一种数控铣削轴流压缩机叶片过切问题的加工前判定方法

摘要

本发明公开了一种数控铣削轴流压缩机叶片过切问题的加工前判定方法。该方法对构成待加工叶片的m条全封闭的等高叶型轮廓线依次分别进行处理，首先根据条件0＜MCD≤1mm、0＜MND≤3°和0＜ERRCOR≤0.05mm，在轮廓线上进行采点；然后依次过所采点根据待验证切削角度作待验证刀具的切削刃轮廓线，当所作切削刃轮廓线与叶片的轮廓线交点大于1时可判定存在过切。采用本发明的方法可在编程或加工之初就及时发现过切，从源头杜绝加工过程中过切的产生，大大提高加工效率，降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于轴流压缩机叶片加工技术领域，具体涉及一种数控铣削轴流压缩机叶片过切 问题的加工前判定方法。

背景技术

五坐标叶片加工中心由于五轴联动充分的自由度，叶片型面各个部分都能准确地加工到 位，没有死角，叶片的失真度大大降低；同时，整个加工过程完全依赖NC程序保证，没有人 为因素参与，叶片的同一性可达到非常理想的效果。但过程中的过切问题却无法避免，过切 的产生通常是因为被加工叶片的曲面曲率变化大，而采用的刀具外形不合适，或是切削角度 和走刀路径不合适等原因造成。

轴流压缩机叶片的数控铣削加工中，经常会产生过切现象，程序编制完成后，在仿真模 拟加工中，可以及时发现过切，但一些轻微过切现象非常容易被忽视，造成工件报废。采用 仿真模拟加工的方法检测过切，还有一个弊端，必须是程序编制完成后才能进行模拟加工， 发现过切后，再回过头去寻找产生过切的原因，进行修改，耗时耗力，编程效率极低。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种数控铣削轴流压缩机叶片过切 问题的加工前判定方法，以在编程或加工之初就及时发现过切，从源头杜绝加工过程中过切 的产生，大大提高加工效率，降低生产成本。

为实现上述技术任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种数控铣削轴流压缩机叶片过切问题的加工前判定方法，其特征在于，该方法按下列 步骤实现：

步骤一，建立一三维坐标系，在该坐标系下以z轴为中心轴作待加工叶片的三维结构图， 该三维结构图由m条全封闭的等高叶型轮廓线构成，该m条全封闭的等高叶型轮廓线从叶根 至叶片顶部依次为轮廓线z₁、轮廓线z₂、…、和轮廓线z_m，m为大于0的自然数；

步骤二，在轮廓线z₁所在平面内，于轮廓线z₁上任取一点p₁为第一点；以0＜MCD≤1mm、 0＜MND≤3°和0＜ERRCOR≤0.05mm为条件，在轮廓线z₁上沿着实际加工过程中的走刀方向 依次采点直至新采的点与第一点重合或越过第一点，其中：MCD为同一轮廓线上相邻两点间 的距离、MND为同一轮廓线上相邻两点间的圆心角、ERRCOR为同一轮廓线上相邻两点间的弦 高，具体采点过程如下：

(1)在0＜MCD≤1mm的条件下，以p₁点为基点依次采点：

以p₁为圆心、1mm为半径做圆o₁，该圆与轮廓线z₁相交，取圆o₁在实际加工过程中的走 刀方向上与轮廓线z₁的交点p₂；

以p₂为圆心、1mm为半径做圆o₂，该圆与轮廓线z₁相交，取圆o₂在实际加工过程中的走 刀方向上与轮廓线z₁的交点p₃；

过不在同一直线上的点p₁、p₂、p₃作圆o₃同时得到圆o₃的半径；

分别连接p₁o₃、p₂o₃、p₃o₃、p₁p₂和p₂p₃，在三角形p₁o₃p₂和三角形p₂o₃p₃中，在 p₁p₂＝1mm、p₂p₃＝1mm和圆o₃半径已知的条件下，根据三角函数解三角形的方法计算p₁点和 p₂点之间的圆心角MND p₁p₂、p₂点和p₃点之间的圆心角MNDp₂p₃、p₁点和p₂点之间的弦高ERRCOR p₁p₂、p₂点和p₃点之间的弦高ERRCOR p₂p₃；

