一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置

摘要

本发明涉及一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置，用于解决闭式叶轮、叶环、机匣流道的机械加工问题。该装置具有闭式叶轮等的流道能够包容的弯曲刀具基体和其前端的可转位刀片形成的一种非圆截面弯曲工具，工具的后端连接在一个十字滑台的顶层滑台上，该十字滑台包括滑台底座、具有U向导轨的中间滑台和具有V向导轨的顶层滑台，顶层滑台和中间滑台分别通过安装于底座上电机的输出轴上安装两组相位差90度的偏心振动机构驱动，在顶层平台上合成为椭圆运动。本发明的加工装置可以显著提高曲面的加工行宽，从而提高曲面的加工效率和加工质量，并且同时提高了工艺系统的刚性，特别适合对半封闭空间的曲面进行加工。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置，特别适用于解决闭式叶轮、叶环、机匣流道的机械加工问题。

背景技术

航空发动机和航天发动机中使用大量的闭式叶轮、叶环和具有流道的机匣，其半封闭部位复杂曲面直柄工具难以进入、加工难度很大，由于空间弯曲，通常只能采用分区域加工的方法，分别从槽道的两端孔口进行加工，刀具的直径还不能太大，切削用量也受到严重限制，加工效率极低。同时抛光作业非常困难，目前基本依靠提高铸造加工精度和采用人工打磨加工方法，加工精度和质量都难以得到满足，急需发展高效率的内曲面和半封闭曲面的粗加工、精加工和抛光加工新方法。此外，在最近发展的利用环面刀具加工复杂曲面的宽行加工方法时发现，在利用环面刀具加工叶片进排气边和横向进给加工叶盆曲面时行宽特别窄，严重影响了加工效率的提高，如果能够采用椭圆环面刀具或其它类型的刀具而非环面刀具则可以显著提高加工效率。

在狭窄空间和弯曲空间中，难以采用常规的主轴和刀具进入被加工空间，即使有时能够进入但工具的尺寸也会受到极大限制。本专利提出采用二维或三维复合振动形成闭合的椭圆或其它曲线轨迹的工具进行加工的方法，相当于将常规铣刀上各点的圆周运动改变成椭圆运动或其它可用的运动，并利用多轴数控机床上的控制运动轨迹的程序对这些闭合的轨迹进行利用以形成切削刃的复杂空间运动，利用连续的切削刃刀位上的刀刃运动轨迹包络出所需要的复杂曲面。

在形成复杂的椭圆等运动轨迹方面，可以应用李萨如图形提供的数学原理，这些原理已经有人用于振动车削和振动抛光加工过程，但是未见应用于实现铣削加工，特别是未用于数控曲面加工。如图1所示，根据李萨如图形的生成原理，在示波器中利用两个相互垂直的振动可以合成空间一点的复杂的运动轨迹，不同的相位差和不同的频率比值可以形成非常复杂的几何图形，这种图形也可以被应用于机械加工过程。前苏联已经有人利用无限不循环李萨如图形运动方式进行抛光加工的先例，最近国内外也有采用两维振动器开展振动抛光研究和利用超声椭圆振动运动进行超声小振幅振动车削技术研究，但是没有人考虑用这种方法进行复杂曲面的刨削和铣削加工。

刨削过程需要有回程运动和切入运动，以前这种运动在刨床中是采用一些机构将刀具提升和落下来实现的，这样的过程过于缓慢。李萨如图形可以为解决这一问题提供一种解决方法。采用李萨如图形所示的连续的运动轨迹能够实现回程运动，但是此时刀具的运动为平动运动，其后刀面有可能与已加工表面反向接触，即后刀面变成前刀面，这对于切削过程极为不利。而铣削过程也存在同样的问题。但是如果将具有椭圆平动运动轨迹的刀刃的运动包络面当成一把刀具的工作面，即由切削刃(直线或非直线)沿着椭圆轨迹做平动运动形成的包络面(非圆工具包络面或刀具非圆工作面)，但刀具非圆工作面只有前端(朝向进给方向的一侧)具有切削作用，后端(背向进给速度的一侧)不具有切削作用，因为后端的后刀面与切削速度方向一致，变成了前刀面，不利于提高刀具寿命。只有利用多轴数控机床控制刀具非圆工作面倾斜于被加工表面，使刀具非圆工作面的后端离开工件上的已加工表面，避免刀具与工件摩擦则可以使这种刀具非圆工作面等同于一把被压变形的铣刀进行复杂曲面的加工。

