閉式整體葉盤流道粗加工分層刀路規(guī)劃方法研究

劉 成，李正康，龔環(huán)球，張宗偉，汪 玲

(1.湖南南方通用航空發(fā)動機有限公司，湖南 株洲 412000；2.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；3.蘇州千機智能技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

整體葉盤的結(jié)構(gòu)因其功能不同分為開式整體葉盤[1-4]和閉式整體葉盤[5-7]。閉式整體葉盤因葉片外側(cè)由圍帶包裹，導(dǎo)致粗加工區(qū)域的開敞性差，呈半封閉形狀。數(shù)控銑削加工具有加工精度高、適應(yīng)性強和加工質(zhì)量穩(wěn)定等特點，是閉式整體葉盤加工制造的一種重要方式之一。粗加工是銑削加工的第1步，從毛坯到最終零件的過程中絕大部分材料由粗加工去除。粗加工的表面質(zhì)量及殘余量將決定是否需要后續(xù)的修正步驟，且粗加工效率也會影響整個零件的加工效率。劃分加工區(qū)域是規(guī)劃刀路的前提，確定加工方式以及合理地劃分加工區(qū)域，如何使刀位軌跡規(guī)劃不依賴于特定的模型，降低對模型的依賴，避免因模型曲面造型局部缺陷而降低算法的適用性，是刀位軌跡規(guī)劃中的一個難點。本文針對上述問題，開展了流道型腔粗加工刀路規(guī)劃的研究，并提出相應(yīng)的解決方法。

1 粗加工刀路規(guī)劃分析

閉式整體葉盤加工毛坯一般為圓柱或圓環(huán)型，從毛坯到最終成型材料去除率約為90%[8]。由于在粗加工階段去除大部分材料，因此粗加工工藝將影響整個葉盤的加工效率。閉式整體葉盤的流道型腔如圖1所示。

圖1 閉式整體葉盤的流道型腔

1.1 進刀方式

根據(jù)流道型腔區(qū)域半封閉的特點，從刀具的可達性分析可知，從一側(cè)進刀無法完成對整個流道型腔區(qū)域的加工，需要從前、后緣兩側(cè)向中間對接進行加工。即使葉片扭曲程度小，其前、后緣之外的材料仍需要分別從兩側(cè)進刀加工。從兩側(cè)對接加工將涉及一個流道型腔區(qū)域分塊的問題，不能簡單地將其從中間一分為二，應(yīng)根據(jù)葉片的形態(tài)特征，綜合考慮整體刀軸矢量變化角度、刀具懸伸長度等因素，合理劃分流道型腔區(qū)域。

1.2 走刀方式

對整個流道型腔區(qū)域來說，走刀的方式有很多樣。分層銑削是一種常規(guī)的走刀方式，即將整個待加工區(qū)域沿切深方向分為若干層并逐層銑削，在每個切削層內(nèi)連續(xù)切削。

分層銑削每層加工區(qū)域是一個由4個邊界圍成的近似扇形區(qū)域，粗加工刀路應(yīng)避免過多的抬刀、進刀次數(shù)，以提高切削效率。根據(jù)待加工區(qū)域的特點，一般有如下3種基本的刀路規(guī)劃[9]形式(見圖2)：1)“之”字形刀路，加工過程中順銑逆銑交替進行，不利于刀具壽命；2)單向銑削刀路，加工時在2條相鄰刀路之間需要有一個抬刀、進刀的過程，降低銑削效率；3)螺旋走刀，加工過程中可以保持始終為順銑或逆銑切削，且同一層各刀路之間為連續(xù)切削，可以提高切削效率。本文算法采用第3種走刀方式。

圖2 分層切削的不同走刀方式

1.3 切入刀路

由無材料側(cè)向材料側(cè)切入時，除了插銑刀切削時沿軸向進給，其他類型的銑刀一般沿側(cè)向進給。在開式整體葉盤粗加工時，側(cè)刃參與切削，切入平穩(wěn)；而對于半封閉的流道型腔區(qū)域來說，如果不做任何處理，刀具由前緣或后緣直接進給切削，則刀具“扎”入材料，切削狀態(tài)發(fā)生大的突變，極易損壞刀具以及工件。因此，為使切入平穩(wěn)，避免減少刀具壽命或損傷刀具，合理規(guī)劃閉式整體葉盤粗加工的切入刀路至關(guān)重要。

1.4 刀軸姿態(tài)

