CN109530768B - 一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，包括如下步骤：步骤一，在三维建模软件中建立叶片叶尖减薄处曲面的模型；步骤二，建立多个相互平行的平面，每一个所述平面与叶尖减薄处曲面相交形成一条分化曲线；步骤三，将获得的每一条分化曲线按最小偏差原则，在所述平面内，重新定义为直线；步骤四，使用步骤三中定义的多条直线，构建新的叶尖减薄处曲面，然后使用新的叶尖减薄处曲面为基础生成加工程序。本发明克服了现有加工技术叶尖削边减薄处曲面数控加工精度不足、难以满足要求的问题。

Description

一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，涉及叶片叶尖特定结构的加工方法。

背景技术

叶片叶尖减薄结构，在航空发动机、燃气轮机转子叶片上应用较为广泛，对压气机性能有较大影响。由于叶片本身曲面结构复杂，在叶型曲面上添加的减薄结构，也具有复杂的几何曲面，严格的位置精度要求，因此加工难度较高。叶尖削边处曲面，通常要求保证与叶背曲面的距离，波动公差小于0.2mm，表面要求粗糙度Ra1.6。因此，叶尖削边处曲面，直接采用叶背曲面片体增厚得到，其几何特性与叶背曲面相同。但是由于叶背曲面本身允许0.08mm的轮廓波动，同时允许

的位置波动以及±12分的扭转公差带，因此实际叶背曲面相对理论位置的波动，可超过叶尖削边处曲面理论距离公差0.2mm的要求。

在传统加工方法中，加工轨迹位于一个平面内，需要先确定加工轨迹的平面，即为使加工误差较小，需要根据削边曲面的位置和形状，确定一个近似平面，然后在该平面内加工。

传统的加工方法受叶尖削边减薄区结构限制，只能采用

球头立铣刀在三轴数控铣床上沿叶尖削边减薄处曲面的u向或v向密集走刀加工。由于刀具尺寸小，切削能力有限，导致刀具成本高，同时由于加工表面要求达到粗糙度Ra1.6，只能沿叶尖削边减薄处曲面的u向或v向密集走刀，加工时间长，并且由于叶背允许较大的波动公差，实际加工中几乎无法直接通过数控加工，获得满足公差要求的叶尖减薄处曲面。

发明内容

本发明旨在提供一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，克服叶尖削边减薄处曲面数控加工精度不足、难以满足要求的问题。

本发明的技术方案首先在三维建模软件中建立叶片叶尖减薄处曲面的模型，在三维模型中将叶尖减薄处曲面沿着加工走刀方向的法向分化定义若干曲线，曲线的数量根据叶尖减薄处曲面的范围及精度要求确定，一般要保证误差小于厚度公差的十分之一。再将获得的曲线按最小偏差原则，在走刀方向的法向平面内，重新定义为直线，这时相对于原始减薄处曲面也将产生一定的偏差，但是偏差量通常很小，可以忽略。然后根据双点测量的余量调节方法确定每条直线的余量，最后按照已定的余量对叶尖减薄处曲面进行加工，可以保证叶尖减薄处曲面的加工精度。

具体来说，本发明的技术方案如下：

一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，包括如下步骤：

步骤一，在三维建模软件中建立叶片叶尖减薄处曲面的模型；

步骤二，建立多个相互平行的平面，每一个所述平面与叶尖减薄处曲面相交形成一条分化曲线；

步骤三，将获得的每一条分化曲线按最小偏差原则，在所述平面内，重新定义为直线；

步骤四，使用步骤三中定义的多条直线，构建新的叶尖减薄处曲面，然后使用新的叶尖减薄处曲面为基础生成加工程序。

优选的，所述步骤一中，在三维建模软件UG中建立完整叶身曲面，并根据叶背截面线数据，采用截面线拉伸法构造叶背曲面，采用沿曲面法向增厚法，向叶盆方向增厚叶尖减薄处理论厚度，同时确定叶尖减薄处曲面范围，建立叶片叶尖减薄处曲面的模型。

优选的，所述步骤二中，在叶片叶尖减薄处曲面模型上，按传统近似加工法确定加工轨迹的平面及其法线方向(即传统近似加工法确定的平面和这个平面的法向)，根据该法向建立若干平行平面(即平行于法向的平面)，作为辅助面，用于确定与加工进给方向垂直的叶尖减薄处曲面的分化曲线，分化曲线的数量应保证使用这些分化线构造的新曲面与叶尖减薄处曲面的偏差小于其加工要求公差的十分之一。

