基于控制線的開式整體葉盤環(huán)形刀四軸加工算法研究*

田榮鑫，鄧 霜，張曉峰，任軍學(xué)，姚倡鋒，常威威

（1.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院7103廠，西安 710100）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心部件，直接影響飛機(jī)的可靠性，它是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)、國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)。開式整體葉盤是現(xiàn)代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的新結(jié)構(gòu)[1]（圖1），開式整體葉盤解決了傳統(tǒng)葉片與輪盤裝配結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的連接部分易疲勞、壽命低、裝配誤差不可避免的缺點(diǎn)，同時(shí)整體葉盤的葉片與輪盤作為整體結(jié)構(gòu)加工出來(lái)，大大減小了葉盤的結(jié)構(gòu)重量和零件數(shù)量，極大地簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)；另一方面，整體葉盤采用的寬弦、彎掠葉片和窄流道結(jié)構(gòu)有效地提高了氣動(dòng)效率[1]。隨著輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫材料（如鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料等）廣泛地應(yīng)用于整體葉盤的制造中，其可靠性和工作性能得到了進(jìn)一步的提高。

圖1 開式整體葉盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of open blisk

由于整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通道兩側(cè)的葉片多為復(fù)雜薄壁自由曲面結(jié)構(gòu)，其幾何精度要求較高，加工葉片還要受到內(nèi)輪轂與相鄰葉片的約束，通道內(nèi)腔槽復(fù)雜、開敞性差，容易發(fā)生干涉，因而刀軸方向難以控制。此外整體葉盤的葉片具有薄壁、剛性差、易變形、切除量大等工藝特性[2-3]，對(duì)刀具性能要求比較高，這給整體葉盤加工帶來(lái)很大的困難。

針對(duì)整體葉盤的刀軸優(yōu)化和刀具選擇難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Ho等[4]研究了利用典型位置來(lái)定義符合機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的刀軸，采用四元數(shù)值差值計(jì)算中間位置刀軸矢量，并對(duì)其進(jìn)行刀具干涉檢驗(yàn)得出最后優(yōu)化的刀軸矢量。Wang和Tang[5]通過計(jì)算每一切觸點(diǎn)的有效角速度求得五軸加工中無(wú)干涉可用刀軸。Castagnetti等[6]提出在規(guī)劃刀軸同時(shí)計(jì)算幾何約束和機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的方向可行域概念來(lái)優(yōu)化刀軸。南京航空航天大學(xué)的姬俊峰等[7]借鑒動(dòng)畫設(shè)置關(guān)鍵幀的思想提出一種全局光順刀軸矢量生成方式，能避免刀軸矢量突變引起的機(jī)床振動(dòng)，但該算法程序依賴于曲面矢量，計(jì)算量大，算法冗余。西北工業(yè)大學(xué)的王晶等[8]提出一種基于臨界約束的刀軸優(yōu)化算法，獲得的刀軸可以顯著地改善機(jī)床運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，并避免刀具的干涉，但算法中采用點(diǎn)搜索法計(jì)算每一切觸點(diǎn)的刀軸可行域來(lái)優(yōu)化刀軸，工程應(yīng)用中計(jì)算量大。西北工業(yè)大學(xué)的任軍學(xué)等[9]提出了控制線控制球頭刀刀軸加工整體開式葉盤的通道，該方法不僅可以解決開式葉盤葉片加工中的刀具干涉問題，而且有效地避免了刀軸突變引起的啃傷現(xiàn)象，明顯提高了葉盤表面的加工質(zhì)量，但算法基于球頭刀刀心與待加工葉片等偏置面的特點(diǎn)，無(wú)法克服球頭刀易磨損，加工中需要多次換刀的缺點(diǎn)。綜合當(dāng)前研究和實(shí)際加工現(xiàn)狀，五軸加工的成本比較高，對(duì)機(jī)床剛性和刀具的要求都比較高，而基于控制線的球頭刀四軸加工雖然解決了刀軸突變引起的啃傷現(xiàn)象，但是球頭刀易磨損，加工中存在需要多次換刀的問題。

