高溫高強(qiáng)材料整體葉輪高效加工刀具路徑優(yōu)化.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪通常采用高溫高強(qiáng)材料、扭曲長(zhǎng)葉展葉片和狹窄流道結(jié)構(gòu)，給整體葉輪的高效加工帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。首先，高溫高強(qiáng)材料在高溫下仍具有很高的屈服強(qiáng)度，屬于典型的難加工材料；第二，葉輪流道狹窄、葉展較長(zhǎng)、型面復(fù)雜等因素使得加工刀具懸伸量與直徑的比率較大，剛性較弱。在現(xiàn)有加工工藝中，上述兩個(gè)特點(diǎn)極易導(dǎo)致加工中刀具的顫振，為保護(hù)刀具、保證加工質(zhì)量，加工中往往只能選用十分保守的切寬及切深，限制了加工效率的提高。
　　現(xiàn)有方法主要通過(guò)調(diào)

2、整轉(zhuǎn)速解決加工過(guò)程中刀具弱剛性帶來(lái)的顫振問(wèn)題，然而該方法對(duì)于高溫高強(qiáng)材料加工刀路優(yōu)化效果有限。首先，高溫高強(qiáng)材料的可用切削線速度較低，而在穩(wěn)定性葉瓣圖中的低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可行切深與臨界切深差別不大，并且可行切深范圍通常狹窄，因此僅僅通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速很難滿足穩(wěn)定性的要求。其次，在五軸加工中，各刀位上刀具-工件相交區(qū)域發(fā)生變化，因此穩(wěn)定性葉瓣圖在各刀位上并不相同，也給該方法的應(yīng)用帶來(lái)一定的困難。
　　本文嘗試通過(guò)優(yōu)化刀具路徑改善高溫高強(qiáng)材料

3、葉輪的加工效率。對(duì)于葉輪葉緣加工，本文通過(guò)改變球頭刀刀軸方向來(lái)改善加工過(guò)程的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)表明，刀軸方向的改變可以提高絕對(duì)穩(wěn)定切深2~3倍，因此刀軸方向的改變可以在不增加刀路數(shù)量的情況下改善加工的穩(wěn)定性。本文給出的五軸球頭刀穩(wěn)定性判別方法考慮了五軸加工中由于刀軸方向變化帶來(lái)的頻率響應(yīng)函數(shù)坐標(biāo)系與刀具-工件相交區(qū)域坐標(biāo)系的不一致、相交區(qū)域沿刀具路徑變化的問(wèn)題，并通過(guò)刀軸方向的優(yōu)化，改善了球頭刀加工的穩(wěn)定性。對(duì)于葉輪流道粗加工，本文將層銑加工

4、工藝改為插銑工藝，讓刀具剛性最好的軸向承受主要切削力，以提高加工效率，提出了插銑刀路的生成及優(yōu)化方法，解決了現(xiàn)有插銑刀路生成方法在應(yīng)用于高溫高強(qiáng)材料加工時(shí)的兩個(gè)問(wèn)題：第一，現(xiàn)有插銑刀路生成方法中沒(méi)有考慮切寬控制。文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)表明，在插銑加工中，切寬對(duì)于切削力的增加和插銑過(guò)程的穩(wěn)定性有很大影響。在高溫高強(qiáng)材料加工中，過(guò)大的切寬往往導(dǎo)致刀具的快速崩刃，甚至刀桿的斷裂，為保護(hù)刀具只能選擇十分保守的進(jìn)給速度；第二，缺乏對(duì)插銑退刀過(guò)程的優(yōu)化。在每個(gè)

