CN102880756A - 薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，首先提取垂直于参数v向的叶片截面，按照初始三维模型对叶片进行加工后，测量各个截面上的误差均值，作为该截面的初次补偿量，对各个截面进行初次补偿后，重构叶片三维模型，并按照重构后的叶片三维模型对叶片进行加工，测量各个截面上的误差最大值，计算各个截面精确变形补偿量，再以精确变形补偿量对各个截面进行补偿后，二次重构叶片三维模型，按照二次重构后的叶片三维模型对叶片进行加工，测量各个截面上的误差是否满足设计要求。本发明有利于提高叶片的加工精度，有利于提高叶片的表面轮廓度，有利于减少补偿加工的次数，有利于减少后续工序的工作量。

Description

薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法

技术领域

本发明属于精密、超精密切削加工技术领域，具体为一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，主要解决航空发动机薄壁叶片数控铣削精加工变形控制问题。

背景技术

叶片是航空发动机的核心零件，也是一种典型的薄壁类零件，其制造水平直接影响着航空发动机的气动性能。随着气动设计技术、结构技术和材料技术的不断发展，航空发动机叶片出现了弯、扭、薄、掠、轻等新的结构特点，同时也给其制造精度提出了更高的要求。航空发动机叶片高质量精密加工技术是发动机叶片制造面临的挑战性课题，也是当前国内航空发动机制造的关键技术之一。

在实际的铣削加工过程中，由于受到切削力、切削热和金属金相撕裂的共同作用，叶片会产生加工变形，导致加工后的叶片精度和轮廓度较差。目前，国内薄壁叶片制造精加工工艺是数控半精加工与手工打磨精加工。这是因为叶片属于薄壁曲面零件，加工变形难以控制，为避免报废，必须留下足够的余量补偿数控加工引起的变形，最后依靠人工抛光，用“边打磨、边检验”的方法将叶片余量逐步去除掉。但由于手工打磨过程无冷却液，靠样板控制叶片截面形状，故加工效率低，劳动强度大，表面精度低，波纹度大，易烧伤，质量不稳定，无法满足薄壁叶片对壁厚和叶型精度控制的要求。

同时，在工程实践中，为了消除加工变形对薄壁叶片数控加工精度的不利影响，常通过采用工艺措施来减小叶片的加工变形，从而保证加工精度达到设计要求。目前主要采取的手段有：优化数控切削参数以减小切削力；通过改进和优化装夹方案以增加零件的刚性。这些措施可以减小叶片的加工变形，但这就必然要增加很多额外的工序，而且这些工艺措施主要是以定性分析和实际加工经验为基础的，缺乏定量分析和操作规范，不仅零件的精度和质量难以保证，而且严重影响了加工效率。专利201110185239.7中公开了一种基于数模重构的整体涡轮叶片加工误差补偿方法，主要针对现有的航空发动机整体涡轮叶片加工精度因弹性恢复量难以控制而造成加工精度超差的问题。这种误差补偿方法适用于悬臂结构的叶片，对于两端同时夹持的叶片加工效果不明显，而且未考虑到补偿加工后的再变形情况，反复补偿的次数多。

加工变形是影响薄壁零件数控加工效率、精度和表面质量的关键因素。针对现有的薄壁叶片加工工艺存在的不足，很有必要寻找一种新的叶片加工变形补偿方法，实现对薄壁叶片加工变形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以满足相关科技工程领域对改进和完善薄壁、超薄叶片精密铣削加工技术的迫切需求。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有技术中薄壁叶片加工变形大，精度难保证的问题，本发明提出了一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，针对叶片加工变形的特点采用反变形的补偿方法，从而提高叶片加工精度和效率，实现薄壁叶片的高效精密切削。