本文在利用基于控制線球頭刀加工整體葉盤的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)形刀切削線速度大，加工效率高，相同材料切除量下刀具壽命相對(duì)于球頭刀更高[10]的優(yōu)點(diǎn)，提出一種利用球頭刀刀軸控制線解決環(huán)形刀刀軸控制進(jìn)行四軸加工的算法。文章首先闡述基于球頭刀四軸加工控制線的生成方法；其次在建立球頭刀和環(huán)形刀的刀具與曲面嚙合關(guān)系的基礎(chǔ)上，確定球頭刀和環(huán)形刀的刀軸關(guān)系并計(jì)算環(huán)形刀的刀位點(diǎn)，進(jìn)而提出一種環(huán)形刀刀軸通過控制線的算法，并求出控制線的環(huán)形刀可用刀軸；最后對(duì)算法進(jìn)行試驗(yàn)仿真及加工驗(yàn)證。

1 球頭刀四軸加工刀軸控制線的生成方法

刀軸控制線是控制刀具在加工過程中刀軸變化的一條光滑樣條曲線，在規(guī)劃的刀位軌跡上，每一個(gè)刀位點(diǎn)在刀軸控制線上有相對(duì)應(yīng)的刀軸控制點(diǎn)。每一個(gè)刀位點(diǎn)指向刀軸控制點(diǎn)的方向作為其刀位點(diǎn)的刀軸矢量方向，在加工中由刀位點(diǎn)和刀軸矢量共同決定刀具加工姿態(tài)。

在求取球頭刀的四軸加工刀軸控制線時(shí)，首先將兩側(cè)的葉片型面以及內(nèi)輪轂曲面向通道內(nèi)側(cè)偏置一個(gè)刀具半徑加切削余量的距離，其中切削余量視情況而定，比如葉盤尺寸和加工工藝，葉盤尺寸越大余量越大，粗銑余量大于精銑余量等，得到通道內(nèi)側(cè)的偏置面，并在外輪轂處沿葉片邊沿做半徑為刀具半徑的管道曲面，若沒有管道曲面，則葉尖點(diǎn)與刀軸的距離可能小于刀具半徑，從而發(fā)生干涉。

每個(gè)位于葉型偏置面上的刀位點(diǎn)，其可用刀軸區(qū)域均為一個(gè)扇形區(qū)域，如圖2所示，該扇形區(qū)域的具體生成方法為：首先用一系列平行于刀軸方向的擺刀平面，面之間的間距由加工精度決定，來(lái)截取兩個(gè)通道偏置面，得到兩條葉型偏置面截面線；在這兩條截面線上按一定的密度離散出一系列的刀位點(diǎn)，任取其中一個(gè)刀位點(diǎn)C，依次計(jì)算該刀位點(diǎn)與通道方向其余刀位點(diǎn)的矢量Vi1，并計(jì)算出C點(diǎn)在葉型曲面上的法矢N在擺刀平面上的分量N'，依次計(jì)算Vi1和N'的夾角ai，取夾角最小的矢量即為刀位點(diǎn)C在本截面線側(cè)的臨界刀軸矢量；過刀位點(diǎn)C，沿矢量N'方向做直線，和通道對(duì)側(cè)的截面線相交于點(diǎn)C'，在C'和對(duì)側(cè)的截面線上的開口之間按照一定的密度離散一系列的點(diǎn)，依次計(jì)算刀位點(diǎn)C和對(duì)側(cè)一系列點(diǎn)之間的矢量vi2，以及這些矢量和矢量N'的βi，取夾角最大的矢量即為相鄰葉片的臨界刀軸矢量，如圖中所示臨界刀軸矢量分別為T1和T2；本截面線側(cè)的臨界刀軸矢量和相鄰葉片的臨界刀軸矢量之間的開口區(qū)域即為該刀位點(diǎn)的四軸無(wú)干涉刀軸擺動(dòng)區(qū)間。