在利用图5圆形刀具进行切削加工是非常常见的，这种刀具工作面的图形可以通过刀具绕轴线的旋转运动获得。而图6所示的椭圆刀具工作面存在于椭圆车削的双弯振动模式之中和振动抛光的磨料的微观运动过程之中，在一般铣削和刨削过程还没有见到应用先例。本发明正是基于上述的想法而提出利用椭圆振动铣削加工方法。在曲面加工中，刀具工作面的形状对加工行宽有很大影响，椭圆短轴很短时候可以增加加工宽度，如图7所示，这对于加工进排气边非常有利。可以认为李萨如图形的复杂振动模式好比为人类提供了一种柔性刀库，只要改变程序就可以获得多样性的刀具工作面，用于解决复杂的曲面加工难题。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置，解决弯曲和半封闭内自由曲面的机械加工难题。

本发明所提出的非圆刀具铣削加工是指刀具的结构和刀尖上点的切削运动或主运动的轨迹为非圆结构，前者是为了适应半封闭曲面(刀具可以进入但是周边4-5个方位都受到严重限制，且被加工结构为复杂曲面)加工而设计的特定刀柄结构和切削部分结构，后者是通过振动器驱动而形成复杂的运动图形，即刀刃上一点在机床伺服轴不运动情况下的运动图形。本发明所涉及的装置包括一个非圆运动发生器、一种由非圆刀柄和可转位刀片或其它类型刀片组成的非圆刀具以及利用该刀具加工半封闭曲面的数控加工程序的编制方法，其具体结构如下：

一种适于加工闭式复杂曲面的非圆刀具铣削加工装置，其特征在于：包括一个非圆运动发生器和非圆刀具，其中非圆刀具安装于非圆运动发生器上，非圆运动发生器驱动非圆刀具切削部分上的点做椭圆运动。非圆运动发生器包括一个具有两个偏心轮的十字滑块机构，该十字滑块机构包括振动电机、十字滑台机构的滑台底座、中间滑台、顶层滑台、位于滑台底座和中间滑台之间的线性滚动导轨，位于中间滑台和顶层滑台之间的线性滚动导轨，安装于中间滑台中部矩形孔中的滑块一，安装于顶层滑台中部矩形孔中的滑块二，以及分别安装在滑块一和滑块二中部的滚动轴承一和滚动轴承二，振动电机的输出轴穿过滑台底座中部的圆孔进入到滚动轴承一和滚动轴承二中，在振动电机输出轴对应于滚动轴承一和滚动轴承二的位置分别安装偏心距为E1的偏心轮一和偏心距为E2的偏心轮二，两偏心轮的外圆分别与滚动轴承一和滚动轴承二内孔配合，两偏心轮的内孔通过螺纹或键固定连接在振动电机的输出轴上，所述的非圆刀具由一个刀柄部分和一个刀片部分组成，刀柄安装于顶层滑台的上表面上，刀片安装于刀柄的安装座上。

优选地，偏心轮一和偏心轮二的偏心距可通过更换偏心轮来实现改变。

优选地，偏心轮一和偏心轮二的圆心的方向角可通过重新安装其中的一个偏心轮进行调整和改变。

优选地，其中的非圆刀具的刀杆的对称中心线为一段圆弧，刀具在切入、切出时顺着圆弧或在圆弧附近运动不容易与工件发生碰撞。

优选地，其中的非圆刀具的刀体的上下表面，即与叶片叶盆和叶背相对的面，是通过对叶片叶盆和叶背的多条截型线拟合和做等距线的方式获得的，这样可以保证刀具在运动过程与工件具有一定的安全距离。

