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(dòng)機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000；2.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；3.蘇州千機(jī)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(qiáng)和加工質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(huì)影響整個(gè)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(duì)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(gè)難點(diǎn)。本文針對(duì)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(gè)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(jìn)刀方式

根據(jù)流道型腔區(qū)域半封閉的特點(diǎn)，從刀具的可達(dá)性分析可知，從一側(cè)進(jìn)刀無法完成對(duì)整個(gè)流道型腔區(qū)域的加工，需要從前、后緣兩側(cè)向中間對(duì)接進(jìn)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(jìn)刀加工。從兩側(cè)對(duì)接加工將涉及一個(gè)流道型腔區(qū)域分塊的問題，不能簡(jiǎn)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(zhǎng)度等因素，合理劃分流道型腔區(qū)域。

1.2 走刀方式

對(duì)整個(gè)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(gè)待加工區(qū)域沿切深方向分為若干層并逐層銑削，在每個(gè)切削層內(nèi)連續(xù)切削。

分層銑削每層加工區(qū)域是一個(gè)由4個(gè)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(jìn)刀次數(shù)，以提高切削效率。根據(jù)待加工區(qū)域的特點(diǎn)，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(jìn)行，不利于刀具壽命；2)單向銑削刀路，加工時(shí)在2條相鄰刀路之間需要有一個(gè)抬刀、進(jìn)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(shí)，除了插銑刀切削時(shí)沿軸向進(jìn)給，其他類型的銑刀一般沿側(cè)向進(jìn)給。在開式整體葉盤粗加工時(shí)，側(cè)刃參與切削，切入平穩(wěn)；而對(duì)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(jìn)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(huì)影響刀具的懸伸長(zhǎng)度，合理的刀軸姿態(tài)可以降低刀具的懸伸長(zhǎng)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(dá)到的目標(biāo)。閉式流道型腔區(qū)域半封閉，位于流道型腔內(nèi)的某個(gè)切削點(diǎn)四周均存在潛在的干涉對(duì)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(gè)角點(diǎn)的位置，空間更加狹小，因此需要通過一個(gè)高效準(zhǔn)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(gè)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(diǎn)，并求得交點(diǎn)在分層面上的曲面上的k個(gè)UV參數(shù)點(diǎn)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(shí)，除了等參數(shù)的偏置線自身會(huì)打折之外，臨近的偏置線也會(huì)出現(xiàn)交叉的情況，導(dǎo)致在分層面上的交點(diǎn)順序有異常之處(見圖3)。

圖3 對(duì)邊界刀路交點(diǎn)排序

分層面上的交點(diǎn)的向參數(shù)應(yīng)符合單調(diào)遞增的規(guī)律，故可據(jù)此對(duì)順序錯(cuò)亂的交點(diǎn)集進(jìn)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(shí)針構(gòu)造中間刀路，切削的起始點(diǎn)位于每個(gè)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(jìn)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(jì)算最為簡(jiǎn)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(shí)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(shí)對(duì)模型的依賴性較強(qiáng)，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(diǎn)，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(jì)算效率較低。本文針對(duì)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(jìn)而確定橫向、縱向2個(gè)方向上的刀路數(shù)。

本文按照傳統(tǒng)的殘留高度計(jì)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(gè)相鄰切削行之間殘留的材料的最大高度。當(dāng)切削平面時(shí)，殘留高度如圖4a所示；當(dāng)切削非平面時(shí)，在球頭第1個(gè)切觸點(diǎn)處以圓弧代替自由曲線(見圖4b)。設(shè)刀具半徑為R，第1個(gè)切觸點(diǎn)處的曲率半徑為Rp，L為切削行距。

圖4 計(jì)算切削行間殘高示意圖

由圖4可得對(duì)應(yīng)的殘留高度分別是：

當(dāng)曲率半徑趨于無窮大時(shí)，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(gè)切削層區(qū)域都近似一個(gè)扇形區(qū)域，根據(jù)近似扇形的最大弧長(zhǎng)和側(cè)邊長(zhǎng)度的大小，取值較大的一個(gè)方向?yàn)榍邢髦鞣较?，另一個(gè)較小的方向定義為切削副方向。定義切削主、副方向的實(shí)際意義在于，切削時(shí)主方向?yàn)橹饕コ牧戏较?，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(duì)應(yīng)深度方向?yàn)橹鞣较蚝蛯挾确较驗(yàn)橹鞣较?見圖5)。