当0＜MND p₁p₂≤3°、0＜MND p₂p₃≤3°、0＜ERRCOR p₁p₂≤0.05mm且0＜ERRCOR p₂p₃≤0.05mm时，所采点p₂和p₃分别为第二点和第三点，接着在0＜MCD≤1mm的条件下，以 p₃点为基点按照相同的方法依次采点，否则：

(2)在0＜MND≤3°的条件下，以p₁点为基点依次采点：

在∠p₁o₃p₂′＝3°的条件下，于轮廓线z₁上取点p₂′；

在∠p₂′o₃p₃′＝3°的条件下，于轮廓线z₁上取点p₃′；

分别连接p₁o₃、o₃p₂′、o₃p₃′、p₁p₂′和p₂′p₃′，在三角形p₁o₃p₂′和三角形p₂′o₃p₃′中，在∠p₁o₃p₂′＝3°、∠p₂′o₃p₃′＝3°和圆o₃半径已知的条件下，根据三角函数解三角 形的方法计算p₁点和p₂′点之间的距离MCD p₁p₂′以及p₂′点和p₃′点之间的距离MCDp₂′ p₃′；

过不在同一直线上的点p₁、p₂′、p₃′作圆o₃′同时得到圆o₃′的半径；

分别连接p₁o₃′、p₂′o₃′、p₃′o₃′、p₁p₂′和p₂′p₃′，在三角形p₁o₃′p₂′和三角形 p₂′o₃′p₃′中，在MCD p₁p₂′、MCDp₂′p₃′和圆o₃′半径已知的条件下，根据三角函数解三 角形的方法计算p₁点和p₂′点之间的弦高ERRCOR p₁p₂′以及p₂′点和p₃′点之间的弦高 ERRCOR p₂′p₃′；

当0＜ERRCOR p₁p₂′≤0.05mm且0＜ERRCOR p₂′p₃′≤0.05mm时，所采点p₂′和p₃′分别为第二点和第三点，接着以p₃′为基点按照(1)步骤中所述方法依次采点；否则：

(3)在0＜ERRCOR≤0.05mm的条件下，以p₁点为基点依次采点：

过p₁点作轮廓线z₁的切线L₁；接着作L₁的平行线L₂，该L₂与轮廓线z₁相交且L₂与L₁之 间的距离为0.05mm，在实际加工过程中的走刀方向上取L₂与轮廓线z₁的交点p₂″；

过p₂″点作轮廓线z₁的切线L₃，作L₃的平行线L₄，该L₄与轮廓线z₁相交且L₄与L₃之间 的距离为0.05mm，在实际加工过程中的走刀方向上取L₄与轮廓线z₁的交点p₃″；

所采点p₂″和p₃″分别为第二点和第三点，接着以p₃″为基点按照(1)步骤中所述方法 依次采点；

步骤三，已知待验证刀具的刀具直径D和底刃圆角R以及待验证切削角度Angt，设步骤 二中所采的第一点为点q₁，过点q₁根据实际加工过程中刀具所在位置按下列方法作待验证刀 具的切削刃轮廓线：