优选地，其中的非圆刀具的刀片可以安装在刀柄端部的不同位置，以便实现对不同表面进行加工。

非圆运动发生器：图1为非圆运动发生器及其应用系统，其中1为非圆运动发生器；2为非圆刀具，由刀片部分201和刀柄部分202组成；3为闭式叶盘的两个相邻的叶片，其两端的圆环连接结构暂略。图2为非圆运动发生器结构的爆炸图，图中振动电机101、十字滑台机构的滑台底座102、中间滑台103、顶层滑台104、线性滚动导轨105，线性滚动导轨106，滑块107，滑块108，滚动轴承一109和滚动轴承二110。偏心轮一111、偏心轮二112。所述的非圆刀具2由一个刀柄部分202和一个刀片部分201组成，刀柄202通过螺纹压紧等多种方式安装于顶层滑台104的上表面上，所述的刀片201安装于刀柄202的安装座上，通过螺钉或多种方式压紧。

利用一个常规十字滑台(包括滑台底座102、中间滑台103、顶层滑台104)，在上述十字滑台的滑台底座102上安装一个轴线垂直于滑台顶面的振动电机101，在中间滑台103的中部开设一个宽和长分别为A与A+2E1+D的矩形孔(E1为该滑台的振幅，D为最小间隙)，在孔中设置一个外形边长为A的正方形滑块107，其中开有可容纳一个滚动轴承一109的孔，并在其中安装一个滚动轴承一109，滚动轴承一109的内部安装一个偏心轮一111(偏心量为E1)，其内孔与振动电机101的输出轴连接在一起并随振动电机101的轴旋转，使中间滑台103沿着其与滑台底座102之间的线性导轨105做振幅为E1的简谐振动，该振动方向设为U向。同样地，在顶层滑台104的中部开设一个宽和长分别为A与A+2E2+D的矩形孔(E2为该滑台的振幅，D为最小间隙)，在孔中设置一个外形边长为A的正方形滑块108，其中开有可容纳一个滚动轴承二110的孔，并在其中安装一个滚动轴承二110，滚动轴承二110的内部安装一个偏心轮112(偏心量为E2)，其内孔与振动电机101的输出轴连接在一起并随振动电机101的轴旋转，使顶层滑台104沿着其与中间底座103之间的线性导轨106做振幅为E2的简谐振动，该振动方向设为V向。利用这种方式可以迫使顶层滑台104分别沿着U、V方向做振幅为E1、E2的简谐振动，其合成运动即为椭圆运动。调整两个偏心轮的偏心距可以得到不同的椭圆图形，调整两个偏心轮的相位差(角度)则可以得到更加复杂的复合振动图形。从李萨如图形合成原理上看，也可以分别给中间滑台103和顶层滑台104单独用一个伺服电机驱动以便实现复合振动图形的多样化，这种复合的振动图形对于抛光过程更为有利。工程应用时，铣削加工的振幅大小可以从数微米到数十毫米之间变化，振动频率通常在100-200Hz(相当于6000rpm-12000rpm)以下选择。

图3为闭式叶轮及其半封闭曲面的加工原理图。图中，3为闭式叶轮，301为闭式叶轮的叶片，302为闭式叶轮的外轮毂，303为闭式叶轮的内轮毂。Q为刀具2的刀尖点，S为刀尖点Q的运动轨迹，P1、P2、Pi、Pn和B1、B2、Bi、Bn分别为与刀具2相邻的两叶片的叶片截型线。图4为李萨如图形，表示不同相位差和频率比的两个振动可以合成复杂多变的平面图形，这些图形可以作为新刀具的工作面图形。

图5为具有圆形切削刃轨迹的刀具加工叶片301的原理图，图中C为切削刃上一点的圆形运动轨迹，Tc为圆形轨迹刀具刀体；图6为具有椭圆形切削刃轨迹的假想刀具加工叶片301的原理图，图中E为切削刃上一点的椭圆或非圆形运动轨迹，Te为具有非圆形轨迹的刀具的假想刀体(不旋转)；图7为圆形切削轨迹刀具和非圆切削轨迹刀具切削刃上一点在机床各轴进给速度为零时的运动轨迹。普通刀具的切削刃上的点的运动轨迹为圆形曲线，非圆刀具上的非圆切削轨迹E为椭圆或其它非圆曲线，该非圆曲线轨迹实际是由两个振动运动合成的形如李萨如图形的运动。