圖5 每層刀路的2種走刀方式

根據(jù)2個(gè)方向上總的最大切寬以及最大殘留高度δ，可以得到2個(gè)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(shí)際切削的刀路數(shù)，最終從所有刀路曲線中選取實(shí)際切削的刀路。

根據(jù)2個(gè)方向上切削刀路的相對(duì)長(zhǎng)度，取刀路曲線較長(zhǎng)的一個(gè)方向?yàn)榍邢髦鞣较颍郧邢髦鞣较蛏系目偳邢鲗挾认鄬?duì)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(duì)應(yīng)的切削方向?yàn)橹髑邢鞣较颍鼻邢鲗挾菵s=max(Dw，Dd)，對(duì)應(yīng)的切削方向?yàn)楦鼻邢鞣较?。根?jù)總切削寬度即上步中求的行距，可以計(jì)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(shí)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(shí)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(gè)方向上的實(shí)際切削刀路數(shù)。當(dāng)寬度方向?yàn)橹髑邢鞣较驎r(shí)，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?yàn)榍邢髦鞣较驎r(shí)，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(gè)方向上的總可規(guī)劃刀路數(shù)Nw、Nd計(jì)算中間刀路曲線，從中選擇實(shí)際切削刀路曲線，并確定每條切削刀路曲線的首尾點(diǎn)。

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(gè)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(zhǎng)離散的得到一系列離散點(diǎn)gi(i=0,1,…,n-1)，各個(gè)離散點(diǎn)分別是中間刀路圓弧上的點(diǎn)。因此由分層面回轉(zhuǎn)軸以及離散點(diǎn)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(diǎn)pi l(i=0,1,…,m-1)以及其對(duì)應(yīng)的葉片右側(cè)離散點(diǎn)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(diǎn)視為i行j列的二維點(diǎn)集，每一列都是沿深度方向上刀路的型值點(diǎn)，插值每列型值點(diǎn)，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(gè)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(biāo)號(hào)1為切削起始位置，按照序號(hào)沿曲線走刀，以主、副切削刀路交替進(jìn)行的方式逆時(shí)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(diǎn)得到切削刀路的首尾點(diǎn)。其中，6、11為同一個(gè)點(diǎn)，10、11段切削刀路為封口刀路。

圖7 2個(gè)方向上的刀路曲線

3 方法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 方法實(shí)現(xiàn)

本文的刀路規(guī)劃算法是基于刀心點(diǎn)，采用C++語言，在整體葉盤自動(dòng)化數(shù)控編程軟件UltraCAM上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)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(yàn)?zāi)Ｐ?。該葉盤的主要特征參數(shù)如下：葉片數(shù)目55個(gè)，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(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到UltraCAM軟件中，利用CAD模塊進(jìn)行必要的處理，使之滿足策略算法的計(jì)算要求；然后，創(chuàng)建一個(gè)流道型腔粗加工策略，設(shè)置從前緣進(jìn)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(jì)算并獲得刀軌規(guī)劃結(jié)果。

應(yīng)用UltraCAM軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(diǎn)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(dòng)的情況，仿真過程刀具運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，符合要求。

圖9 對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真及刀路局部視圖

3.2 仿真分析

應(yīng)用VERICUT軟件驗(yàn)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(duì)DMG-DMU65 monoBlock型號(hào)機(jī)床進(jìn)行配置，以上述計(jì)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(jī)床、建立刀具庫、添加設(shè)計(jì)模型和添加數(shù)控程序等必要步驟，將機(jī)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(jì)模型為用已規(guī)劃刀路的模型；最后，完成配置后，開始計(jì)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(jī)床A軸、C軸整體運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jìn)行試切驗(yàn)證。

圖10 仿真截圖

3.3 試切驗(yàn)證

在VERICUT軟件驗(yàn)證了算法計(jì)算結(jié)果的正確性之后，開始進(jìn)行實(shí)際的切削試驗(yàn)。試切試驗(yàn)加工機(jī)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(duì)試切后的零件型腔進(jìn)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(jìn)刀的進(jìn)刀方式，機(jī)床切入平穩(wěn)；切削靠近中間部分刀路時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)保持不動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)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(diǎn)，采用對(duì)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(diǎn)，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(yàn)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。