圖2 無(wú)干涉刀軸求解Fig.2 Solution to the Interference-free Cutter Shaft

以葉盤回轉(zhuǎn)中心為中心軸，考慮到刀具和刀柄對(duì)葉片的避讓，利用大于葉盤半徑的距離為半徑構(gòu)造一個(gè)回轉(zhuǎn)圓柱面，則任意一個(gè)刀位點(diǎn)的無(wú)干涉擺動(dòng)扇形區(qū)域與上述回轉(zhuǎn)圓柱面交于一段圓弧線，該圓弧線即為無(wú)干涉刀軸擺動(dòng)弧。如圖3所示，求出葉盆側(cè)擺刀平面內(nèi)第i個(gè)刀位點(diǎn)的葉盆側(cè)的臨界刀軸矢量如圖中實(shí)線所示，以及相對(duì)葉背側(cè)的臨界刀軸矢量如圖中虛線所示，這兩個(gè)刀軸矢量與回轉(zhuǎn)圓柱面交于兩個(gè)點(diǎn)，取葉盆側(cè)所有刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)交點(diǎn)中距離最近的兩個(gè)點(diǎn)CT1和CT2，過這兩個(gè)點(diǎn)，以擺刀平面和葉盤中心軸的交點(diǎn)為圓心，得到的圓弧即為該擺刀平面內(nèi)所有刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的無(wú)干涉擺刀曲線。理論上，該無(wú)干涉擺刀曲線上任意一點(diǎn)和任一刀位點(diǎn)的連線所得的刀軸都是不干涉的。用上述方法求取所有擺刀平面內(nèi)的無(wú)干涉擺刀曲線，并將這些曲線組擬合成一個(gè)曲面，即為葉盆側(cè)的無(wú)干涉刀軸控制面，且無(wú)干涉刀軸控制面內(nèi)的任意一點(diǎn)都可以作為四軸加工的不干涉刀軸控制點(diǎn)。葉背側(cè)無(wú)干涉刀軸控制面求解同理。

圖3 無(wú)干涉刀軸擺動(dòng)弧的求解Fig.3 Solution to the oscillating arc of the interference-free cutter shaft

為了獲得較好的加工質(zhì)量和加工效率，按照一定的生成準(zhǔn)則[9]，沿著切削方向在無(wú)干涉刀軸控制面上生成一條曲線作為無(wú)干涉刀軸控制線。得到的無(wú)干涉刀軸控制線在加工中可以保證刀軸變化不依賴于曲面，刀軸變化較為平緩，從而使加工表面較為光順。

但根據(jù)環(huán)形刀的刀具結(jié)構(gòu)以及加工中切觸關(guān)系，環(huán)形刀心點(diǎn)與切觸點(diǎn)之間的距離隨著曲面曲率的變化而改變，因而，環(huán)形刀刀心軌跡不在與加工平面等距離的偏置面上，因此環(huán)形刀控制線的生成方法中刀心點(diǎn)等偏置面不適應(yīng)于環(huán)形刀刀心點(diǎn)軌跡，為了簡(jiǎn)化環(huán)形刀刀軸控制線的求解，可以采用球頭刀的控制線，需要建立環(huán)形刀與球頭刀的刀具與曲面嚙合關(guān)系，確定刀軸之間的關(guān)系，并計(jì)算環(huán)形刀的刀心點(diǎn)。

2 球頭刀和環(huán)形刀的刀位計(jì)算

為了計(jì)算環(huán)形刀與球頭刀的刀軸關(guān)系，在確保兩者刀軸與切觸點(diǎn)法矢夾角相同的情況下，需建立環(huán)形刀與球頭刀的刀具與曲面的嚙合關(guān)系，以此確定環(huán)形刀與球頭刀的刀軸關(guān)系和計(jì)算環(huán)形刀的刀心點(diǎn)。

2.1 球頭刀和環(huán)形刀刀軸矢量的關(guān)系

為求取環(huán)形刀和球頭刀的刀軸中心線，考察半徑為R的球頭刀和曲面的嚙合關(guān)系，如圖4（a）所示，及刀具半徑為R、底刃半徑為r的環(huán)形刀和曲面的嚙合關(guān)系，如圖4（b）所示。

圖4 刀具與曲面嚙合關(guān)系Fig.4 Meshing relationship between the cutter and the curved surface

在圖4（a）中，球頭刀刀心O1位于法矢n上，和切觸點(diǎn)P的距離為R，球頭刀的刀軸矢量為im1，設(shè)im1與n的夾角為φ時(shí)，則球頭刀的刀軸矢量集合為以O(shè)1為頂點(diǎn)的錐面P1（x，y，z）上，如圖5（a）所示。在圖4（b）中，環(huán)形刀切觸點(diǎn)為P，環(huán)形刀底環(huán)環(huán)心與法矢n交點(diǎn)為A，刀心點(diǎn)為O2，刀軸與法矢n的交點(diǎn)為O2'，刀軸矢量為im2，當(dāng)im2與n的夾角為φ時(shí)，則環(huán)形刀的刀軸矢量集合為以O(shè)2'為頂點(diǎn)的錐面上P1（x，y，z），如圖5（b）所示。

