CN105261065A - 一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向适应性加工的叶片前后缘外形再设计方法，将叶型截面线划分为前后缘近端区、过渡区和叶身区，根据叶片零件公差要求来确定叶片前后缘近端区形心的公差区域，从中优化出反映扭转变形和位置变形的公差轨迹，以满足加工余量为目标，将前后缘近端区形心沿优化轨迹进行坐标变换，获得叶片前后缘近端区的再设计轮廓线，再在近端区与叶身光滑连接的约束下拟合过渡区的轮廓线，组合成前后缘再设计截面线，进一步可得到前后缘曲面外形。具有可处理前后缘为非圆弧情况、轮廓线调整时搜索范围小的优点。

Description

一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法

技术领域

本发明涉及叶片前后缘外形设计领域，特别是一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法。

背景技术

叶片是航空发动机的关键零件，为提高发动机的性能，新型叶片结构不断被研制出，对制造工艺也提出了更高要求。航空发动机中的一类新型的带夹层空心宽弦叶片，其典型制造工艺是：先采用超塑性成形/扩散连接获得与叶片尺寸形状十分接近的近净成形叶片毛坯，然后采用适应性数控切削对前后缘等部位进行加工，最后对包括叶片型面在内的表面进行抛光获得符合设计要求的叶片。

超塑性成形/扩散连接获得的毛坯中叶身中部为空心表面，余量很小，为保证材料厚度通常不进行数控加工，而前后缘、叶根、榫头等处为实心，留有较大余量，需要进行数控加工。常规的数控加工依据夹具对毛坯进行定位并按照理论模型进行加工，对近净成形毛坯很容易造成过切或无余量加工，毛坯报废现象严重，也容易在加工区域与非加工区域间存在阶差，造成加工质量问题。

因此带夹层空心宽弦叶片的前后缘需采用适应性加工工艺，工艺流程通常为：首先对毛坯工件进行数据测量，然后将测量数据与设计数模进行模型对齐以便对工件进行机床定位，再综合考虑设计要求和工件实际形状进行前后缘外形再设计，然后重新生成数控加工程序，最后进行前后缘实际加工。

前后缘的外形再设计是叶片前后缘适应性加工中的关键步骤，既要保证待加工区域有足够的加工余量，还要保证不同区域间的光滑衔接。目前，面向适应性加工的叶片外形再设计大都是针对损伤叶片的修复制造，大都并非专门针对前后缘的再设计。针对叶片前后缘再设计有少量文献发表，例如文献“面向自适应加工的精锻叶片前后缘模型重构(蔺小军等,航空学报,2015,05:1695-1703)”介绍了一种根据截面的测量点拟合线、理论截面线以及搜索的圆弧圆心和半径来重构前后缘模型的方法，该方法可以有效避免叶身与前后缘衔接处的阶差，适用于前后缘为圆弧的情况，但不适用于前后缘为双曲线、椭圆线、自由曲线等情况。另外，叶片前后缘再设计中，如何确定可调整区域并进行快速搜索是提高再设计效率的关键因素，是需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，它具有可处理前后缘为非圆弧情况、轮廓线调整时搜索范围小的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于包含以下步骤：

A、叶型截面线划分；

B、形心公差轨迹优选；

C、近端区轮廓线再设计；

D、过渡区轮廓线再设计；

E、曲面外形生成。

进一步地，所述叶型截面线划分包含提取叶型截面线，划分成前后缘近端区、过渡区和叶身区，以近端区中弧线段上的中点为前后缘的形心。

进一步地，所述形心公差轨迹优选包含根据公差要求计算前后缘形心的公差区域，在公差区域内遴选出公差轨迹。

进一步地，所述近端区轮廓线再设计包含将实际毛坯测量点与叶身的毛坯数模进行配准定位，计算毛坯在前后缘近端区的余量，在毛坯近端区各测量点有正余量的约束条件下，将零件前后缘形心沿优化轨迹进行坐标变换，获得再设计后前后缘近端区轮廓线。

进一步地，过渡区轮廓线再设计包含以与前后缘近端区与叶身进行切矢连续为条件，拟合再设计后的过渡区轮廓线。

进一步地，曲面外形生成包含前后缘近端区轮廓线和过渡区轮廓线组合成前后缘截面线，所有再设计的截面线扫略成曲面外形。

进一步地，前后缘形心的公差区域是考虑积叠点位置度公差以及以积叠点为扭转中心的叶型扭转度公差来计算的

进一步地，所述前后缘形心的公差区域的公差轨迹是以积叠点为中心的圆弧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的叶片零件前后缘外形再设计方法对前后缘为圆弧、双曲线、椭圆线、自由曲线等外形均可适用，将形心限定在遴选的公差轨迹上进行变换可缩小搜索范围而提高算法效率，用于适应性加工可减少叶片毛坯因为扭转和弯曲变形导致前后缘加工余量不足而报废的情况。

附图说明

图1是本发明实施例的叶片示意图；

图2是本发明实施例的叶片截面及轮廓线划分示意图；

图3是本发明实施例的位置度公差下近端区形心和轮廓线调整区域示意图；

图4是本发明实施例的扭转公差下近端区形心和轮廓线调整区域示意图；

图5是本发明实施例的综合公差下近端区形心和轮廓线调整区域，以及形心工程调整轨迹示意图；

图6是本发明实施例的近端区轮廓线调整示意图；

图7是本发明实施例的过渡轮廓线调整示意图；

图8是本发明实施例的前缘再设计曲面外形示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图所示，本发明的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于包含以下步骤：