非圆刀具设计制造：非圆铣削刀具2的刀柄202和安装刀片201的安装座应该根据被加工叶片301的叶盆和叶背曲面的结构设计。考虑到刀具整体做与刀尖相同的平动运动，并兼顾刀具加工曲面的给定区域的可达性要求，刀柄的设计具有很多的选择，尽量选择大的截面尺寸是获得良好的刚性的合理途径。本发明提出一种闭式叶轮加工的圆形轴线刀柄设计方法，设刀具2所处的槽道由两个与刀具相邻的叶片所围成，其中一个叶片的叶盆正对着刀具的凸起部分，可称之为“刀上叶片”，另一个叶片以叶背正对着刀具2的凹下部分，可称为“刀下叶片”。具体做法是在“刀上叶片”和“刀下叶片”上选取若干截面1、2、…i…、n，针对一个槽道获得n组刀上叶片截型线P1、P2、Pi、Pn和刀下叶片截型线的B1、B2、Bi、Bn。图10为非圆刀具加工曲面不同部位的工作姿态示意图。图中10(a)、10(b)、10(c)分别是刀具2加工刀上叶片叶盆上右、中、左不同部位的姿态；图中10(d)、10(e)、10(f)分别是刀具2加工刀下叶片叶背上右、中、左不同部位的姿态。图11非圆刀具轴线及其上下边界线的求解原理示意图。图中，为了设计加工叶盆的刀具，对于任意刀上叶片的截型线Pi，可以拟合出其对应的圆曲线Pi1，为了避免干涉，可以设定其刀上曲线Pi2为Pi1的等距线、刀具中心线Pi3和刀下曲线Pi4也为Pi1的等距线，当刀具做围绕圆Pi1圆心的圆周运动或与该轨迹偏移不大的运动时都可以保证刀具不与槽道两边的叶片碰撞。将加工多个截面的刀具设计曲线重叠起来获得多个截面的刀上曲线和刀下曲线之间区域的交集就可以设计出一把能够加工叶盆曲面的刀体；同样地，为了设计加工叶背的刀具，对于任意刀下叶片的截型线Bi，可以拟合出其对应的圆曲线Bi1，为了避免干涉，可以设定其刀下曲线Bi2为Bi1的等距线、刀具中心线Bi3和刀下曲线Bi4也为Bi1的等距线，当刀具做围绕圆Bi1圆心的圆周运动或与该轨迹偏移不大的运动时都可以保证刀具不与槽道两边的叶片碰撞。

将加工叶盆刀柄和加工叶背刀柄叠合在一起获得其交集即可作为可以同时可加工叶盆和叶背的刀柄结构，如果交集不存在或者不合理，则可以考虑分别采用两把刀具分别加工叶盆和叶背。对于叶盆或叶背，考虑到其两端都会有橼板限制，因此刀片的安装方式有两种，即分别安装在刀柄的两个侧面，但一般不能同时安装两个刀片，必要时可在加工不同区域时更换不同的刀具。图8为非圆轨迹刀具加工复杂曲面凸起和凹下部位的接触关系示意图。图中，W为复杂曲面，实际刀具的刀尖部位为一段曲线，如圆弧曲线。一个完整的圆曲线在做平动时会张成一个类似椭圆环面的曲面，我们在计算时将其作为刀具工作面T，T＇和T＂分别是T处于曲面W凸起部位和凹下部位的两种姿态，其中T＇为非圆轨迹刀具的切削刃部位与曲面W凸起表面的接触情况，T＂为非圆轨迹刀具的切削刃部位与曲面凹下部位的接触情况。图9非圆刀具宽行加工编程的刀位计算原理。图中，T为非圆轨迹刀具工作面，C0、C1、C2、C3、C4、Ci分别为刀具工作面上的不同位置0、1、2、3、4、i的截型线或刀刃曲线。