5、插銑循環(huán)中，由于插銑進(jìn)刀過(guò)程中徑向力的存在，導(dǎo)致退刀過(guò)程中側(cè)刃與側(cè)壁發(fā)生摩擦。盡管退刀過(guò)程不屬于材料去除過(guò)程，卻仍然需要采用較低的進(jìn)給速度來(lái)避免刀具的快速磨損。
　　基于上述分析，本文以高溫高強(qiáng)材料整體葉輪高效加工為目標(biāo)，研究了穩(wěn)定性約束下的球頭刀刀軸方向優(yōu)化方法及切削力約束下的插銑刀路優(yōu)化方法。本文主要工作如下：
　?。?）提出穩(wěn)定性約束下的球頭刀刀軸方向優(yōu)化方法。利用機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及刀具路徑建立了頻率響應(yīng)函數(shù)坐標(biāo)系與刀具

6、-工件相交區(qū)域坐標(biāo)系之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)建立了五軸球頭刀加工中的頻域穩(wěn)定性判別方程，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)刀位上不同刀軸方向下穩(wěn)定性的判別。在考慮穩(wěn)定性約束的同時(shí)，加入無(wú)干涉等約束生成可行解空間，實(shí)現(xiàn)了刀軸方向的光順。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效改善五軸球頭刀加工的穩(wěn)定性。
　?。?）提出控制切寬及減少插銑循環(huán)數(shù)量的插銑刀具路徑生成方法。切寬是影響插銑切削力與穩(wěn)定性的重要因素，同時(shí)插銑加工時(shí)間主要受插銑循環(huán)數(shù)量影響。在現(xiàn)有CAM軟件的插銑刀路

7、生成算法中，通常采用改變名義切寬與側(cè)向步距值以控制切寬，往往帶來(lái)插銑循環(huán)數(shù)量的增加。本文基于中軸變換方法提出了一種同時(shí)控制插銑刀路及循環(huán)數(shù)量的方法。實(shí)驗(yàn)表明，相比現(xiàn)有商業(yè)CAM軟件Cimatron中的插銑刀路生成方法，該方法可以在有效控制切寬的同時(shí)，降低插銑循環(huán)數(shù)量，改善加工效率及刀具壽命。
　?。?）提出面向五軸插銑底部切寬控制和無(wú)干涉退刀的優(yōu)化方法。在各插銑刀路循環(huán)中，底部切寬驟增與退刀過(guò)程中側(cè)刃的摩擦往往導(dǎo)致刀具的快速磨損，

8、需要控制各循環(huán)中插銑深度并增加移刀過(guò)程。在五軸插銑加工中，刀軸方向的變化通常導(dǎo)致刀具-工件相交體的復(fù)雜性，增加了優(yōu)化的難度。本文通過(guò)幾何仿真提取刀具-工件相交體的關(guān)鍵幾何信息，計(jì)算各插銑循環(huán)的實(shí)際切寬與可行移刀方向，實(shí)現(xiàn)了多軸插銑加工的底部切寬控制及快速退刀。實(shí)驗(yàn)表明，該方法相對(duì)商業(yè)CAM軟件Cimatron中的插銑刀路生成方法，可以有效控制底部切寬并優(yōu)化退刀過(guò)程，大幅提高了插銑加工的效率與刀具壽命。
　?。?）方法應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)

9、機(jī)高溫合金葉輪高效加工。在現(xiàn)有加工工藝中，材料的難加工性和刀具的弱剛性極大的限制了加工效率的提高，本文通過(guò)刀路優(yōu)化的方法改進(jìn)了現(xiàn)有加工工藝。在流道開(kāi)粗工藝中，生成了控制切寬的插銑刀路并進(jìn)行了快速退刀優(yōu)化。在五軸插銑工藝中，對(duì)商用葉輪加工軟件MAX生成的五軸插銑刀路進(jìn)行了底部切寬控制及快速退刀優(yōu)化。在葉緣加工工藝中，利用本文方法獲得了滿足穩(wěn)定性的刀軸方向。葉輪加工完成后檢驗(yàn)合格。實(shí)驗(yàn)表明，方法有效提高了高溫合金葉輪的加工效率與刀具的使用壽