开式整体叶盘通道侧铣粗加工技术的研究

整体叶盘从锻造毛坯到最终零件加工成型,需要切除大量的多余材料。本文提出了一种开式整体叶盘通道区域五坐标粗加工刀具轨迹规划方法。该方法通过生成整体叶盘薄壁叶片的直纹包络面,以确定叶盘通道粗加工区域的边界轮廓;基于直纹面五轴侧铣加工刀具轨迹双点偏置生成方式,利用投影法规划开式整体叶盘通道区域粗铣加工的刀心点轨迹与刀轴矢量方向。加工实践表明,开式整体叶盘的粗加工效率提高30%以上,同时,显著优化了后续半精加工和精加工工序的环境。     

开式整体叶盘通道插铣粗加工技术的研究

针对整体叶盘等复杂结构件，从锻造毛坯到最终零件加工成形，需要切除大量的多余材料的问题，提出了一种开式整体叶盘通道的五坐标插铣粗加工方法。利用直纹面逼近叶型曲面，进而确定通道粗加工区域的边界轮廓；通过连接刀心轨迹线和刀轴驱动线上的对应点，规划插铣粗加工叶盘通道时的刀具轨迹。加工实践表明，利用插铣方式，可以有效避免粗加工过程中的振动现象，开式整体叶盘的粗加工效率提高50%以上。     

整体叶盘通道去余量线切割加工技术研究

整体叶盘的加工余量主要是在其通道开槽粗加工阶段去除的,合理选取整体叶盘粗加工通道余量去除方法是降低通道加工费用、实现整体叶盘加工经济性的关键。由于线切割机床加工单位成本低的原因,采用线切割加工方法对整体叶盘通道进行去余量加工。提出利用叶型与轮毂偏置面确定通道加工边界;通过比较通道边界投影后的投影面积大小确定最优矢量;然后根据最优矢量确定线切割丝与叶盘端面之间的夹角以及切割区域,实现整体叶盘粗加工阶段去除余量最大化。该方法可以有效地解决整体叶盘粗加工阶段经济性问题。试验表明,线切割加工可以应用在整体叶盘通道去余量加工中,并且与传统数控铣削相比,单个通道的加工费用仅为数控铣削加工费用的1/20。     

开式整体叶盘叶片型面数控抛光编程技术

为了实现整体叶盘叶片型面数控抛光,针对五坐标数控抛光机,研究开式整体叶盘叶片型面数控抛光轨迹规划与编程技术。通过分析多坐标数控抛光系统结构及开式整体叶盘抛光工艺方法,提出面向抛光加工的路径规划方法,选择分段直纹面拟合逼近叶片型面,利用分段直纹面的直母线直接生成刀位轨迹。最后进行了数控抛光实验验证,实现了整体叶盘叶片型面抛光的机械化和自动化,极大地提高了整体叶盘的抛光效率,为航空发动机整体叶盘的使用性能和安全可靠性提供了保障。     

整体叶盘复合铣削机床设计

通过盘铣、插铣实验,验证了盘铣应用于整体叶盘加工的可行性,在此基础上提出整体叶盘复合铣加工工艺,将盘铣、插铣、侧铣集成于一台机床上,盘铣用于开槽粗加工、插铣用于曲面成形、侧铣用于除棱清根,实现一次装夹完成整体叶盘的粗加工、半精加工、精加工。以某发动机一级风扇盘开槽粗加工为例,通过UG仿真复合铣、插铣+侧铣、侧铣三种工艺过程,计算出三种工艺的加工时间,计算结果表明复合铣工艺的加工效率是插铣+侧铣的2倍,是侧铣工艺的10倍左右,验证了复合铣工艺的高效性。基于复合铣工艺思想,设计了复合铣机床的整体结构,由高刚性、大扭矩的盘铣、插铣主轴系统实现整体叶盘的复合铣加工,以满足加工的要求。     

直纹面叶轮逆向拟合算法研究

介绍了直纹面叶轮逆向建模流程,以及叶轮叶片曲面参数对编程与加工的影响。通过对叶轮叶片曲面参数进行研究,提出自由曲面拟合为直纹面的一种近似算法。对这一算法的原理进行了分析,并开发了算法自动处理程序,解决了直纹面叶轮逆向造型问题。这一算法可以提高直纹面叶轮建模质量,进而提高叶轮的加工精度。     

基于特征的直纹面5轴侧铣精加工刀位计算方法

提出了基于加工特征的直纹面5轴侧铣精加工刀位轨迹的计算方法,给出了误差估算方法。通过对直纹面微分几何特性的研究,用扭曲度来刻画直纹面特征,将直纹面划分为可展化曲面和非可展化曲面。对于可展化曲面,通过调整直纹面上母线方向的变化规律,使之成为可展曲面,以便在加工中获得无脊棱的光滑曲面;对于非可展化曲面,提出用最小偏置角原理来求取刀轴矢量,以使加工误差在刀具与被加工曲面切触状态下趋于最小,最终获得无干涉刀位轨迹。     

