[发明专利]基于整体叶盘通道四轴数控加工的最大适用刀具半径计算方法

说明书

本发明提出了一种基于整体叶盘通道四轴数控加工的最大适用刀具半径计算方法，首先考虑加工过程中整体叶盘通道与刀具的空间几何关系建立叶盘通道对刀具尺寸的约束模型，并根据该模型研究在不同转角下叶盘通道对刀具尺寸的影响，最后通过设计的优化算法计算出加工过程中的最大适用刀具半径和对应的无干涉刀轴方向。本发明具有计算精度高、收敛速度快的特点。解决了整体叶盘四轴数控加工过程中最大适用刀具半径及无干涉刀轴方位的计算问题，符合整体叶盘加工的实际情况，为合理选择叶盘通道加工时所用刀具提供了理论依据，为实现整体叶盘通道的高效加工奠定了基础。

技术领域

本发明属于多轴数控加工的技术领域，涉及到航空发动机整体叶盘数控加工中最大适用刀具的计算方法，具体为一种基于整体叶盘通道四轴数控加工的最大适用刀具计算方法。

背景技术

整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件，其将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置等，减少了结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高了气动效率，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提高，结构大为简化。

与整体叶盘诸多优点相对应，其制造工艺技术面临着非常严峻的挑战。由于其结构复杂：叶片薄、扭曲大、通道窄、深且开敞性差，加工精度要求高，尤其是叶片型面为复杂的空间自由曲面。特别是为了适应其高压、高转速的极端工作条件，其材质广泛采用钛合金、高温合金等难加工材料。使得对整体叶盘的制造技术要求极高，国内研究最多、应用最广泛、技术成熟度最高的加工方法是多轴数控加工方法。

整体叶盘数控加工工艺方案涉及通道的粗加工、叶片半精和精加工等一系列工序。整体叶盘的加工一般周期长、效率低，从毛坯到成型的加工过程去除的材料约占毛坯的60％-90％以上，其中绝大部分是在叶盘通道粗加工过程中完成的。因此，实现通道高效粗加工，对缩短整体叶盘制造周期及降低加工成本具有重要意义，同时也有利于后续叶片型面及轮毂表面的半精加工和精加工。

在目前的加工工艺方法中，无论是采用分层侧铣，还是插铣，都有一个共同的问题，即刀具选取通常靠经验判断，而且为了保证加工过程无干涉，往往选用的刀具尺寸都比较保守。从切削加工的原理来看，大尺寸的刀具相较于小刀具而言具有很多优点：刀具的刚性和强度好，能以更大的切深和更高的进给速度去除材料，刀具后刀面磨损相对较慢，被加工零件的表面光洁度高。要进一步提高整体叶盘通道粗加工效率，应尽可能选用大尺寸刀具去除尽量多的材料，因而精确计算整体叶盘通道加工时的最大适用刀具成为了重中之重。

对于轴流式整体叶盘而言，其通道由形状复杂的叶型自由曲面包围而成，通道狭窄，开敞性差。叶盘通道的这一典型几何特征极大地约束了采用大刀具加工叶盘通道，如何通过精确的优化计算来确定加工叶盘通道时可用的最大刀具半径是一个亟待解决的问题，同时无干涉的刀轴方向优化也有很高的理论难度。为解决这一问题，本文根据叶盘通道与刀具的空间几何关系建立了通道对刀具尺寸的约束模型，用于定义最大适用刀具半径，并设计了一种高效稳定的全局优化算法用于求解最大适用刀具半径。

发明内容

为了解决现有问题，本发明给出一种基于整体叶盘通道四轴数控加工的最大适用刀具半径计算方法。考虑整体叶盘绕轴线旋转不同角度时叶盘通道对刀具尺寸的约束也在变化，设计了一种优化算法对最大适用刀具半径进行计算，解决了整体叶盘通道加工过程中最大适用刀具半径及无干涉刀轴方向的计算问题。本发明所提供的计算方法能够精确地计算最大适用刀具及无干涉刀轴方向，为使用大刀具高效率加工整体叶盘通道提供了基础。

技术方案

本发明首先考虑加工过程中整体叶盘通道与刀具的空间几何关系建立叶盘通道对刀具尺寸的约束模型，并根据该模型研究在不同转角下叶盘通道对刀具尺寸的影响，最后通过设计的优化算法计算出加工过程中的最大适用刀具半径和对应的无干涉刀轴方向。

具体的技术方案为：