在四軸加工模式下，當(dāng)球頭刀和環(huán)形刀與曲面切觸于相同點(diǎn)P，且刀軸和法矢夾角φ也相同時(shí)，φ角度受到法矢n的約束。為完成四軸加工，刀軸矢量集合錐面必須與過錐面頂點(diǎn)的四軸擺刀平面有交線。

法矢n和擺刀平面有夾角α，不失一般性，令擺刀平面為XOY平面，設(shè)n=（i,j,k），則n與平面XOY的夾角有：

當(dāng)φ＜α?xí)r，如圖6（a）所示，刀軸集合與擺刀平面沒有交線，不能完成四軸加工。

當(dāng)φ=α?xí)r，如圖6（b）所示，刀軸集合與擺刀平面只有一條交線，理論上能在四軸方式下實(shí)現(xiàn)刀具與加工面的嚙合，但受開式整體葉盤復(fù)雜干涉結(jié)構(gòu)的影響，無(wú)法完成整張曲面的連續(xù)加工。

當(dāng)φ＞α?xí)r，如圖6（c）所示，錐面P1與平面∑1有兩條交線im1和i'm1，錐面P2與平面∑2有兩條交線im2和i'm2，由于實(shí)際加工中開式整體葉盤通道的單向性，兩條交線只能取指向通道外側(cè)的一條做為可用刀軸。由圖形的相似性可知im1//im2，i'm1//i'm2。

圖5 空間刀軸集合模型Fig.5 Spatial model of the assembly of the cutter shafts

圖6 可用刀軸空間關(guān)系Fig.6 Spatial relationships of the available cutter shafts

當(dāng)球頭刀和環(huán)形刀切觸于曲面相同點(diǎn)P并進(jìn)行四軸加工時(shí)，且刀軸矢量與曲面法矢n夾角同為φ時(shí)，環(huán)形刀的刀軸矢量和球頭刀刀軸矢量平行。

2.2 環(huán)形刀刀位點(diǎn)的計(jì)算

圖4（b）中所示，環(huán)形刀和曲面嚙合于P點(diǎn)，前述已知刀軸矢量和曲面法矢夾角相同時(shí)，環(huán)形刀刀軸矢量和球頭刀刀軸矢量平行。由球頭刀刀軸矢量位于刀心點(diǎn)和刀軸控制線上等高點(diǎn)的連線上，可得環(huán)形刀刀軸矢量的方向，刀軸矢量標(biāo)準(zhǔn)化?？疾斓遁S矢量和曲面法矢n所構(gòu)成的平面∑，圖7所示。

A為環(huán)形刀底刃中心線與法矢n的交點(diǎn)，φ為刀軸與矢量n的夾角。在空間坐標(biāo)系中，P點(diǎn)的坐標(biāo)為（xp，yp，zp），法矢n為（i，j，k），im為（xm，ym，zm），得球頭刀的刀心點(diǎn)O1的坐標(biāo)：

式中，OP=（xp，yp，zp）。由幾何關(guān)系可求得點(diǎn) O'1的坐標(biāo)：

式中，，求取點(diǎn)A的坐標(biāo)：，則矢量，同理可求得環(huán)形刀刀心點(diǎn)O2的坐標(biāo)為：

式中，且：

再根據(jù)環(huán)形刀端部?jī)?nèi)的幾何關(guān)系，可知刀尖點(diǎn)T的坐標(biāo)為：

式中，

得：

式中：im1和im2的空間距離就是環(huán)形刀采用四軸加工且刀軸矢量和切觸點(diǎn)法矢夾角與球頭刀相同時(shí)，環(huán)形刀和球頭刀刀軸中心線之間的距離。球頭刀刀軸中心線一定通過刀軸控制線，因此環(huán)形刀刀軸中心線和刀軸控制線有一定的距離，此時(shí)無(wú)法保障所生成的環(huán)形刀刀位軌跡不會(huì)產(chǎn)生干涉。為了避免環(huán)形刀加工中零件發(fā)生干涉，需要對(duì)環(huán)形刀刀位點(diǎn)和刀軸進(jìn)行調(diào)整，通過改變環(huán)形刀刀軸矢量和切觸點(diǎn)法矢夾角φ，使其通過球頭刀的刀軸控制線，達(dá)到無(wú)干涉四軸加工的目的。