技术方案

叶片加工过程产生的变形非常复杂，有弹性变形导致的厚度增加，有残余应力变形产生的弯曲和扭转，而对于加工完成的叶片零件而言，检测到的是综合误差，经过误差分析和误差特征提取，可以将叶片的变形量分解出来，然后与设计数据对比，进而确定变形补偿量。最简单的方法就是将实际测量数据与设计数据的对比结果作为补偿量，补偿方向为叶片变形的相反方向，即余量加厚的地方减去补偿量，余量减少的地方加上补偿量。这种方法简单易操作，虽可以提高叶片的加工精度，但是不能够完全消除加工误差，多数情况下很难达到精度要求。因为通过这种变形补偿后，零件刚性与各个切触点处的切削状态发生了改变，切削力大小也随之发生非线性变化，从而导致零件变形难以一次性补偿到位，形成新的加工变形，即再生变形。在此基础上，本发明提出一种变形多次误差补偿方法，即对变形补偿量进行反复修正迭代的一个过程，直到满足精度要求，其流程如图1所示。本发明提出的变形多次误差补偿方法的思想是对变形补偿量进行修正，重构叶片实体模型，重新生成加工程序进行加工，经过试切后的零件如果合格则误差补偿成功，否则再次循环，确定合适的补偿量。

本发明的技术方案为：

所述一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在叶片三维模型中提取n条垂直于参数v向的叶片截面，并提取每个叶片截面的截面线；在每条截面线上按照等弧长设定m个测量点；

步骤2：按照步骤1中叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，取每个截面上所有测量点的误差均值，作为该截面上截面线的初次补偿量；

步骤3：根据各个截面线的初次补偿量，在叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法重新构造叶片三维模型；

步骤4：按照步骤3中重新构造的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，计算各自截面的变形系数：

$k_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_i+{\mathrm{\δ}}_i^{*}}{{\mathrm{\δ}}_i}$

其中，k_i为第i条叶片截面的变形系数，δ_i为第i条叶片截面上截面线的初次补偿量，

为步骤4得到的第i条叶片截面上所有测量点的误差最大值；根据公式：

$s_i=\frac{1}{k_i}\·{\mathrm{\δ}}_i$

计算第i条叶片截面上截面线的精确变形补偿量s_i；

步骤5：按照步骤4得到的各个叶片截面上截面线的精确变形补偿量，在步骤1中的叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用本次补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法二次重构叶片三维模型；

步骤6：按照步骤5中二次重构的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，将本步骤中每个截面的误差最大值与叶片设计要求的最大误差值进行比较，若所有截面均满足设计要求，则完成叶片的加工补偿过程，若存在截面不满足设计要求，则重复步骤3至步骤6，再次进行补偿，其中已满足设计要求的截面保持补偿量不变，不满足设计要求的截面以前次得到的精确变形补偿量作为下次补偿的初次补偿量。

有益效果

工程实用上，对于批量生产的情形，在形成相对稳定的制造工艺规范之后，工况及其它切削条件保持不变，则零件的加工弹性变形误差分布具有很强的规律性和可重复性。因此，通过实际测量一定数量加工样件的误差分布状况，进而确定修正补偿方案不失为一种较为可行的途径。

本发明的直接效果非常明显，具体体现在以下几个方面：

1．有利于提高叶片的加工精度。充分考虑叶片加工过程中变形对加工精度的影响，采用反变形的思想，补偿加工变形带来的加工误差，从而减小了叶片加工变形对加工精度的影响。

2．有利于提高叶片的表面轮廓度。采用多次补偿方法，可抑制变形对叶片表面轮廓度的影响，从而实现表面轮廓度的精确控制，有利于提高叶片的表面轮廓度。

3．有利于减少补偿加工的次数。考虑到加工补偿量的再生变形，引入变形系数k_i来计算叶片截面的变形补偿量s_i。可减少模型重构—补偿加工—再模型重构—再补偿加工的次数，大大减少了工作量。

4．有利于减少后续工序的工作量。采用误差补偿方法数控加工后的叶片，叶片型面留有很少的抛光余量，有利于减少抛光工序的工作量，从而提高叶片加工的效率。

附图说明

图1是叶片变形多次误差补偿流程图；

图2是常见叶片结构示意图；

图中：1-榫根；2-橼板；3-叶背型面；4-排气边；5-叶盆型面；6-进气边

图3是叶片实体模型重构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中以附图2所示的某航空发动机薄壁叶片为例，图2所示叶片尺寸约为：303mm×115mm×1.8mm，叶片材料为航空钛合金TC4；刀具直径为10mm的球头刀。该叶片采用JOHNFORD VM850C四轴数控加工中心进行加工，叶片的轴向与机床X轴重合，并可绕X轴旋转360°。测量设备为三坐标测量机GLOBAL STATUS 121510，测头半径为1mm。