G1、G2、Gj、Gm分别为曲面W上的第1、2、j、m条导轨驱动线。为保证刀片在回程时不参与切削运动，刀具的姿态需要进行妥善控制。刀尖一般具有一定的圆角部分，在做平动运动时，其包络面为近似的椭圆环面。本发明按照经线分划法确定刀位误差分布和优化其姿态，具体做法是将刀片切削刃的运动轨迹离散成若干经线或刀刃截形线(刀具的工作面的分划线)，以其中一根刀刃截型线上的一个点作为驱动点并使之保持与曲面上一条驱动线上的一点相切，调整刀刃截型线上的驱动点及刀具工作面相对曲面上驱动点的法线的旋转角度获得不干涉和满足特定要求的刀位。逐个计算每行的各个刀位获得可行或优化刀位，并将它们连接成若干行刀轨即可进行加工。此类加工通常需要采用六轴联动机床，在条件许可时也可采用轴数较少的机床。

本发明的优势和创新点：本发明所提出的非圆刀具铣削方法和装置可以采用弯曲的刀柄进行加工，可充分利用封闭空间的几何尺寸显著提高刀柄的刚度；刀片做椭圆运动可以获得更大的加工行宽，弥补刀齿数只有一个所带来的效率下降问题，同时结合工艺系统刚性的提高，本发明可以获得较高的加工内曲面的效率；在一个电机轴上安装两个偏心轮同时驱动十字滑台的两个构件恰好实现了椭圆振动，这种方法大大简化了椭圆的生成过程和系统。椭圆或非圆工具和振动系统的出现可以构成回转工具加工的有益补充并实现复杂工具加工复杂曲面的高度统一和结构完整。

附图说明

以说明性的且非限定性的示例并参照所附示意图给出的本发明实施例的如下详细解释性描述，将更好地理解本发明，并更好地说明了本发明的细节、特性和优点。

图1是非圆运动发生器及其应用系统，其中1为非圆运动发生器；2为非圆刀具，它由刀片部分201、刀柄部分202组成；3为闭式叶盘的两个相邻的叶片，其两端的圆环连接结构暂略；

图2是非圆运动发生器结构的爆炸图，图中，振动电机101、十字滑台机构的滑台底座102、中间滑台103、顶层滑台104、线性滚动导轨105，线性滚动导轨106，滑块107，滑块108，滚动轴承109和滚动轴承110、偏心轮111、偏心轮112；

图3是闭式叶轮及其半封闭曲面的加工原理图。图中3为闭式叶轮，301为闭式叶轮的叶片，302为闭式叶轮的外轮毂，303为闭式叶轮的内轮毂。Q为刀具2的刀尖点，S为刀尖点Q的运动轨迹，P1、P2、Pi、Pn分别为与刀具2相邻的刀上叶片的第1、2、i、n条刀上叶片截型线，B1、B2、Bi、Bn分别为与刀具2相邻的刀下叶片的第1、2、i、n条刀下叶片截型线；

图4是李萨如图形，表示不同相位差和频率比的两个振动可以合成复杂多变的平面图形，这些图形可以作为新刀具的工作面图形；

图5是圆形切削刃轨迹刀具加工叶片的原理图，图中C为切削刃上一点的圆形运动轨迹，Tc为圆形轨迹刀具刀体；

图6是非圆切削刃轨迹“刀具”加工叶片的原理图，图中E为切削刃上一点的椭圆或非圆形运动轨迹，Te为具有非圆形轨迹的刀具的假想刀体(不旋转)；

图7是圆形切削刃轨迹刀具和非圆切削刃轨迹“刀具”刀尖运动曲线与叶片的关系图；

图8是非圆轨迹刀具加工复杂曲面凸起和凹下部位的接触关系示意图。图中，W为复杂曲面，T为刀具工作面，T＇和T＂分别是T处于曲面W凸起部位和凹下部位的两种姿态，其中T＇为非圆轨迹刀具的切削刃部位与曲面W凸起表面的接触情况，T＂为非圆轨迹刀具的切削刃部位与曲面凹下部位的接触情况；