3 環(huán)形刀刀軸通過控制線方法

由于環(huán)形刀和球頭刀在相同的φ角條件下，刀心點(diǎn)與切觸點(diǎn)的距離不同，環(huán)形刀刀心線不通過球頭刀控制線上的控制點(diǎn)，必須在環(huán)形刀四軸加工模式下調(diào)整φ角，使環(huán)形刀刀心線通過球頭刀刀軸控制線。

如圖7所示，環(huán)形刀和球頭刀均與加工面切觸于點(diǎn)P，當(dāng)φ角發(fā)生變化時(shí)，球頭刀為滿足四軸加工，必須使im1在過點(diǎn)O1且平行于XOY，其理論擺動(dòng)范圍是360°，由于三角形是直角三角形，在此過程中O'1劃過的軌跡均位于以AO1為直徑的球面S1上，具體軌跡為平面Z=（zO1）與球面S1相交構(gòu)成的圓O3,如圖8所示。

圖7 基于控制線的環(huán)形刀刀位點(diǎn)計(jì)算Fig.7 Cutter location point calculation of the circular cutter based on the control curve

圖8 球頭刀刀尖點(diǎn)軌跡Fig.8 Tool nose point locus of the ball-end cutter

根據(jù)圖7，|AO2|=R?r，可知環(huán)形刀刀心點(diǎn)一定位于以A為中心，以R-r為半徑的球面S2上面，將延長(zhǎng)，與球面S2的交點(diǎn)就是環(huán)形刀刀心點(diǎn)O2，隨φ角變化，將圓O3沿點(diǎn)A投影到球面S2上，所得的曲線l就是所有滿足四軸加工的環(huán)形刀刀心點(diǎn)集合，而每個(gè)刀心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的刀軸矢量由曲線l和直線上等高點(diǎn)的連線確定，考慮到避免與葉片發(fā)生自干涉，其可用區(qū)域位于曲線和曲面法矢同側(cè)的區(qū)域，如圖9所示。

圖9 環(huán)形刀刀心點(diǎn)軌跡Fig.9 Tool center point locus of the circular cutter

連接曲線l和直線上等高點(diǎn)構(gòu)成直紋面∑'，并將其向流道外側(cè)延拓至曲線l'，如圖10所示，直紋面上的每條直紋線都是和加工曲面切觸于P點(diǎn)的環(huán)形刀加工刀心線。圖10所示的加工狀態(tài)下，曲面法矢表明這是在加工一個(gè)向右上側(cè)呈現(xiàn)凸出狀態(tài)的曲面，即一個(gè)順航向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的整體葉盤的葉背面，其球頭刀控制線lk形狀與葉背面趨勢(shì)相同，向右上凸出的高度方向單調(diào)曲線，隨高度升高，控制點(diǎn)從右下向左上變化?？疾熘奔y面∑'，其環(huán)形刀刀軸中心線從O2O'2變化到極限狀態(tài)O1O1"，由兩個(gè)變化構(gòu)成，第一個(gè)是與曲面法矢的夾角φ不斷變大，第二個(gè)是刀軸中心線與曲面法矢的交點(diǎn)高度不斷減小。刀軸中心線與曲面法矢的交點(diǎn)即等夾角刀軸矢量集合錐面的頂點(diǎn)，此頂點(diǎn)變化軌跡為從右上向左下變化；同時(shí)刀軸矢量集合錐面的頂角不斷變大，使錐面與平面的交線不斷單向遠(yuǎn)離錐面回轉(zhuǎn)中心線，即環(huán)形刀刀軸中心線在葉盤通道外側(cè)的延長(zhǎng)線從右向左變化。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成后對(duì)環(huán)形刀刀軸中心線直紋面∑'外側(cè)邊界線l'的影響是同位的，l'的變化規(guī)律是隨著高度升高，從左下向右上單調(diào)變化。在極限狀態(tài)下環(huán)形刀刀軸中心線O1O1"與曲面法矢垂直，φ=90°,在平面O1O1'O1"內(nèi)，O1O1"位于球頭刀刀軸控制點(diǎn)Kq的左側(cè)，即位于刀軸控制線lk的左下側(cè)；考察平行四邊形O1O1'KqO2"內(nèi)，O2O2"位于刀軸控制線右上側(cè)，結(jié)合lk和∑'的單調(diào)性，可知lk與∑'必有且只有一個(gè)交點(diǎn)Kh，此交點(diǎn)就是環(huán)形刀四軸加工模式下通過球頭刀刀軸控制線時(shí)的刀軸控制點(diǎn)，it就是環(huán)形刀通過刀軸控制線的刀軸矢量，點(diǎn)Ot是環(huán)形刀刀心點(diǎn)。

