包围，为了保持铣削的连续性，则保留该层等距刀位轨迹线；(11)选取材料已经去除空间中安全点为进刀点；(12)采用螺旋线连接相邻等距线，定义t
i
为对角化参数，p
ik
、p
ik 1
为相邻等距线上的对应点，q
ik
为螺旋轨迹线上第k段第i个点，则有：q
ik
＝t
i
(1
‑
t
i
p
ik
)p
ik 1
(13)定义最后一层螺旋刀位轨迹线的终点为退刀点；(14)完成该分段截面ω
k'
(v',v)所约束进口铣削区域连续螺旋线闭式叶轮残留不规则材料的去除。

技术总结
本发明公开了一种离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法。该方法基于离心闭式叶轮原型数据，提取可供数控加工的单个气流通道及可加工中间截面，完成离心闭式叶轮的NURBS参数化，提取参数化离心闭式叶轮气流通道、进出口曲面及可加工中间截面，完成离心闭式叶轮整体铣高效材料去除方法基础建模。本发明聚焦难加工零件高效材料高效去除方面研究的稀缺造成数控加工效率低、周期长、成本高的行业现状，结合离心压气机闭式叶轮空间几何特征及数控加工特点，完成其整体铣高效材料去除，能够极大地提高数控加工效率，节约时间及经济成本，对现代高精尖零部件高质量高效率加工要求的日益提高提供极大的理论及技术支撑。高提供极大的理论及技术支撑。高提供极大的理论及技术支撑。


技术研发人员：樊宏周 郭红涛 席光
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.06.30
技术公布日：2021/9/24