过q₁作轮廓线z₁的切线L₁′；

过q₁作与L₁′之间的夹角为切削角度Angt的直线L₂′；

过q₁作L₂′的垂线L₃′；

作与L₂′和L₃′同时相切、半径为底刃圆角R的圆c₁；

作与L₃′平行且与L₃′之间的距离为刀具直径D的直线L₄′；

在L₃′与L₄′之间作半径为底刃圆角R且与L₂′和L₄′同时相切的圆c₂，该圆与圆c₁位 于直线L₂′的同侧；

所作圆c₁、圆c₂和直线L₂′构成待验证刀具的切削刃轮廓线；

当所作的待验证刀具的切削刃轮廓线与轮廓线z₁之间的交点个数大于1时，该待验证刀 具或待验证切削角度在q₁点存在过切；

步骤四，按照步骤三所述方法依次过步骤二中所采点作待验证刀具的切削刃轮廓线并判 断在相应点处是否存在过切；

步骤五，按照步骤二至步骤四所述方法依次对轮廓线z₂、…、和轮廓线z_m进行处理并判 断是否存在过切。

所述m为大于等于7小于等于11的自然数。

采用本发明的方法可在编程或加工之初就及时发现过切，从源头杜绝加工过程中过切的 产生，大大提高加工效率，降低生产成本。在该方法的基础上，技术人员可根据常规的技术 和经验，采用相应措施防止过切，并确定最优的刀具型号和切削角度，可以大大提高编程效 率，提高加工程序的品质，不用在编程的过程中，反复修改，反复模拟，从而大大提高编程 效率。

附图说明

图1为本发明的方法中步骤二中的(1)步骤所对应的示意图；

图2为本发明的方法中步骤二中的(2)步骤所对应的示意图；

图3为本发明的方法中步骤二中的(3)步骤所对应的示意图；

图4为本发明的方法中步骤三所对应的示意图；

图5为存在过切的示意图。

以下结合实施例与附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

在叶片型面的加工过程中，铣刀在数控程序的控制下，沿叶片型面外轮廓作螺旋线式切 削，最终加工出叶片型面，这时，铣刀切削轨迹所形成的面与叶型各等高面近似平行或重合， 这时，可以作这样的设想，在每一个叶型的等高轮廓面上，对刀具的切削情况用做图法做出， 使刀具依次“走”过上面的每一个点，这个过程实质上是一个二维空间的模拟加工，观察分 析模拟加工过程中的过切情况。对每一个叶型等高轮廓线作同样的处理，把每一个叶型等高 面的过切情况综合起来，认定为整个叶型的过切情况。这一方法巧妙地将复杂的三维叶型曲 面简化成m个二维平面，分析每一个二维平面内的过切情况，从而即可了解整个叶型曲面的 过切情况。这一方法简便有效，可操作性强，过切分析的精确度极高。

基于此，本发明所提供的的数控铣削轴流压缩机叶片过切问题的加工前判定方法按下列 步骤实现：

步骤一，建立一三维坐标系，在该坐标系下以z轴为中心轴作待加工叶片的三维结构图， 该三维结构图由m条全封闭的等高叶型轮廓线构成，该m条全封闭的等高叶型轮廓线从叶根 至叶片顶部依次为轮廓线z₁、轮廓线z₂、…、和轮廓线z_m，m为大于0的自然数。其中每一 条叶型轮廓线由背弧、内弧、进气边、出气边四部分组成，根据所加工的轴流压缩机型号的 不同，其叶片的大小规格也不尽相同，弦长在32mm～125mm之间，弦长是指叶片轮廓型线进 气边边缘到出气边边缘间的距离，可以直观地把弦长认为是叶片的宽度，叶片的长度在60mm～ 300mm之间；

步骤二，在轮廓线z₁所在平面内，于轮廓线z₁上任取一点p₁为第一点；以0＜MCD≤1mm、 0＜MND≤3°和0＜ERRCOR≤0.05mm为条件，在轮廓线z₁上沿着实际加工过程中的走刀方向 依次采点直至新采的点与第一点重合或越过第一点，其中：MCD为同一轮廓线上相邻两点间 的距离、MND为为同一轮廓线上相邻两点间的圆心角、ERRCOR为同一轮廓线上相邻两点间的 弦高，采点的原则是曲率大的地方采点密，曲率小的地方采点稀，既不要采点过密，导致计 算量太大，程序冗长；也不要因为采点太稀，导致叶型失真，达不到精确判断过切的目的， 具体采点过程如下：

