高溫高強材料整體葉輪高效加工刀具路徑優(yōu)化.pdf

1、航空發(fā)動機整體葉輪通常采用高溫高強材料、扭曲長葉展葉片和狹窄流道結構，給整體葉輪的高效加工帶來了很大挑戰(zhàn)。首先，高溫高強材料在高溫下仍具有很高的屈服強度，屬于典型的難加工材料；第二，葉輪流道狹窄、葉展較長、型面復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。在現有加工工藝中，上述兩個特點極易導致加工中刀具的顫振，為保護刀具、保證加工質量，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。
　　現有方法主要通過調

2、整轉速解決加工過程中刀具弱剛性帶來的顫振問題，然而該方法對于高溫高強材料加工刀路優(yōu)化效果有限。首先，高溫高強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速范圍內，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，因此僅僅通過調整轉速很難滿足穩(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，也給該方法的應用帶來一定的困難。
　　本文嘗試通過優(yōu)化刀具路徑改善高溫高強材料

3、葉輪的加工效率。對于葉輪葉緣加工，本文通過改變球頭刀刀軸方向來改善加工過程的穩(wěn)定性。文獻表明，刀軸方向的改變可以提高絕對穩(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的頻率響應函數坐標系與刀具-工件相交區(qū)域坐標系的不一致、相交區(qū)域沿刀具路徑變化的問題，并通過刀軸方向的優(yōu)化，改善了球頭刀加工的穩(wěn)定性。對于葉輪流道粗加工，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，解決了現有插銑刀路生成方法在應用于高溫高強材料加工時的兩個問題：第一，現有插銑刀路生成方法中沒有考慮切寬控制。文獻及實驗表明，在插銑加工中，切寬對于切削力的增加和插銑過程的穩(wěn)定性有很大影響。在高溫高強材料加工中，過大的切寬往往導致刀具的快速崩刃，甚至刀桿的斷裂，為保護刀具只能選擇十分保守的進給速度；第二，缺乏對插銑退刀過程的優(yōu)化。在每個

5、插銑循環(huán)中，由于插銑進刀過程中徑向力的存在，導致退刀過程中側刃與側壁發(fā)生摩擦。盡管退刀過程不屬于材料去除過程，卻仍然需要采用較低的進給速度來避免刀具的快速磨損。
　　基于上述分析，本文以高溫高強材料整體葉輪高效加工為目標，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。利用機床運動學模型及刀具路徑建立了頻率響應函數坐標系與刀具

6、-工件相交區(qū)域坐標系之間的關系，并以此為基礎建立了五軸球頭刀加工中的頻域穩(wěn)定性判別方程，實現了各個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，加入無干涉等約束生成可行解空間，實現了刀軸方向的光順。實驗表明，該方法能夠有效改善五軸球頭刀加工的穩(wěn)定性。
　　（2）提出控制切寬及減少插銑循環(huán)數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，同時插銑加工時間主要受插銑循環(huán)數量影響。在現有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向步距值以控制切寬，往往帶來插銑循環(huán)數量的增加。本文基于中軸變換方法提出了一種同時控制插銑刀路及循環(huán)數量的方法。實驗表明，相比現有商業(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，降低插銑循環(huán)數量，改善加工效率及刀具壽命。
　　（3）提出面向五軸插銑底部切寬控制和無干涉退刀的優(yōu)化方法。在各插銑刀路循環(huán)中，底部切寬驟增與退刀過程中側刃的摩擦往往導致刀具的快速磨損，

8、需要控制各循環(huán)中插銑深度并增加移刀過程。在五軸插銑加工中，刀軸方向的變化通常導致刀具-工件相交體的復雜性，增加了優(yōu)化的難度。本文通過幾何仿真提取刀具-工件相交體的關鍵幾何信息，計算各插銑循環(huán)的實際切寬與可行移刀方向，實現了多軸插銑加工的底部切寬控制及快速退刀。實驗表明，該方法相對商業(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)化退刀過程，大幅提高了插銑加工的效率與刀具壽命。
　?。?）方法應用于航空發(fā)動

9、機高溫合金葉輪高效加工。在現有加工工藝中，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，本文通過刀路優(yōu)化的方法改進了現有加工工藝。在流道開粗工藝中，生成了控制切寬的插銑刀路并進行了快速退刀優(yōu)化。在五軸插銑工藝中，對商用葉輪加工軟件MAX生成的五軸插銑刀路進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合格。實驗表明，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