直纹面叶轮插铣加工关键技术

为提高整体叶轮的粗加工效率,弥补目前商用计算机辅助制造软件在五坐标插铣加工能力方面的不足,研究了直纹面叶轮五坐标插铣加工的关键技术。根据直纹面叶片的偏移边界矢量,利用四元数插值方法计算插铣加工的刀轴矢量,提出并推导了五坐标插铣加工的行距和步距计算公式,保证了插铣加工的材料去除率和加工效率。依据上述算法自主开发了整体叶轮五坐标插铣加工专用计算机辅助制造软件,并对该软件生成的刀具轨迹进行了仿真和实际加工验证。结果证明,该方法在一定程度上提高了叶轮零件的粗加工效率。     

基于线锯高效切割的复杂直纹面模型建立及仿真

针对天然石材、人工晶体等材料复杂曲面加工中，初始毛坯与最终产品形状差别较大，粗加工材料去除量大，导致加工效率低、刀具磨耗严重的问题，提出了一种基于线锯加工和点加工协同去除的高效粗坯加工的解决思路。根据线锯加工特点，提出了对最终产品的数字化模型进行分层处理，利用多边形对各层二维外轮廓曲线进行包络，将层与层之间的多边形进行顺序拟合得到相应直纹面模型的建模思路。分析了不同包络多边形边数、连接方式所构建的不同直纹面模型对粗坯加工时间的影响。仿真结果表明，虽然增加多边形的边数或者通过层间旋转可以减小剩余未加工材料体积，但整体粗坯加工时间反而有所增加，从而不利于提高效率。粗坯加工时间可作为综合评价指标来优化构建直纹面模型。     

任意扭曲叶轮五轴数控侧铣的算法研究

为提高任意扭曲叶轮五轴整体铣制的加工质量和效率,在粗铣阶段,拟合出一个"加厚"的单一直纹面叶片来包络任意扭曲叶片,实现用侧铣来完全代替点铣加工;在半精加工阶段,对侧铣粗加工作出改进,选取符合条件的原设计任意曲面的型值线作为分界线,分段进行直纹面的拟合,实现分段侧铣,同时兼顾高效性和叶片成形面精确度要求。并以某型号叶轮为例,通过整体建模、数控编程以及实际加工验证了算法在实践中的可行性。     

Research on tool path planning method of four-axis high-efficiency slot plunge milling for open blisk

The great mass of machining allowance for blisk is removed in the rough milling, so improving the rough machining efficiency for the blisk’s tunnel is the key of realizing high-efficiency machining of blisk. According to the structure characteristic of open blisk’s tunnel, a four-axis plunge slot rough milling with high-efficiency and low machining cost is advanced. First, the plunge slot process for blisk and the generation process of the ruled enveloping surface for the freeform surface of the blisk’s blade are put forward. Then, the generating method of the ruled enveloping surface for the blade’s freeform surface and the tool path generation method of four-axis plunge slot milling for blisk are studied. The rough milling region of open blisk’s tunnel is determined by generating the ruled enveloping surface of blade’s offset surface, and the algorithm of tool path for four-axis plunge milling is given. When using a ruled surface to approach a freeform surface, the problem of getting boundary is solved, and the error from the calculation of tool path is avoided by the algorithm. At last, the experiment shows that comparing to the traditional side slot milling, the cutting force of four-axis plunge milling can be reduced by 60% and even the rough machining efficiency can be increased to more than double.     

EQUIVALENT NORMAL CURVATURE APPROACH MILLING MODEL OF MACHINING FREEFORM SURFACES

A new milling methodology with the equivalent normal curvature milling model machining freeform surfaces is proposed based on the normal curvature theorems on differential geometry. Moreover, a specialized whirlwind milling tool and a 5-axis CNC horizontal milling machine are introduced. This new milling model can efficiently enlarge the material removal volume at the tip of the whirlwind milling tool and improve the producing capacity. The machining strategy of this model is to regulate the orientation of the whirlwind milling tool relatively to the principal directions of the workpiece surface at the point of contact, so as to create a full match with collision avoidance between the workpiece surface and the symmetric rotational surface of the milling tool. The practical results show that this new milling model is an effective method in machining complex three- dimensional surfaces. This model has a good improvement on finishing machining time and scallop height in machining the freeform surfaces over other milling processes. Some actual examples for manufacturing the freeform surfaces with this new model are given.     