(1)在0＜MCD≤1mm的条件下，以p₁点为基点依次采点：

以p₁为圆心、1mm为半径做圆o₁，该圆与轮廓线z₁相交，取圆o₁在实际加工过程中的走 刀方向上与轮廓线z₁的交点p₂；

以p₂为圆心、1mm为半径做圆o₂，该圆与轮廓线z₁相交，取圆o₂在实际加工过程中的走 刀方向上与轮廓线z₁的交点p₃；

过不在同一直线上的点p₁、p₂、p₃作圆o₃同时得到圆o₃的半径；

分别连接p₁o₃、p₂o₃、p₃o₃、p₁p₂和p₂p₃，在三角形p₁o₃p₂和三角形p₂o₃p₃中，在 p₁p₂＝1mm、p₂p₃＝1mm和圆o₃半径已知的条件下，根据三角函数解三角形的方法计算p₁点和 p₂点之间的圆心角MND p₁p₂、p₂点和p₃点之间的圆心角MNDp₂p₃、p₁点和p₂点之间的弦高ERRCOR p₁p₂、p₂点和p₃点之间的弦高ERRCOR p₂p₃；

当0＜MND p₁p₂≤3°、0＜MND p₂p₃≤3°、0＜ERRCOR p₁p₂≤0.05mm且0＜ERRCOR p₂p₃≤0.05mm时，所采点p₂和p₃分别为第二点和第三点，接着在0＜MCD≤1mm的条件下，以p₃点为基点按照相同的方法依次采点，否则：

(2)在0＜MND≤3°的条件下，以p₁点为基点依次采点：

在∠p₁o₃p₂′＝3°的条件下，于轮廓线z₁上取点p₂′；

在∠p₂′o₃p₃′＝3°的条件下，于轮廓线z₁上取点p₃′；

需说明的是，在方法允许的误差范围内，圆o₃上的弧p₁p₃的曲率和轮廓线z₁上的弧p₁p₃的曲率可视为相等，即点p₁、点p₂和点p₃同时位于圆o₃和轮廓线z₁上，进而新取的位于点 p₁和点p₃之间的p₂′、p₃′也同时位于圆o₃和轮廓线z₁上；

分别连接p₁o₃、o₃p₂′、o₃p₃′、p₁p₂′和p₂′p₃′，在三角形p₁o₃p₂′和三角形p₂′o₃p₃′中，在∠p₁o₃p₂′＝3°、∠p₂′o₃p₃′＝3°和圆o₃半径已知的条件下，根据三角函数解三角 形的方法计算p₁点和p₂′点之间的距离MCD p₁p₂′以及p₂′点和p₃′点之间的距离MCDp₂′ p₃′；

过不在同一直线上的点p₁、p₂′、p₃′作圆o₃′同时得到圆o₃′的半径；

分别连接p₁o₃′、p₂′o₃′、p₃′o₃′、p₁p₂′和p₂′p₃′，在三角形p₁o₃′p₂′和三角形 p₂′o₃′p₃′中，在MCD p₁p₂′、MCDp₂′p₃′和圆o₃′半径已知的条件下，根据三角函数解三 角形的方法计算p₁点和p₂′点之间的弦高ERRCOR p₁p₂′以及p₂′点和p₃′点之间的弦高 ERRCOR p₂′p₃′；

当0＜ERRCOR p₁p₂′≤0.05mm且0＜ERRCOR p₂′p₃′≤0.05mm时，所采点p₂′和p₃′ 分别为第二点和第三点，接着以p₃′为基点按照(1)步骤中所述方法依次采点；否则：

(3)在0＜ERRCOR≤0.05mm的条件下，以p₁点为基点依次采点：

过p₁点作轮廓线z₁的切线L₁；接着作L₁的平行线L₂，该L₂与轮廓线z₁相交且L₂与L₁之 间的距离为0.05mm，在实际加工过程中的走刀方向上取L₂与轮廓线z₁的交点p₂″；

过p₂″点作轮廓线z₁的切线L₃，作L₃的平行线L₄，该L₄与轮廓线z₁相交且L₄与L₃之间 的距离为0.05mm，在实际加工过程中的走刀方向上取L₄与轮廓线z₁的交点p₃″；

