复杂曲面叶片的数控加工技术探讨

１ 叶片的数控加工方法 ． ２ 叶 片 加 工 的复 杂 性 在 于 其 叶 身 部 分 由复 杂 曲 面组 成 。多 年 来 ，工 业 发达 国家 曾经 先 后 研 究 出
叶 片 的 多种 加 工 方 法 ， 如 铸造 成 形 后 修 光 法 、石 蜡精 密 铸 造 法 、电 火 花 加 工法 、三 坐 标 仿 形 加 工 等 ，这 些 制 造 方 法 不 仅 效 率 低 ，而 且 质 量 也 差 。
务ｌ 匐 似 违
叶 片就 能 随机 床 的工 作 台作 旋 转 运 动 ，其 旋 转 轴
通 常 为机 床 的ａ 。 只需一 次 装夹 ， 可 以 完成 叶根 轴 就 的全 部 加 工 任 务 ，足 以保 证 叶 片 的 各 个 部 分 的 精 度达 到 设计 要 求 。
在 加 工 中 ，刀 具沿 机 床 的３ 个平 移 坐 标方 向作 进 给 运 动 ，形 成 刀 具 相 对 叶 身 的 连 续 环 绕 运 动 轨
模 、 叶 片 的加 工 方 式 选 择 、叶 片 的过 切 、清 根 处
理等。
示 。在 建 模 时 要 考 虑 到 后 面 的加 工 ， 因此 在 建模 的时 候 将 叶 片 的 第 一 个 截 面沿 顺 时 针 方 向旋 转 了 ２ 。 。 在 后面 加 工 的 时 候 可 以大 大 节 约 时 间 ，省 ０
台 ，进 行 自 由分 度 。将 零 件 装 在 旋 转 工 作 台上 ， 用 夹 具 将 叶 片 樟头 固定 在 机 床 的 旋 转 工 作 台上 ， 另一 端 使 用 顶 尖 顶住 叶 尖 尾 部 的 工 艺 卡头 ，这 样
收稿日期：２ １ － ８ ２ ０ １ ０— ６ 作者简介 ：刘 国群 （ ９ ０一），女 ，四川威远 人 ，高级工程师 ，本科 ，主要从事汽 车底盘系统系列零部件的加工 、装 配 １７ 过程控制和质量管理工作。 【８ 第３ 卷 ３】 ３ 第１ 期 ２ ２１— ２上 ） ０１ １ （
精加 工 ，选 球 形 铣 刀 （ ８ｅ速 钢 ） ０ 号刀 ：精 加 ｉｉ ：３
工 ，选 球 形 铣 刀 （ ６ 速 钢） Ｎ 。全 部 采 用 冷却 液 降
低铣 削 温度 ，粗加 工 余量 留０５ｍｍ ， 精车 余量 留 ．
０．ｍ ｍ 。 ２
图３ 叶 片 平 滑 效 果 图
分 ，在 自 由 曲面 的 多 坐 标数 控 ／ Ｔ 中 ，刀具 轨 迹 Ｊ ＿ ｎ
的优 劣 直接影 响其 加工 精度 和加 工效率 。 １ ）刀具 切触 点 的确定
刀 具 切 触 点 ，是 指 刀 具 在 加 工过 程 中与 被 加
工 零 件 的 理 论 接 触 点 。从 几 何 关 系上考 虑 ， 刀具
与加 工面 的接 触关 系为 点接 触 。如 图４ 所示 。
刀轴 矢量
图２叶片截面线
（） 铣 刀 ａ立
第３ 卷 ３
第１ 期 ２
２ １ — ２ 上 ） ［９ ０１ １ （ ３ １
１ 匐 化 注
刀轴 矢量
曲
曲
（） 面加 工 ｂ平
图６走刀步长 与残 留高度的关系
置 而 改变 ，不论 刀具 路径如 何规 划 ，只要 刀具 半
创 建 、 曲面 等 操作 ，可 以得 到 叶 片 的 叶身 型 面 ，
用ＵＧ里 面 的 曲面组 的方 式将 截 面连 接起 来 ，就 可
得到 平 滑 后 的效 果 图 ，如 图３ 示 。从这 个 图可 以 所
看 出 。 叶 片 的 背部 形 状 较 规 则 ， 呈现 出类 似 于 圆
柱面 ，较容 易 加工 。 １ ． 叶片刀具轨迹的计算 ．２ ２ 刀具 轨 迹 生 成 是 自由 曲面 数 控 加 工 的核 心部
１ ）叶片 的数控 加工 工艺分 析
零 件 图 件 １ 成 车 削 加 工 后 ，应 进 行 叶 片 加 完 工 。选 四 轴联 动 加 工 中心 （ 中数 控 系统 ）铣 叶 华
片 ， 四轴 联 动 的 数 控 加 工 中 心 ， 可 以 加 工 出高 质 量 的 复 杂 曲面 。装 有 一 个 分 度 精 密 的旋 转 工 作