圖10 過控制線環(huán)形刀刀軸計(jì)算Fig.10 Shaft calculation of the circular cutter over the control curve

采用環(huán)形刀通過球頭刀刀軸中心線進(jìn)行四軸加工，刀具中心點(diǎn)相比球頭刀更加遠(yuǎn)離加工面，不會(huì)發(fā)生加工面自干涉。一般情況下刀軸控制線按照雙側(cè)干涉安全距離接近的方式構(gòu)造，環(huán)形刀相比球頭刀最大接近干涉面不大于，依公式（5），葉盤加工中φ均大于60°，按常用直徑12mm底刃半徑3mm的刀具估計(jì)，此時(shí)加工點(diǎn)附近的值為0.4mm，而干涉敏感區(qū)一般情況下位于葉尖處，且干涉安全距離一般大于0.5mm，將球頭刀控制線用于環(huán)形刀刀軸控制一般不會(huì)出現(xiàn)環(huán)形刀他干涉，但加工前仍需對(duì)所編制的加工程序進(jìn)行刀具及刀柄干涉檢查。以上算例是一個(gè)順航向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的整體葉盤葉背加工的情況，其他旋向及葉背、葉盆加工模式均可推導(dǎo)對(duì)應(yīng)算法。

4 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

基于前述算法構(gòu)造的環(huán)形刀四軸加工開式整體葉盤的刀軸軌跡仿真，結(jié)果如圖11所示。

圖11 整體葉盤切削實(shí)驗(yàn)仿真圖Fig.11 Simulation diagram of the blisk cutting experiment

利用本文提出的環(huán)形刀控制線方法進(jìn)行加工試驗(yàn)，采用直徑為12mm的環(huán)形刀，底刃倒角半徑為3mm,齒數(shù)為4，切深為0.3mm，切寬為0.4mm，每齒進(jìn)給量為0.025mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為5500r/min，進(jìn)給速度為550mm/min。環(huán)形刀控制線方法加工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 加工現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.12 Map of machining spot

如圖13所示為環(huán)形刀控制線加工后的葉片表面，可以發(fā)現(xiàn)葉片的刀痕整齊，紋理清晰，表面質(zhì)量高。這是因?yàn)榭刂凭€控制下的刀軸不依賴于曲面形狀，刀軸變化平緩，刀柄深入到葉盤通道內(nèi)部使實(shí)際加工刀長(zhǎng)變短，刀具振動(dòng)小，加工表面質(zhì)量非常好，表面粗糙度、葉身輪廓度指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于控制線的開式整體葉盤環(huán)形刀四軸加工方法，可以有效地解決加工過程中因刀軸變化率過大引起的葉片啃傷問題，提高了葉片加工表面質(zhì)量，同時(shí)利用環(huán)形刀刀具磨損小解決了基于控制線球頭刀四軸加工因?yàn)榈毒咭啄p需要頻繁換刀的問題，提高了葉盤加工效率，在一定程度上降低了加工成本。

圖13 加工結(jié)果局部圖Fig.13 Local map of the machining result

采用環(huán)形刀帶來(lái)的缺點(diǎn)是同樣行距的情況下，殘留高度相比球頭刀加大。在某型整體葉盤加工中，曾采用的加工刀具從D8球頭刀改成D12R3的環(huán)形刀，在同樣是0.4mm行距的情況下，其殘留高度從0.005mm增加到了0.0067mm，略微增大的殘留高度仍是可以接受的，但實(shí)際工藝規(guī)劃中仍需注意。若按等殘留高度值進(jìn)行加工，則環(huán)形刀相比同直徑球頭刀，其行距必須加密。

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