所采点p₂″和p₃″分别为第二点和第三点，接着以p₃″为基点按照(1)步骤中所述方法 依次采点；

对于叶片的轮廓线，当曲率很小，近乎一条直线时，用0＜MCD≤1mm采点即可达到要求， 其余两个参数MND和ERRCOR肯定都在取值范围内，且非常接近0，这种采点方法是最简便的； 当曲率逐渐增大，用0＜MCD≤1mm采点无法达到要求时，则用0＜MND≤3°进行采点，以使 采得的点符合要求；当曲率进一步增大，用0＜MND≤3°进行采点也无法达到要求时，则用0 ＜ERRCOR≤0.05mm采点，这时采得的点肯定都符合要求；

步骤三，已知待验证刀具的刀具直径D和底刃圆角R以及待验证切削角度Angt，设步骤 二中所采的第一点为点q₁，过点q₁根据实际加工过程中刀具所在位置按下列方法作待验证刀 具的切削刃轮廓线：

过q₁作轮廓线z₁的切线L₁′；

过q₁作与L₁′之间的夹角为切削角度Angt的直线L₂′；

过q₁作L₂′的垂线L₃′；

作与L₂′和L₃′同时相切、半径为底刃圆角R的圆c₁；

作与L₃′平行且与L₃′之间的距离为刀具直径D的直线L₄′；

在L₃′与L₄′之间作半径为底刃圆角R且与L₂′和L₄′同时相切的圆c₂，该圆与圆c₁位 于直线L₂′的同侧；

所作圆c₁、圆c₂和直线L₂′构成待验证刀具的切削刃轮廓线；

当所作的待验证刀具的切削刃轮廓线与轮廓线z₁之间的交点个数大于1时，该待验证刀 具或待验证切削角度在q₁点存在过切；

步骤四，按照步骤三所述方法依次过步骤二中所采点作待验证刀具的切削刃轮廓线并判 断在相应点处是否存在过切；

步骤五，按照步骤二至步骤四所述方法依次对轮廓线z₂、…、和轮廓线z_m进行处理并判 断是否存在过切。

上述m为大于等于7小于等于11的自然数。

在轴流压缩机叶片的加工中，过切情况是绝对不允许发生的。产生了过切，就说明事先 凭经验确定的刀具规格和切削角度是不合适的，必须对其进行修改，根据过切量的大小修改 刀具直径D、底刃圆角R和切削角度Angt。减小刀具直径可有效地避免过切，但刀具直径太 小，会大大降低切削效率，在轴流压缩机叶片的加工中，不主张首选减小刀具直径，而是改 变切削角度；加大切削角度也可有效地避免过切，是首选措施，但切削角度过大，又会产生 干涉，所以也不能无限制地增大切削角度。正确的方法是在上述刀具依次“走”过叶型轮廓 后，如发现存在过切，就按照所加工的叶片的尺寸和加工经验适当增大切削角度，接着按照 上述方法中的步骤三至步骤五所述方法进一步验证新确定的切削角度下是否存在过切问题， 如还存在则继续加大切削角度直到产生干涉为止，这里的干涉是指由于切削角度过大，刀杆 碰到了叶型。这时切削角度已增大到极限，如仍不能消除过切，再通过减小刀具直径的方法， 最终达到避免过切的发生。

本发明的方法可借助相关CAD和CAM软件或是C语言等高级计算机语言，经二次开发后， 通过自定义的函数或过程实现。

实施例：

该实施例中的待加工轴流压缩机叶片82503，型号为50KLA1/60°/400/Rh4-28.5，该叶 片由10条全封闭的等高叶型轮廓线构成。

由曲线和圆弧组成的曲线不能直接分析过切，必须对叶型轮廓线重新采点，按照上述方 法对本实施例中所加工的叶片的各轮廓线进行处理，过程中根据经验确定待验证的刀具直径 为Φ25R5的圆角铣刀、切削角度Angt为30°；参考图5，所作的待验证刀具的切削刃轮廓 线与待加工叶片的轮廓线之间的交点个数大于1，即产生了过切，说明所验证的的Φ25R5的 圆角铣刀和30°切削角度不合适。

作为本发明的方法的后续步骤，根据加工经验和待加工叶片的尺寸将刀具半径改小，或 是增大切削角度，然后重复本发明的方法中的步骤三至步骤五，直到过切情况消失为止，消 除过切时的刀具直径为Φ10R5，切削角度为38°。