一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法与流程

1.本发明属于叶轮机械加工领域，具体涉及一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法。


背景技术：

2.叶轮广泛应用于航空航天、汽车工业等重要领域，并且渐渐趋于多品种、中小批量的生产方式。叶轮类零件曲面复杂，加工难度大，实现此类零件的微米级精加工，是当前精密制造企业核心竞争力的重要体现方式之一。
3.目前，叶轮的叶片、倒角精加工路径的刀轴矢量通常使用叶轮轮毂面、包覆面作为参考曲面，或是垂直于叶轮轴向的方式构建刀轴矢量，然后根据干涉、过切情况再逐个调整路径点的刀轴矢量。这样构建刀轴矢量的方式极易产生三个问题：一是采用上述参考曲面构建刀轴矢量时，特别是变倒角叶轮，极易导致刀具刀柄与待加工零件、待加工零件的治具之间发生干涉，有时甚至导致机床超行程，严重制约了五轴数控机床的使用；二是刀轴构建不合理时，在刀具切入、切出部分路径的刀轴变化剧烈，容易导致颤振而使精加工曲面产生振纹，甚至弹刀过切；三是当刀轴方向存在大量过切、干涉的路径点，往往需要工程人员频繁手动调整刀轴矢量的仰角和方位角来规避这些问题，导致路径编程效率低下。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。
5.一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法，包括以下步骤：1）根据待加工叶轮尺寸，确定其叶片精加工、倒角精加工的刀具；2）提取叶片两条边界线并分别打断为三段，作为构造刀轴矢量的参考曲线；3）延伸构造的参考曲线；4）根据参考曲线构造任意路径点的刀轴矢量。
6.与现有技术相比，本发明构建的叶片、倒角精加工五轴路径刀轴，可以一定程度减少叶片、倒角精加工路径的刀轴矢量发生干涉、过切的可能，并且切入、切出路径的刀轴过渡光顺，可以有效降低人工调整刀轴矢量的可能，减少颤振弹刀的发生，提升了路径编程的容错率和叶轮加工效果。
7.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
8.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
9.图1为本发明方法的流程图；图2为本发明实施例示意图；图3为本发明实施例构建的刀轴矢量参考曲线示意图；图4为本发明将参考曲线打断为三段示意图；图5-图6为本发明最终构建的刀轴矢量示意图。
具体实施方式
10.下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
11.一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法，包括以下步骤：s1，根据待加工叶轮尺寸，确定其叶片精加工、倒角精加工的刀具，具体包括刀具类型，刀具半径r和刀具锥角α。
12.s2，提取叶片两条边界线并分别打断为三段，作为构造刀轴矢量的参考曲线。步骤s2具体包括：规范叶片曲面参数方程s(u,v)中的u、v方向，并取叶片曲面s(u,v)的等参数线，可得叶片两条边界线la、lb，其中la表示靠近包覆面的边界线，lb表示靠近轮毂面的边界线。该边界线上任意点p的空间坐标可以通过弧长参数t获取。同时，规定叶轮旋转轴为z轴，后缘指向前缘的方向为z轴正方向，在该坐标系下规范所有边界线的流动方向为顺时针流动。
13.根据叶片曲面特征将边界线la、lb进行打断，从而最大限度保留叶片曲面边界线的特征，特别是曲面变化剧烈的前缘面部分边界线。根据叶片模型是否为一个完整叶片区分为2种打断方式，具体包括以前缘面顶点打断的方式，以及以转角打断的方式。以前缘面顶点打断方式的特征在于：当叶片曲面由两叶片、前缘面组成时，利用前缘面的4个顶点求取打断点。以转角打断方式的特征在于：当叶片曲面是完整曲面时，以一定精度遍历边界线上的点，通过相邻两点的切矢的夹角求取打断点。最后完成遍历后可得满足条件的点组成的集合n，选择n中弧长参数t最小和最大的点为打断边界线所需的点。