具体的补偿方法步骤为：

步骤1：在叶片三维模型中提取8条垂直于参数v向的叶片截面，并提取每个叶片截面的截面线，各截面线获取补偿量的方法一样；靠近叶根的截面是第一个截面，靠近叶尖的截面是第八个截面；在每条截面线上按照等弧长设定30个测量点。

步骤2：按照步骤1中叶片三维模型对叶片进行加工后，在三坐标测量机上测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，取每个截面上所有测量点的误差均值，作为该截面上截面线的初次补偿量；本实施例中得到叶片第四个截面上所有测量点的误差均值为0.24mm，则叶片第四个截面上截面线的初次补偿量δ₄＝0.24mm。

步骤3：根据各个截面线的初次补偿量，在叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法重新构造叶片三维模型，如图3所示。由于重构后的叶片模型光顺性差，需要对其进行光顺处理。

步骤4：按照步骤3中重新构造的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，计算各自截面的变形系数：

$k_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_i+{\mathrm{\δ}}_i^{*}}{{\mathrm{\δ}}_i}$

其中，k_i为第i条叶片截面的变形系数，δ_i为第i条叶片截面上截面线的初次补偿量，为步骤4得到的第i条叶片截面上所有测量点的误差最大值；根据公式：

$s_i=\frac{1}{k_i}\·{\mathrm{\δ}}_i$

计算第i条叶片截面上截面线的精确变形补偿量s_i；

本实施例中叶片第四个截面上所有测量点的误差最大值

则变形系数k₄＝1.625，精确变形补偿量s₄≈0.148(mm)。

步骤5：按照步骤4得到的各个叶片截面上截面线的精确变形补偿量，在步骤1中的叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用本次补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法二次重构叶片三维模型；

步骤6：按照步骤5中二次重构的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，将本步骤中每个截面的误差最大值与叶片设计要求的最大误差值进行比较，若所有截面均满足设计要求，则完成叶片的加工补偿过程，若存在截面不满足设计要求，则重复步骤3至步骤6，再次进行补偿，其中已满足设计要求的截面保持补偿量不变，不满足设计要求的截面以前次得到的精确变形补偿量作为下次补偿的初次补偿量。

本实施例中，在三坐标测量机上对叶片进行检测，从测量数据可以得到叶片曲面平均误差不超过0.1mm，最大误差出现在第二、第五截面，叶片的扭转误差经过多次补偿后，不到图纸设计的1/3，完全满足图纸设计要求，达到变形补偿的目的。

Claims (1)

1.一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在叶片三维模型中提取n条垂直于参数v向的叶片截面，并提取每个叶片截面的截面线；在每条截面线上按照等弧长设定m个测量点；

步骤2：按照步骤1中叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，取每个截面上所有测量点的误差均值，作为该截面上截面线的初次补偿量；

步骤3：根据各个截面线的初次补偿量，在叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法重新构造叶片三维模型；

步骤4：按照步骤3中重新构造的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，计算各自截面的变形系数：

$k_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_i+{\mathrm{\δ}}_i^{*}}{{\mathrm{\δ}}_i}$

其中，k_i为第i条叶片截面的变形系数，δ_i为第i条叶片截面上截面线的初次补偿量，

为步骤4得到的第i条叶片截面上所有测量点的误差最大值；根据公式：

$s_i=\frac{1}{k_i}\·{\mathrm{\δ}}_i$

计算第i条叶片截面上截面线的精确变形补偿量s_i；

步骤5：按照步骤4得到的各个叶片截面上截面线的精确变形补偿量，在步骤1中的叶片三维模型中对各个截面线进行补偿，补偿方向为叶片变形的相反方向；利用本次补偿后得到的各个截面线，采用截面线放样法二次重构叶片三维模型；

步骤6：按照步骤5中二次重构的叶片三维模型对叶片进行加工后，测量叶片每个截面上各测量点的坐标；根据测量得到的测量点坐标与测量点的理论坐标，计算每个测量点的误差，在每个截面上取各自所有测量点的误差最大值，将本步骤中每个截面的误差最大值与叶片设计要求的最大误差值进行比较，若所有截面均满足设计要求，则完成叶片的加工补偿过程，若存在截面不满足设计要求，则重复步骤3至步骤6，再次进行补偿，其中已满足设计要求的截面保持补偿量不变，不满足设计要求的截面以前次得到的精确变形补偿量作为下次补偿的初次补偿量。

Images