[发明专利]直纹面叶轮五坐标插铣加工方法

说明书

技术领域

本发明属于数控加工领域，主要涉及一种叶轮插铣加工方法，特别是涉及一种直纹面叶轮五坐标插铣加工方法。

背景技术

插铣法又称为z轴铣削法，其工作方式类似于钻削，刀具沿主轴方向做进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削，如图1所示。

插铣加工法是复杂曲面金属切削实现高切除率最有效的加工方法之一，被广泛的应用在具有垂直侧壁的零件的切削上。插铣法的加工效率远远高于常规的铣削方法，在需要快速切除大量金属材料时，采用插铣法可使加工时间大幅度缩短。此外，插铣加工还具有以下优点：1)侧向力小，减小了零件变形；2)加工中作用于铣床的径向切削力较低，使主轴刚度不高的机床仍可使用而不影响工件的加工质量；3)刀具悬伸长度较大，适合对工件深槽的表面进行铣削加工并延长刀具使用寿命，而且也适用于对高温合金等难切削材料进行切槽加工。

虽然插铣加工拥有许多优势，但是过去和当前对铣削加工的研究主要集中在使用端铣刀加工雕塑曲面时的优化问题。很少能见到对插铣加工刀具路径规划的研究。

文献EL-MIDANY T T,ELKERAN A,TAWFIK H.Optimal CNC plunger selection and toolpoint generation for roughing sculptured surfaces cavity[j].Journal of Manufacturing Science and Engineering.,2006,128(4):1025-1029，是少数公开发表的研究插铣加工刀具路径规划的文献。该文献提出了重叠填充圆（over-lapped circles filling，Ocfill）算法来生成插铣加工的刀具轨迹，较好的解决了2D区域内的插铣加工刀具路径的生成问题。但是该算法不能对刀轴进行控制（只能应用在三坐标机床加工中），无法针对具有扭曲型腔的零件生成插铣加工路径。文献KO J H,ALTINTAS Y.Time domain model of plunge milling operation[J].Machine Tools & Manufacture.,2007,47(9):1351-1361，提出了一个插铣加工的机械和动力学时间域模型，但是也只应用在三坐标铣削加工上。

在工业生产中，有一类零件必须要求用五坐标机床才能对其进行加工，叶轮类零件就是典型代表。

传统的叶轮加工工艺规划方案一般包括开槽、扩槽和精加工。其中开槽、扩槽部分相当于一般的粗加工阶段。大部分采用锥形球头铣刀，先在流道的中间部分进行开槽，然后采用侧铣法从流道中心向两边逐步扩展，一直到达到叶片粗加工的余量要求为止，最后再采用侧铣或点铣法完成叶片的精加工。有资料表明，在开槽、扩槽阶段的材料去除量很大，约为60%~90%，因此，粗加工的效率和工艺的优劣对缩短加工周期及降低加工成本具有重要的意义。

综合叶轮零件粗加工所面临的问题和插铣加工的特点，插铣法是叶轮类零件粗加工的首选法案。但是，由于叶轮类零件的流道（型腔）通常形状复杂（如图2所示），因而在生成刀具轨迹的时候要求CAM软件对刀轴的控制能力要非常高，既要保证插铣路径均匀分布，又要保证刀具不同叶片表面发生干涉。因此插铣刀如何在多坐标数控加工中生成无碰撞的刀轴方向和优化的刀位轨迹是当前研究的热点问题之一。

文献HU Chuangguo,ZHANG Dinghua,REN Junxue,et al.Research on the plunge milling of blisk tunnel[J].China Mechanical Engineering,2007,18(2):p.153-155.(in Chinese)[胡创国,张定华,任学军,等.开式整体叶盘通道插铣粗加工技术的研究[J].中国机械工程,2007,18(2):153-155]，进行了开式整体叶盘的通道插铣粗加工技术的研究，利用直纹面逼近叶轮的叶型曲面，通过连接刀心和刀轴上的对应点，规划刀具轨迹。但是该方法没有考虑行距、步距的计算准则，无法保证插铣加工的材料去除率和加工效率（生成的刀具轨迹不一定最短），对插铣加工的深层次的研究不利。

另外，插铣加工是一种比较新颖的加工方法，目前还处在研究阶段。通常普通的插铣方法只能在三坐标机床上完成插铣加工，对像叶轮这样的窄流道、叶片扭曲大和深型腔的需要用五坐标机床才能完成加工的工件通常无能为力。

发明内容

发明目的