14.最后，规范打断后所有边界线都为顺时针流动，并记录打断前，长度最长的边界线两打断点的参数值，记为p
t
=｛t1,t2｝。
15.s3，延伸构造的参考曲线。步骤s3具体包括：将步骤s2所述后缘处的两条边界线进行定量的延伸。延伸的具体要求是，两边界线的起点、终点组成的方向向量，必须都与叶轮旋转轴夹角在[45
°
,60
°
]的范围内。
[0016]
s4，根据参考曲线构造任意路径点的刀轴矢量。步骤s4具体包括：规范路径点的顺序同样为顺时针流动。对于叶片精加工、倒角精加工，具体的刀轴矢量构建方法为：以步骤s2所述的打断点p
t
为标准，位于弧长参数区间[0,t1]的路径点，选择对应边界线上弧长参数相同的点构成的方向向量作为初始刀轴矢量，其余路径同理。获取所有路径点的刀轴初始矢量后，将所有路径点的刀轴矢量以该路径点切矢为旋转轴旋转，从而避免干涉。由于规范了路径流向也为顺时针，因此将转动刀具锥角-(α 3
°
)，即可获得最终的刀轴矢量。
[0017]
实施例1以下结合本发明实施例以及附图，对本发明的技术方案进行完整清楚的说明。
[0018]
如图1所示为本发明流程图。
[0019]
如图2所示的一种典型的半开式变倒角叶轮作为本发明具体的实施例，其待加工的每一个叶片包含2张叶片曲面和连接叶片两曲面的前缘面，以及叶片曲面、前缘面与轮毂面过度的倒角曲面，并且倒角曲面的曲率半径是变化的。
[0020]
本发明刀轴矢量构建方法包括以下步骤：1、确定加工刀具根据叶轮相关尺寸，确定叶片精加工、倒角精加工采用半径为1mm，锥度为8
°
，刃长为10mm的锥度球头刀。
[0021]
2、构造刀轴矢量参考曲线请参阅图3、图4，任意一条叶片、倒角精加工路径的刀轴矢量构建，根据叶片曲面s(u,v)的参数方程：。
[0022]
其中u，v为叶片曲面参数，x、y、z为参数对应的空间坐标，规定参数v为叶轮包覆面指向轮毂面方向的参数，u为与v反方向的参数。分别令v=0，v=1可得叶片两条边界曲线，记为la、lb，其中la表示靠近包覆面的边界曲线，lb表示靠近轮毂面的边界曲线，并且边界曲线la、lb上任意点p的空间坐标可以通过弧长参数t获取，即p(x,y,z)=l(t)，其中x、y、z为空间坐标，t为参数，t∈[0,1]，l为任意曲线。同时，规定叶轮旋转轴为z轴，后缘指向前缘的方向为z轴正方向，在该坐标系下需要规范所有边界线的流动方向为顺时针流动，以保证后续构造刀轴的光顺。具体方法为：选择样条线l的首末点投影在当前坐标系下xoy平面，规范化后得到两方向向量p1(x,y,0)、p2(x,y,0)，叉乘p1、p2得到p3(x,y,z)，当p3的z坐标大于0时表示曲线为逆时针流动，需要反转曲线方向，反之为顺时针流动，符合规范。
[0023]
根据叶片曲面特征将边界曲线la、lb进行打断。打断边界曲线的必要性在于保证后续刀轴矢量的构建参考了准确的叶片曲面，特别是变化剧烈的前缘面的特征。若不进行分段，随曲线长度递增，通过弧长参数t取得的点与曲线上实际点的误差会越来越大，从而导致前缘面附近，以及叶片扭曲较大的其他区域的刀轴矢量存在严重的干涉。根据叶片模型是否为一个完整叶片，提出2种打断方式，具体包括以前缘面顶点打断的方式，以及以转角打断的方式。实施例的叶片模型由叶片曲面和前缘面构成，则以前缘面顶点打断方式的特征在于：当叶片曲面由两叶片、前缘面组成时，所取得的边界线与实际叶片曲面的边界线存在一定误差，因此取前缘面的4个顶点vi(x,y,z)，i=4，以步长0.01mm~0.02mm的精度遍历样条线l上的点p
l
，选择p
l