（ ）零 件 整 体 ａ
１ 叶片 的数控加工及关键技术
１１ 零 件 图的分析 ＿
认 真 分 析 零 件 图 。 了解 零件 的 几何 尺寸 、尺
（ ）叶 片 实 物 ｂ
图 １ 零 件 图件 １
寸 精 度 、 形 位 公 差 、表 面 粗 糙 度 等 技 术 要 求 ， 了
解 零件 的材料 、毛坯种 类 、加工性 能 等 。
及清根等 关键性的技 术问题 。叶片的数控加 工开始 引入高职教学 ，可供高职 学生 、初学 者及 教师教学参考。 关键词 ：数控加工 ；程序 编制 ；叶片建 模 ；叶片的过 切及清根处理 中图分类号 ：Ｔ ６ ９ Ｇ ５ 文献标 识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０—０ ３ （ ０ １ １ （ 一 ０ ８ ０ ９ １ ４ ２ １ ） 上） ０ ３ — ６ ０ ２
Ｒ：刀具半 径 ；
ｎ ：加 工表 面在Ｐ 点处 的单 位法 矢量 ； 可将 上式 写成 分量 的形 式 ；
Ｘｏ ｒ＋Ｒｎ ｃ＝ ｐ ｘ ｙｏ ｒ＋Ｒｎ ｃ＝ ｐ ｙ Ｚｏ ｐ ｃ＝ｒ＋Ｒｎ ｚ
４ ）走刀 行距 的计 算 走 刀 行 距 是 指 相 邻 两 行 刀 具 轨 迹之 间 的 最 短
功 能 方 便 直 观 ， 可 以 直 接 在 点 、 线 、 曲面 、实 体
上 产 生 刀轨 ，生成 叶 片的三 维 几何模 型 。 １ ）构 建 截面 线 按 设 计 给 定 数 据 绘 制 出 各 个 平 面 上 的 截 面 线 ， 叶 片 是 由五个 截 面相 同 的 曲线 组 成 ，在 建 模 时 ， 先作 出一 个 截 面 ，叶 盆 和 叶 背上 的型 线 均 为 自由曲线 ，进 排气 边缘 为一 段 圆弧 。
Ｄｏ ： ． ９ ９ ｉ ｓ ｎ １ ０ －０ ３ ．０ １ １ （Ｉ ． ３ ｉ１ ３ ６ ／ ． ｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ．２ － １ ０ ｉ ）
０ 引言
２ １年 ４ ３ ５ ０ ０ 月２ 至２ 日， 由四川 省教 育 厅主 办 ， 四 川 航 天 职 业 技 术 学 院 承 办 的 ２ １ 年 四 川 省 职 ００ 业 院 校 学 生 《 杂 部件 造 型 、 多轴 联 动 编 程 与 加 复 工 》 全 国 数 控 大 赛 预 选 赛 。这 次 大 赛 由４ 零 件 个
出，残 留高度ｈ 与切 削 行宽 度ｄ 间 的关 系为： 之
ｈ ／（ 一ｋ ） ＝ １ ｂ ＿ １（
若 允 许 的最 大 残 留 高度 为 ｅｈ ，经 推导 可 得 切
削 行 宽度：
ｄ ２ ２ （ Ｒ ≤ ｘ Ｒ￡ １ ｋ） ／ ／一
式 中Ｒ为 刀具 半 径 ；ｋ 为加 工 表面 沿 切 削行 进 给 方 向的法 曲率 ，ｐ ｌ ｂ ＝／ ｋ
径 小于 被加 工 曲面的 凹主 曲率半 径 ，则不 会发 生
局 部 曲率干 涉 ，均能 铣削 出所 要求 的 曲面形状 。
（） 形 刀 ｃ环
３ ）球 形 刀刀位 计算 如下
ｒ。 ｒ＋Ｒｎ ｃ＝ ｐ
图４ 不 同 刀具 的切 触 点
２ ）球 形 刀加工 原理
式 中 ：ｒ ：刀心 的矢 径 ； ｃ 。
：
采 用 球 形 刀 端 铣 加 工 自 由曲 面 ，球 形 刀 球 面 具有 法 矢 自适 应性 ，如 图５ 所示 ，球 形 刀 刀心 约 束 在加 工 曲 面 的 等距 面 上 ，刀 轴 矢 量 则 可 以根 据 曲 面形 状和 约束 面（ 包括 导动 面和 检查 面） 的形状 和位
乍／ Ｔ＿ 面上切 触 点Ｐ 矢径 ； Ｊ 表 Ｕ 的
去 了不 少不 必要 的刀路 。
１２１ 叶片建 模 ＿＿
叶 片 建 模 是 数 控 加 工 的 前 提 条 件 ，根 据 叶 片 的设 计数 据 或 实物 测量 数 据 ，应用 Ｃ Ｄ／ ＡＭ软件 Ａ Ｃ