A、叶型截面线划分

提取叶型截面线，将截面线划分成近端区A、过渡区B和叶身区C，以近端区中弧线段上的中点为形心K。其中近端区的前缘部位记为A_q，后缘近端区记为A_h，类似的有前缘/后缘过渡区(B_q/B_h)和前缘/后缘形心(K_q/K_h)，如图2所示。B、形心公差轨迹优选

前后缘形心K的公差包括位置度公差和扭转公差，公差带分别为σ和γ。

位置度公差是形心实际位置到其理想位置的距离，形心位置度公差区域(记为W)为一个以K为圆心、公差带σ为半径的圆。如图3所示，在位置度公差允许下，设形心K调整为K^W，则近端区轮廓线A在该区域内调整为A^W，如下式(记x和y坐标上的平移调整量为tx和ty)：

$W=\left\{\left(x,y\right)|\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}K\left(x\right)\\ K\left(y\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}tx\\ ty\end{array}\right]\right\}$

$A^W=A+\left[\begin{array}{c}tx\\ ty\end{array}\right]---\left(1\right)$

$s.t.\sqrt{{\left(tx\right)}^2+{\left(ty\right)}^2}\≤\mathrm{\σ}$

扭转度公差是形心实际位置绕积叠点转动到理想位置的角度，形心扭转度公差区域(记为U)为一段以积叠点为中心、公差带γ为半径的圆弧。如图4所示，在扭转度公差允许下近端区轮廓线A在该区域内可调整为A^U，旋转调整角度为θ，如下式：

$(-\frac{\mathrm{\γ}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\γ}}{2})$

综合位置度公差和扭转公差，形心公差区域(记为Z)为W和U的叠加，如图5所示为：以积叠点O为圆心、OK为半径、位置度公差σ为扇形高度、扭转公差γ为角度的一个扇形区域，近端区轮廓线A在Z区域内可调整为A^Z，如下式：

$\begin{array}{cc}s.t.& -\frac{\mathrm{\γ}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\γ}}{2},\sqrt{{\left(tx\right)}^2{+\left(\mathrm{ty}\right)}^2}\≤\mathrm{\σ}\end{array}$

由于叶片毛坯在前缘点和后缘点处余量足够大，对应的方位无需进行调整就能满足要求，近似为x方向上无需调整，可以令tx＝0，并将ty叠加到旋转分量上，记OK长度为r，因此形心公差区域Z可进一步优化为公差轨迹S，近端区轮廓线A在S轨迹上可调整为A^S，如下式：

$\begin{array}{cc}s.t.& -(\frac{\mathrm{\γ}}{2}+\frac{\mathrm{\σ}}{2r})\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\γ}}{2}+\frac{\mathrm{\σ}}{2r}\end{array}$

C、近端区轮廓线再设计

通过测量获得毛坯测量点，将其中的叶盆、叶背部位测量点与理论设计CAD模型进行配准定位，获得毛坯测量点定位后在设计坐标系下的位置，然后在叶型截面线高度处取相应的毛坯截面测量点(记为P_i)，计算近端区的测量点P_i与其在理论轮廓线A上的最近点Q_i之间的有向距离，就是毛坯在Q_i点处的余量D_i，如下式：

D_i＝(P_i-Q_i)·n_i(5)

当D_i为正数且大于给定的值时，则余量足够。计算前缘近端区(或后缘近端区)中所有测量点的余量，找出其中余量负值最大的点(记为P_m)，该点是最不满足条件的点，轮廓线上对应的点为Q_m。此时，沿S轨迹调整Q_m为使余量大于给定值，即满足：

(6)

相应的，近端区轮廓线A调整为A^*。

D、过渡区轮廓线再设计

采用一阶连续约束，拟合B样条曲线来连接A^*和毛坯在叶盆、叶背部位测量的点，即生成了图7所示的过渡区轮廓线B^*。

E、曲面外形生成

前后缘近端区轮廓线A^*和过渡区轮廓线B^*组合成前后缘截面线，所有再设计的截面线扫略成曲面外形。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于包含以下步骤：

A、叶型截面线划分；

B、形心公差轨迹优选；

C、近端区轮廓线再设计；

D、过渡区轮廓线再设计；

E、曲面外形生成。

2.按照权利要求1所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：所述叶型截面线划分包含提取叶型截面线，划分成前后缘近端区、过渡区和叶身区，以近端区中弧线段上的中点为前后缘的形心。

3.按照权利要求1所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：所述形心公差轨迹优选包含根据公差要求计算前后缘形心的公差区域，在公差区域内遴选出公差轨迹。

4.按照权利要求1所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：所述近端区轮廓线再设计包含将实际毛坯测量点与叶身的毛坯数模进行配准定位，计算毛坯在前后缘近端区的余量，在毛坯近端区各测量点有正余量的约束条件下，将零件前后缘形心沿优化轨迹进行坐标变换，获得再设计后前后缘近端区轮廓线。

5.按照权利要求1所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：过渡区轮廓线再设计包含以与前后缘近端区与叶身进行切矢连续为条件，拟合再设计后的过渡区轮廓线。

6.按照权利要求1所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：曲面外形生成包含前后缘近端区轮廓线和过渡区轮廓线组合成前后缘截面线，所有再设计的截面线扫略成曲面外形。

7.按照权利要求3所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：前后缘形心的公差区域是考虑积叠点位置度公差以及以积叠点为扭转中心的叶型扭转度公差来计算的。

8.按照权利要求7所述的一种面向适应性加工的叶片零件前后缘外形再设计方法，其特征在于：所述前后缘形心的公差区域的公差轨迹是以积叠点为中心的圆弧。