五軸數(shù)控銑削過程中的刀軸姿態(tài)不僅影響加工的平穩(wěn)性與加工效率，還會影響刀具的懸伸長度，合理的刀軸姿態(tài)可以降低刀具的懸伸長度[10]，提高加工剛度。變化不平穩(wěn)或有突變的刀軸姿態(tài)甚至?xí)a(chǎn)生過切以致?lián)p傷工件，因此光順無突變的刀軸姿態(tài)是刀軸矢量規(guī)劃中要達到的目標。閉式流道型腔區(qū)域半封閉，位于流道型腔內(nèi)的某個切削點四周均存在潛在的干涉對象，型腔內(nèi)刀軸姿態(tài)的可調(diào)范圍較小，很容易出現(xiàn)干涉的情況，尤其在型腔4個角點的位置，空間更加狹小，因此需要通過一個高效準確的不干涉刀軸可行域搜索算法來確定不干涉區(qū)域，最終從不干涉可行域內(nèi)尋找最終的刀軸，使之滿足全局連續(xù)光順的要求。

2 分層刀路規(guī)劃研究

2.1 分層加工區(qū)域邊界刀路的求解

2.1.1 圍帶輪轂側(cè)邊界刀路

圍帶側(cè)邊界曲面、輪轂側(cè)邊界曲面以及分層面曲面是同軸回轉(zhuǎn)曲面，所以2個邊界回轉(zhuǎn)曲面與分層曲面的交線是圓弧的一部分。由回轉(zhuǎn)面分層曲面與圍帶側(cè)邊界曲面確定圍帶側(cè)邊界刀路，從圓弧交線中選擇位于流道型腔內(nèi)的部分作為邊界刀路。同樣可以求得位于流道型腔內(nèi)的輪轂側(cè)邊界刀路。

2.1.2 葉片側(cè)邊界刀路

葉片側(cè)的邊界刀路由葉片曲面偏置線簇與分層面求交再插值獲得。求葉片曲面偏置線簇中的每條曲線與分層面的交點，并求得交點在分層面上的曲面上的k個UV參數(shù)點pi(i=0,1,…,k-1)。與前節(jié)描述情況一樣，當(dāng)葉片形態(tài)較差時，除了等參數(shù)的偏置線自身會打折之外，臨近的偏置線也會出現(xiàn)交叉的情況，導(dǎo)致在分層面上的交點順序有異常之處(見圖3)。

圖3 對邊界刀路交點排序

分層面上的交點的向參數(shù)應(yīng)符合單調(diào)遞增的規(guī)律，故可據(jù)此對順序錯亂的交點集進行重新排序。排序結(jié)果為{pi|pi·v

2.2 分層加工區(qū)域非邊界刀路的求解

根據(jù)流道型腔環(huán)切刀路的規(guī)劃策略，除了確定邊界刀路之外，還應(yīng)根據(jù)一定的條件確定中間刀路的走刀方式。本文采用螺旋的方式逆時針構(gòu)造中間刀路，切削的起始點位于每個分層面在流道型腔內(nèi)部，按照橫向切削行、縱向切線行交替進行的方式連續(xù)切削。

2.2.1 確定切削行距

確定切削行的方式有多種，如等參數(shù)線法、等間距法和等殘留高度法。采用等參數(shù)線的方式計算最為簡單，直接取等U參數(shù)線和等V參數(shù)線作為刀路曲線，但是等參數(shù)線與流道型腔的形態(tài)并不一定吻合，尤其在銑削葉片側(cè)的邊界時由于等參數(shù)線并不是邊界刀路曲線，因此需要分段處理，這種方式的刀路規(guī)劃復(fù)雜，同時對模型的依賴性較強，降低了刀路規(guī)劃算法的適用性；等間距法與等殘留高度法都需要根據(jù)當(dāng)前已知的刀位點，向前迭代搜索，搜索滿足一定的條件之后停止，這2種方式計算效率較低。本文針對球頭刀采用最大殘留高度滿足要求的方式確定切削行距，進而確定橫向、縱向2個方向上的刀路數(shù)。

本文按照傳統(tǒng)的殘留高度計算方法，保證最大殘留高度滿足誤差來規(guī)劃刀路。殘留高度是指2個相鄰切削行之間殘留的材料的最大高度。當(dāng)切削平面時，殘留高度如圖4a所示；當(dāng)切削非平面時，在球頭第1個切觸點處以圓弧代替自由曲線(見圖4b)。設(shè)刀具半徑為R，第1個切觸點處的曲率半徑為Rp，L為切削行距。