与顶点vi的距离最小的点为打断边界线的点。若叶片模型为一个整体，则以转角打断方式的特征在于：以步长0.01mm的精度遍历边界线l上的点，当相邻两点的切矢的夹角小于2
°
时进行记录，切矢可由相邻两点组成的方向向量等方法获得。完成遍历后可得满足条件的点组成的集合n，选择n中弧长参数t最小和最大的点为打断边界线所需的点。
[0024]
打断后的边界线记为l
a1
、l
a2
、l
a3
，l
b1
、l
b2
、l
b3
，其中下标为a的表示靠近包覆面的边界线，下标为b的表示靠近包覆面的边界线，下标为1、3的表示叶片处的边界线，下标为2的表示前缘面处的边界线。同时，还需要检查和规范打断后的边界线同样为顺时针流动，具体方法为：在已经对边界线l进行顺时针规范的基础上，下标为1边界线上的点的空间坐标z值为单调递增；下标为3的边界线上的点的空间坐标z值为单调递减；下标为2的边界线与上述对边界线l的方法一致。
[0025]
完成边界线的打断后，还需要记录边界线长度最长的曲线对应的打断点参数值，记为p
t
=｛t1,t2｝。
[0026]
3、延伸边界线为减小路径在切入、切出时刀轴矢量的变化量，达到刀轴光顺的目的，需要将步骤2所述边界线l
a1
在弧长参数t=0处、边界线l
a3
在弧长参数t=1处进行延伸。具体延伸的方式为：取步骤1所述边界线l
a1
、l
b1
在弧长参数t=0处的点，组成方向向量ab1。同理，取l
a3
、l
b3
在弧长参数t=1处的点组成方向向量ab2。求取ab1、ab2与z轴夹角θ，若θ∈[45
゜
,60
゜
]则无需进行延伸，否则对边界线l
a1
、边界线l
a3
分别在弧长参数t=1、t=0处的切矢方向进行延伸，具体延伸方法为：定义最小延伸长度为0，最大延伸长度为边界线la、lb长度之差的绝对值，使用二分法进行迭代，终止条件为夹角θ∈[45
゜
,60
゜
]。
[0027]
4.根据参考曲线构造任意路径点的刀轴矢量规范路径点的顺序同样为顺时针流动，方法与所述步骤2规范边界线la、lb的方式一致。对于叶片精加工、倒角精加工路径，具体的刀轴矢量构建方法为：以步骤2所述的打断点p
t
为标准，位于弧长参数区间[0,t1]的路径点，选择边界线l
a1
、l
b1
上弧长参数相同的点构成的方向向量作为初始刀轴矢量。同理，位于弧长参数区间[t1,t2]、[t2,0]的路径点，选择边界线l
a2
、l
b2
和l
a3
、l
b3
上弧长参数相同的两点构成的方向向量作为初始刀轴矢量。
[0028]
获取所有路径点的刀轴初始矢量后，该矢量与叶片曲面基本上是贴合的，还需要调整所有刀轴矢量略微远离叶片曲面来避免干涉。以该路径点切矢为旋转轴，由于规范了路径流向也为顺时针，因此将转动刀具锥角-(α 3)
°
，即可获得如图5所示最终的刀轴矢量（以2条路径为例）。需要说明的是，由于叶轮零件形态各异，本发明构造的刀轴矢量仍然可能存在个别路径点的干涉。对于这种情况，需要在本发明构造的刀轴矢量基础上，配合其他技术，如刀轴避让技术、刀轴光顺技术、刀具过切检查技术等，获取最终可以达到加工目的的刀轴矢量。
[0029]
本发明一种半开式叶轮叶片的倒角精加工刀轴矢量构建方法：首先通过分段的参考曲线构造刀轴的方式，特别是对于变化剧烈的前缘面附近路径的刀轴，可以最大程度的根据叶片曲面变化特征构造刀轴方向；其次，对参考曲线的定量延伸可以保证刀具切入、切出过程路径点刀轴矢量变化均匀、平顺，减少了刀具颤振发生的可能；最后，规范了路径方向与参考曲线一致，从而保证刀轴矢量沿路径点切矢方向调整时的一致性，一定程度降低了干涉、过切发生的可能。
[0030]
本发明刀轴构建的计算逻辑简单，计算量小，所构建的刀轴矢量基本不产生干涉和颤振的情况，减少了工程人员路径编辑阶段针对刀轴的试错时间，具有良好的实用价值。
[0031]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。