图9是非圆刀具宽行加工编程的刀位计算原理。图中，T为非圆轨迹刀具工作面，C0、C1、C2、C3、C4、Ci分别为刀具工作面上的不同位置0、1、2、3、4、i的截型线或刀刃曲线，G1、G2、Gj、Gm分别为曲面W上的第1、2、j、m条导轨驱动线；

图10是非圆刀具加工曲面不同部位的工作姿态示意图。图中10(a)、10(b)、10(c)分别是刀具2加工刀上叶片叶盆上右、中、左不同部位的姿态；图中10(d)、10(e)、10(f)分别是刀具2加工刀下叶片叶背上右、中、左不同部位的姿态；

图11是非圆刀具轴线及其上下边界线的求解原理示意图。图中，Pi为任意刀上叶片的截型线，Pi1为Pi拟合的圆曲线；Pi2为刀上曲线，它是Pi1的等距线；Pi3为刀具中心线、Pi4为刀下曲线，它们也为Pi1的等距线；Bi为任意刀下叶片的截型线，Bi1为Bi拟合出的圆曲线；Bi2为刀下曲线，它为Bi1的等距线；Bi3为刀具中心线、Bi4为刀下曲线，它们也为Bi1的等距线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、算法及工作过程进一步说明。

本发明提出一种利用李萨如图形形成原理获得椭圆等非圆形刀尖点运动轨迹的加工装置和加工方法，主要用于对半封闭空间的自由曲面结构进行加工，包括但不限于铣削加工。一般刀具切削刃上的点都做直线运动或圆周运动，因此刀具切削刃旋转后形成的表面和刀柄部分旋转形成的表面为轴对称旋转体结构，如果要获得刀具的其它类型的工作面结构一般需要借助多轴联动伺服机构、凸轮机构或连杆机构等。本发明主要采用连杆机构中的曲柄滑块机构来实现椭圆运动。

本发明所涉及的装置包括一种偏心滑块式非圆运动发生器1和一种非圆刀具2，其中非圆刀具安装于非圆运动发生器上，它们具有类似机床主轴的功能，驱动刀具切削部分上的点做椭圆运动。其中的非圆运动发生器主要由一个具有两个偏心轮的十字滑块机构组成，其中包括振动电机101、十字滑台机构的滑台底座102、中间滑台103、顶层滑台104、位于滑台底座102和中间滑台103之间的线性滚动导轨105，位于中间滑台103和顶层滑台104之间的线性滚动导轨106，安装于中间滑台103中部矩形孔中的滑块107，安装于顶层滑台104中部矩形孔中的滑块108，以及分别安装在滑块107和滑块108中部的滚动轴承一109和滚动轴承二110。振动电机101的输出轴穿过滑台底座中部的圆孔进入到滚动轴承一109和滚动轴承二110中。在振动电机轴的位于两个滚动轴承的位置分别安装一个偏心距为E1和E2的偏心轮一111和偏心轮二112，它们的外圆与上述滚动轴承一109和滚动轴承二110内孔配合，它们的内孔通过螺纹或键或其它方式固定地连接在振动电机101的输出轴上。所述的非圆刀具2由一个刀片部分201和一个刀柄部分202组成，刀柄202通过螺纹压紧等多种方式安装于顶层滑台104的上表面上，所述的刀片201安装于刀柄202的安装座上，通过螺钉或多种方式压紧。

其中，刀柄的设计需要充分考虑半封闭空间的结构特点和刀具的安装位置以及加工的过程和程序。基本原理是，刀柄的尺寸最好能够满足整个曲面的加工要求或曲面的足够大区域的加工要求。

应用时，将非圆刀具2安装在非圆运动发生器1的顶层滑台104上，将非圆运动发生器1的滑台底座102安装在5、6轴机床安装主轴的位置，将叶片或叶轮等被加工工件安装在机床工作台上的回转轴上(如机床的A轴或C轴)，编制合适的加工程序即可实现对闭式叶轮等的半封闭内曲面进行精确数控非圆铣削加工。