圖4 計算切削行間殘高示意圖

由圖4可得對應(yīng)的殘留高度分別是：

當(dāng)曲率半徑趨于無窮大時，式2和式3即特化為式1。

2.2.2 確定切削刀路數(shù)

流道型腔的每個切削層區(qū)域都近似一個扇形區(qū)域，根據(jù)近似扇形的最大弧長和側(cè)邊長度的大小，取值較大的一個方向為切削主方向，另一個較小的方向定義為切削副方向。定義切削主、副方向的實際意義在于，切削時主方向為主要去除材料方向，副方向起連接切削主方向刀路的作用，每層切削的起始刀路是主切削方向刀路。本文提出的刀路規(guī)劃算法所得的刀路形式分別對應(yīng)深度方向為主方向和寬度方向為主方向(見圖5)。

圖5 每層刀路的2種走刀方式

根據(jù)2個方向上總的最大切寬以及最大殘留高度δ，可以得到2個方向上總的可規(guī)劃刀路數(shù)Nw=Dw/L，Nd=Dd/L，向上取整。這里的總可規(guī)劃刀路數(shù)用以規(guī)劃刀路曲線，并非實際切削的刀路數(shù)，最終從所有刀路曲線中選取實際切削的刀路。

根據(jù)2個方向上切削刀路的相對長度，取刀路曲線較長的一個方向為切削主方向，所以切削主方向上的總切削寬度相對較小。根據(jù)總切削寬度的大小，確定主切削寬度DP=min(Dw，Dd)，對應(yīng)的切削方向為主切削方向，副切削寬度Ds=max(Dw，Dd)，對應(yīng)的切削方向為副切削方向。根據(jù)總切削寬度即上步中求的行距，可以計算主切削方向上的刀路數(shù)N為NP=DP/L，主切削方向上刀路數(shù)與實際刀路數(shù)相等。根據(jù)圖5中的走刀方式，確定副切削方向上實際切削刀路數(shù)為Ns=NP-1。

2.2.3 生成中間刀路

首先確定2個方向上的實際切削刀路數(shù)。當(dāng)寬度方向為主切削方向時，沿寬度方向上的刀路數(shù)是主切削刀路數(shù)，當(dāng)深度方向為切削主方向時，沿寬度方向上的刀路數(shù)是副切削刀路數(shù)；然后根據(jù)2個方向上的總可規(guī)劃刀路數(shù)Nw、Nd計算中間刀路曲線，從中選擇實際切削刀路曲線，并確定每條切削刀路曲線的首尾點。

1)沿寬度方向上的刀路曲線。沿寬度方向上的邊界刀路曲線為輪轂、圍帶側(cè)邊界同心圓弧曲線，在兩段圓弧之間根據(jù)刀路數(shù)均布中間刀路曲線，中間刀路曲線亦是圓弧曲線。取分層面母線位于2個邊界圓弧之間的部分g，根據(jù)沿寬度方向的總共可規(guī)劃刀路數(shù)，采用等弧長離散的得到一系列離散點gi(i=0,1,…,n-1)，各個離散點分別是中間刀路圓弧上的點。因此由分層面回轉(zhuǎn)軸以及離散點gi(xi,yi,zi)可以確定中間刀路所在的圓弧曲線：

(4)

2)沿深度方向上的刀路曲線。沿深度方向上的邊界刀路曲線為自由曲線，在2條曲線之間采用等比例的方式插值得到中間刀路曲線(見圖6)。

圖6 圓弧曲線上插值

取上一節(jié)中得到的葉片左側(cè)離散點pi l(i=0,1,…,m-1)以及其對應(yīng)的葉片右側(cè)離散點pi r(0≤i

(5)

式中，M(djαi)表示繞整體葉盤回轉(zhuǎn)軸X旋轉(zhuǎn)的剛體旋轉(zhuǎn)矩陣，旋轉(zhuǎn)角度為θ(djαi)。

(6)

可以將離散點視為i行j列的二維點集，每一列都是沿深度方向上刀路的型值點，插值每列型值點，便得到沿深度方向上的刀路曲線pj(u)(j=0,1，…,Nh-1)。

上述2個方向上求得可規(guī)劃刀路曲線如圖7所示。按照切削刀路規(guī)劃方式，選擇位于中間的主切削方向刀路為該層第1條切削刀路，圖7中標號1為切削起始位置，按照序號沿曲線走刀，以主、副切削刀路交替進行的方式逆時針向外切削，在分層面上通過求解2條相鄰刀路曲線的交點得到切削刀路的首尾點。其中，6、11為同一個點，10、11段切削刀路為封口刀路。