２ ）构建 曲面 在 叶 片 截 面 完 成 后 ，将 所 得 到 的截 面 线 通 过
（） ａ曲面 ／ ｒ Ｊａ ｕ
１ ． 叶片的刀轴矢量计算与干涉 分析 ．３ ２
［０ 第３ 卷 ４１ ３
第上
参Ｉ
１ ）四坐 标数 控加 工 刀轴 矢量 的计 算 四 坐 标 加 工 的 特 点 是 刀 具 可 以 同 时 具 有 Ｘ， Ｙ，Ｚ 个 方 向和绕 工 件的 转动 进给 。转 动 围绕 ａ ， 三 ／ Ｊ 工 轴 ，在采 用球 形 刀加 工时 ，球形 刀端 点与 加工 表 面 切 触时切 削 速度 为零 ，切 削性能 较差 ，为 了保 持 切 削 速度 的相 对稳 定和 加工 质量 ，通 常将 刀轴置 于
务ｌ 訇 化
复杂 曲面叶片的数控加工技术探讨
Ｔｈｅ ｄｉ ｃｕ ｉ ｓ ｓｓ ｏｎ ｏｆｎｕｍ ｅｒｃａｌｃｏｎｔ ｏｌｍ ａｃｈｉ ｅｃｈｎｏｌ ｉ ｒ ｎｅ ｔ ｏｇｙ ｏｆ ｃｏｍ ｐｌ ｘ ｅ ｃｕｒ ｅｄ ｓ ｆ ｖ ｕｒ ａｃｅ
刘国群’ ，刘祖其 ，卢丽琴 ‘
２ ）叶片数 控加 工 的关键 技 术 叶 片 加 工 一 直 是 数 控 加 工 领 域 具 有 挑 战 性 的 课 题 ， 其 需 要 解 决 的 问 题 复 杂 繁 多 ， 如 叶 片 建
将 各 曲 线 光 滑 过 渡 ，并 保 证 各 段 曲 线 的 连 续 。然 后 根 据给 定 的扭 转 角 将 各 个平 面 上 的 曲线 通 过 命 令进 行旋 转 ，得 到 一组 空 间 曲线 ，如 图２ 所
迹 。每 换 一 把 刀 具 都 要 对 刀 ，每 把 刀 具 的 长 度 必
须 很 精 确 。加 工 路 线 分 粗 铣 、半 精 铣 、精 铣 三 次
切 削 。根 据 叶 片的加 工 要求选 用 ３ 铣刀 。０ 号 刀： 把 ｌ
粗 加 工 ，选 环 形 铣 刀 （ １ 高 速 钢 ） ２ 刀 ：半 ２ ；０ 号
Ｌ Ｕ Ｇｕ — ｕ Ｌ Ｕ Ｚ ． ｉ Ｌ ｉ ｉ Ｉ ｏ ｑ ｎ 。 Ｉ ｕ ｑ Ｕ Ｌ— ｎ。 ， ｑ
（． １浙江万 向系统有限公司 ，杭州 ３ １ ０ ；２ 四川托普信息技术职业学院 ，成都 ６ １ ４ ） １２ ２ ． １ ７ ３ 摘 要 ：本文介 绍了叶片的数控加 工工 艺和加工方法 ，又介绍 了如何解决叶片加工中刀具的干涉、过切
线 间距 ，用 以 确 定 刀具 轨 迹 的 疏 密 程 度 ，其 大 小 是 影 响 曲面 加工 精 度和 效 率 的 重 要 因 素 。因 此 ，
为 了既 满 足 加 工 精 度 和 表面 粗 糙 度 的 要 求 ，又 要
图 ５ 球 形 刀 与 加 工 表 面 的 关 系 图
有 较 高 的 生 产 效 率 ，必 须合 理 确 定 走 刀 行 距 。 通 常 ，用 球 形 刀加 工 曲面 时 ，刀 痕 在 切 削 行 间 构 成 了残 留 高 度ｈ 由图 ６（） 示 的 几 何 关 系可 以 看 ， ａ所
装 配 而 成 ，４ 零 件 精 度 要 求 都 高 ，零件 １（ 图 个 如
如 果 采 用 四轴 数 控 加 工 中心 铣 削 叶 片 ，具 有 加 工 工 装少 、效 率高 、精 度高 、质量 好等 优点 。
１ 示 ）为 车 、铣 复合 件 零 件 ，件 ２ 所 、件 ３ 车 削 为 零件 ，件 ４ 铣 削零 件 。４ｆ零件 加 工部 位 包 括 环 为 ， ＇ － 槽 、封 闭 凹 槽 、 凸起 、 圆 角 、 锥 度 、 光 孔 、 切 槽 、 内外 螺纹 及 螺 旋 叶 片 等 ，尺 寸精 度和 叶 片 加 工 已 成 为本 次 大 赛 的 关 键 技 术 。考 虑到 篇幅 内容 太 多 ，本文 只对 包含 有叶 片 的零 件 图件 １ 行 了分 进 析和 研 究 。如 图 １ 所示 。笔者 是这 次 省 级选 拔 赛 指 导 教 师 ，成 功 解 决 了 叶 片数 控 大 赛 中 的有 关 技 术 问题 。现将 这次 大赛 叶片数 控加 工 介绍 如下 。