优选的，还包括步骤五，所述步骤四之后，对直线位置进行双点测量，确定叶尖减薄区的各直线余量，按照已定的余量，重复步骤四对叶尖减薄处曲面进行加工。一般情况下由于叶片叶背曲面的加工偏差，包括轮廓度波动、位置度波动以及扭转公差波动的叠加影响，按上述四个步骤完成的一个加工循环很可能无法满足要求的叶尖减薄区厚度公差要求，因此需要在一个加工循环之后对1-n(n代表直线数)直线位置进行双点测量，以确定叶尖减薄区的各直线余量，最后按照已定的余量，重复步骤四对叶尖减薄曲面进行加工，可以保证叶尖减薄曲面的加工精度。

本发明中的最小偏差原则是指：重新定义的直线应满足与分化曲线之间的偏差最小，进一步，使该偏差平均分配，避免单向偏差过大。最小偏差也可以理解为对分化曲线的直线近似。

本发明中的双点测量即利用两点确定一条直线原则进行测量。

本发明不是空间曲面常规加工方法，而是在传统近似方法基础上的新方法，需要先确定一个近似平面，在此基础上计算加工轨迹，但求的的加工轨迹并不在一个平面内，是一个空间轨迹。本发明也是一种近似加工方法，但是精度很高，理论误差可小于0.02mm(传统的近似加工方法其近似能力较差，针对较复杂叶片叶尖削边，理论误差会达到0.2mm以上)。

与传统方法相比，本发明的优点是：在三维建模软件中建立叶片叶尖减薄处曲面的模型，在三维模型中将叶尖减薄处曲面沿着加工走刀方向的法向分化定义若干曲线，曲线的数量根据叶尖减薄处曲面的范围及精度要求确定，一般要保证误差小于厚度公差的十分之一。再将获得的曲线按最小偏差原则，在走刀方向的法向平面内，重新定义为直线，这时相对于原始减薄处曲面也将产生一定的偏差，但是偏差量通常很小，可以忽略。然后根据双点测量的余量调节方法确定每条直线的余量，最后按照已定的余量对叶尖减薄处曲面进行加工，可以保证叶尖减薄处曲面的加工精度。

(a)通过步骤二的实施，将叶尖减薄处曲面的定义过程由原本步骤一中需要通过叶背截面线数据建立叶片叶尖减薄处曲面的过程，简化为步骤二中通过使用新定义的多条曲线1-N(N为曲线数量)构建的叶尖减薄处曲面B，使理论模型与叶尖减薄区的具体位置建立了直接的联系。

(b)通过步骤三的实施，将叶尖减薄处曲面B由多条曲线1-N定义简化为步骤三中叶尖减薄处曲面C由多条直线1-n定义，使叶尖减薄处曲面C作为数控加工驱动曲面时其各处法向失量具有一致性规律，可实现刀具侧刃加工直接驱动编程。

(c)通过步骤五的实施，可实现叶片叶背曲面轮廓实际波动的量化数据采集，确定叶尖减薄区的多条直线1-n的余量,保证数控直接加工叶尖减薄处曲面的加工精度在公差要求之内，即小于0.2mm。

附图说明

图1为叶片削尖减薄区域示意图，图中标注区域的曲面即为叶尖减薄处曲面；

图2为叶片削尖减薄区域局部放大示意图；

图3为步骤二的实施原理示意图，其中箭头为加工进给方向，多个平面为平行于传统加工方法确定的加工平面的法向的平面，在这些平行平面内建立叶尖减薄处曲面的多条分化曲线；

图4为由多条曲线构造的叶尖减薄处曲面B与原始叶尖减薄处曲面A的偏差检查示意图；

图5为多条分化曲线中的一条重新定义的直线(由于偏差较小，因此直接采用曲线的两个端点连接生成直线)；

图6为由多条直线生成的新的叶尖减薄处曲面C示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但所要求的保护范围并不局限于所述。

以某航空发动机转子叶片叶尖削边减薄区加工过程为例，叶片尺寸52mm×26mm×25mm，叶尖削边减薄处曲面加工区尺寸20mm×2mm×0.5mm，厚度公差H±0.1mm，转接圆角R0.5，叶背曲面本身允许0.08mm的轮廓波动，同时允许