圖7 2個方向上的刀路曲線

3 方法實現(xiàn)與驗證

3.1 方法實現(xiàn)

本文的刀路規(guī)劃算法是基于刀心點，采用C++語言，在整體葉盤自動化數(shù)控編程軟件UltraCAM上開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)運行的軟硬件環(huán)境為CPU主頻2.5以上，核數(shù)≥2、內(nèi)存8 G、>200 M空余硬盤空間以及支持win7/10 64位系統(tǒng)。

本文選用某閉式整體葉盤(見圖8)作為試驗?zāi)Ｐ汀Ｔ撊~盤的主要特征參數(shù)如下：葉片數(shù)目55個，葉片寬度約為26 mm，高度約為45.5 mm，最大扭曲度約為25.418 4°。

圖8 閉式整體葉盤

首先，將該模型的設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UltraCAM軟件中，利用CAD模塊進行必要的處理，使之滿足策略算法的計算要求；然后，創(chuàng)建一個流道型腔粗加工策略，設(shè)置從前緣進刀，選用φ8圓柱球頭銑刀，設(shè)置加工余量以及殘留高度；最后，計算并獲得刀軌規(guī)劃結(jié)果。

應(yīng)用UltraCAM軟件對計算結(jié)果進行仿真(見圖9)，初步分析刀位軌跡的正確性。由圖9可知，刀位點分布均勻，刀具與模型之間沒有發(fā)生干涉或過切，且刀軸姿態(tài)沒有發(fā)生突變、抖動的情況，仿真過程刀具運動平穩(wěn)，符合要求。

圖9 對計算結(jié)果進行仿真及刀路局部視圖

3.2 仿真分析

應(yīng)用VERICUT軟件驗證本文算法所生成NC代碼的正確性。

首先，應(yīng)用UltraCAM軟件中的后處理功能，針對DMG-DMU65 monoBlock型號機床進行配置，以上述計算所得刀位軌跡數(shù)據(jù)作為輸入，后處理即得到數(shù)控文件*.h；然后，在VERICUT軟件中，執(zhí)行配置機床、建立刀具庫、添加設(shè)計模型和添加數(shù)控程序等必要步驟，將機床干涉判斷的臨界間隙設(shè)為1 mm，其中，毛坯是內(nèi)環(huán)直徑為270 mm、外環(huán)直徑為440 mm、高為32 mm的圓環(huán)，設(shè)計模型為用已規(guī)劃刀路的模型；最后，完成配置后，開始計算仿真。

應(yīng)用VERICUT軟件仿真結(jié)果如圖10所示。仿真過程未出現(xiàn)碰撞干涉的情況，機床A軸、C軸整體運動平穩(wěn)，并且仿真結(jié)果分析也沒有出現(xiàn)過切的問題。仿真結(jié)果表明，本文算法計算的刀位，軌跡沒有出現(xiàn)過切、干涉的情況，刀軸姿態(tài)變化平穩(wěn)，可以進行試切驗證。

圖10 仿真截圖

3.3 試切驗證

在VERICUT軟件驗證了算法計算結(jié)果的正確性之后，開始進行實際的切削試驗。試切試驗加工機床選用DMG-DMU65 monoBlock，試切材料為不銹鋼。待切削毛坯及最終粗加工之后的零件如圖11所示。

圖11 待切削毛坯及最終粗加工之后的零件

通過對試切后的零件型腔進行分析，生成的刀位軌跡順利完成了流道型腔的粗加工，型腔表面(即葉片面、輪轂圍帶內(nèi)側(cè)面)刀路分布均勻，無過欠切；規(guī)劃的走刀路線可行；采用斜線進刀的進刀方式，機床切入平穩(wěn)；切削靠近中間部分刀路時，轉(zhuǎn)臺保持不動，轉(zhuǎn)臺整體變化平穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文研究了流道型腔加工區(qū)域的特點，采用對接分層的方式規(guī)劃粗加工刀路，并根據(jù)圍帶、輪轂側(cè)與葉片側(cè)不同的曲面形態(tài)特點，采用2種不同的方式構(gòu)造加工區(qū)域邊界。研究了切削區(qū)域內(nèi)的分層方法，采用一種不依賴于特定模型的、可統(tǒng)一構(gòu)造分割曲面、切削分層曲面的曲面構(gòu)造方法。經(jīng)試切驗證表明，該刀路規(guī)劃方法可靠，生成的刀路平滑，無干涉，可應(yīng)用于閉式整體葉盤流道粗加工刀路規(guī)劃。