涡轮叶盘数控加工优化方法的研究与实现

为提高涡轮叶盘的加工效率和质量，提出了涡轮叶盘数控加工工艺方案，在粗加工阶段，采用插铣方法代替传统的点铣加工，分层加工，减小加工变形。采用UGNX进行涡轮叶盘建模，NERC-Max数控编程，VERICUT刀轨仿真。结果表明，采用插铣方法，切削效率高，刀具和叶片未发生干涉，加工阶段划分、刀轨设计合理。提出的涡轮叶盘数控加工工艺方案可行。     

空间凸轮廓面侧铣加工及最小二乘优化刀位方法

通过对空间凸轮非等价加工方式下理论刀轴轨迹曲面微分几何特性的研究，表明加工空间凸轮工作廓面必然存在法矢异向误差。为寻求加工误差最小的最佳刀轴矢量，提出了数控侧铣加工空间凸轮廓面的方法。根据实际刀轴轨迹面是直纹面的性质，以NURBS直纹面重构理论刀轴轨迹面，采用最小二乘优化方法确定侧铣加工刀位，给出了理论加工误差模型，并通过实例的数值计算和加工实验结果证明了该方法的有效性。     

Tool orientation optimization and location determination for four-axis plunge milling of open blisks

Plunge milling has been widely adopted in the manufacturing industry to rough machine open blisks, and its objective is to remove stock material with high efficiency and machining stability. A current technique challenge is to calculate the tool orientation and locations (called plunger paths) in four-axis rough plunging of open blisks, so that the residual raw material left on the blades after roughing is close to the specified value. To address this challenge, a novel approach is proposed to optimize tool orientation and determine tool locations for four-axis plunge milling of open blisks. First, tool locations are determined with two principles without interfering the blades and hub. Second, tool orientation is optimized according to a new evaluation criterion. Then, considering the impact of previous tool paths, an in-process model of a blisk is used to calculate residual material. Finally, an experiment is conducted to verify this new approach. This approach can promote four-axis plunge milling in the open blisk manufacturing.     

整体叶轮五轴侧铣数控加工方法的研究

为提高整体叶轮的五轴编程和加工的能力,生成合理的刀位文件,在制定出合理的加工工艺的基础上,提出了一种适合于直纹面叶片五轴侧铣加工的刀轴矢量计算方法.对两个相邻叶片的直母线进行插值后,得到的刀轴矢量能完全避免刀具与叶片之间的干涉问题.同时,提出了一种小四边形参数模型来解决直线与自由曲面求交问题,并成功应用于刀心计算中.实例计算表明,所提出的方法能很好地应用于整体叶轮的五轴加工.     

一种带缘头避让的叶片高效螺旋加工方法

针对航空发动机叶片螺旋铣加工中前后缘处刀位点密集、刀轴矢量变化剧烈而导致的过切等问题,本文提出了一种带缘头避让的叶片高效螺旋加工方法。在叶片螺旋加工中,只有叶盆和叶背曲面参与切削,缘头曲面从螺旋加工过程剥离并对其实施单独处理。为实现螺旋加工中缘头部分的避让,本文利用三次非均匀B样条曲线给出了避让曲线的构造方法。切削实验结果表明,本文方法可有效提高航空发动机叶片的加工效率,并能有效保证缘头处的加工质量。     

Diamond milling of an Alvarez lens in germanium

Single crystal diamond milling of optical materials opens up new design degrees-of-freedom for optical engineers. However, parameters for milling of many optical materials have not been investigated, understood, or documented. This paper focuses on the milling of germanium to fabricate a freeform “Alvarez lens” in the mid-wave infrared (MWIR). While the design concepts for such optical systems have been known for decades, implementation has been limited due to difficulty in manufacturing the freeform surfaces. Ultra-precision, multi-axis machining centers can manufacture these surfaces through single crystal diamond milling. A battery of high speed diamond milling tests was performed in germanium to develop the parameters for machining the Alvarez components. Near-surface crystal quality and residual stress measurements using confocal Raman spectroscopy are reported, along with representative test results of the functioning optical system.     

整体叶轮五轴数控插铣加工刀位轨迹生成算法研究

为了提高整体叶轮粗加工效率和质量,提出了一种整体叶轮五轴插铣加工刀位轨迹的计算方法。根据整体叶轮的几何特征和插铣特点,定义与叶轮轴线垂直的截平面族,构造截平面与叶片型面交线的单侧包络直线族,作为边界面加工刀位,在边界面刀位之间插值,得到整个流道的插铣加工刀位轨迹。运用UG/Open API开发了整体叶轮插铣加工软件模块,最后通过实例验证了所提出的方法是有效的。