的位置波动以及±12分的扭转公差带。现有的加工方法受叶尖削边减薄区结构限制，采用

球头立铣刀在三轴数控铣床上由减薄处曲面法向投影驱动加工，刀具成本高、加工时间长不说，由于叶背允许较大的波动公差，几乎无法加工出合格的叶片叶尖削边减薄区。

步骤一、如图1和图2，在三维建模软件UG中按照理论要求，建立完整叶身曲面，并根据叶背截面线数据，采用截面线拉伸法构造叶背曲面，采用沿曲面法向增厚法，向叶盆方向增厚叶尖减薄处理论厚度，并根据其他理论参数，确定叶尖减薄处曲面范围，建立叶片叶尖减薄处曲面A的模型。

步骤二、如图3和图4，在叶片叶尖减薄处曲面模型上，按传统近似加工法确定加工轨迹的平面及其法线方向，根据该法向建立若干平行平面，作为辅助面，用于确定与加工进给方向垂直的叶尖减薄处曲面A的7条分化曲线1-N(N代表分化曲线数，本实施例中N＝7)。分化曲线的数量应保证使用这些分化线构造的新曲面B与叶尖减薄处曲面A的最大偏差经检查为0.020mm，接近加工要求公差的十分之一。

步骤三、如图5，针对7条分化曲线1-N(N代表分化曲线数，本实施例中N＝7)中的每一条分化曲线，按最小偏差原则，在走刀方向的法向平面内(即上述的平行平面)，定义一条直线1-n(n代表直线数，本实施例中n＝7)。由于偏差较小，因此直接采用分化曲线的两个端点连接生成直线，新定义的直线与原曲线的偏差经检查，仅为0.005mm,小于加工要求公差的十分之一。

步骤四、如图6，使用新定义的7条直线1-n，构建新的叶尖减薄处曲面C,然后使用新的叶尖减薄处曲面C作为加工叶尖减薄处曲面的驱动体及理论实体，采用刀具侧刃驱动的加工方式生成加工程序，完成一个加工循环。

步骤五、由于叶片叶背曲面的加工偏差，包括轮廓度波动、位置度波动以及扭转公差波动的叠加影响，按上述四个步骤完成的一个加工循环很无法满足要求的叶尖减薄区厚度公差要求，因此需要在一个加工循环之后对7条直线1-n(n代表直线数，本实施例中n＝7)的直线位置进行双点测量，加工后减薄处曲面厚度大的直线位置，在加工平面内设定减薄的参数余量，加工后减薄处曲面厚度小的直线位置，在加工平面内设定增厚的参数余量，以确定叶尖减薄区的各直线余量(减薄处曲面的厚度)，最后按照已定的余量，重复步骤四对叶尖减薄处曲面进行加工，可以保证叶尖减薄处曲面的加工精度。

采用本发明后，改进为采用

圆壁立铣刀在四轴数控铣床上加工，将叶片叶尖削边减薄区置于第四轴回转工作台上，回转轴与主轴垂直，使叶尖削边减薄区加工进给方向与回转轴线平行。采用刀具侧刃驱动的加工方式，使刀具成本大幅下降，加工时间缩短到原来的10％，并且加工后仅需进行一次余量补偿，就能使叶尖削边减薄区厚度可控制在0.15mm的范围内，完全满足要求。

Claims (3)

1.一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在三维建模软件中建立叶片叶尖减薄处曲面的模型；

步骤二，在叶片叶尖减薄处曲面模型上，按传统近似加工法确定加工轨迹的平面及这个平面的法线方向，根据该法向建立若干平行于该法向的平面作为辅助面，用于确定与加工进给方向垂直的叶尖减薄处曲面的分化曲线，每一个所述平面与叶尖减薄处曲面相交形成一条分化曲线，分化曲线的数量应保证使用这些分化线构造的新曲面与叶尖减薄处曲面的偏差小于其加工要求公差的十分之一；

步骤三，将获得的每一条分化曲线按最小偏差原则，在所述平面内，重新定义为直线；

步骤四，使用步骤三中定义的多条直线，构建新的叶尖减薄处曲面，然后使用新的叶尖减薄处曲面为基础生成加工程序。

2.根据权利要求1所述的一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，其特征在于：所述步骤一中，在三维建模软件UG中建立完整叶身曲面，并根据叶背截面线数据，采用截面线拉伸法构造叶背曲面，采用沿曲面法向增厚法，向叶盆方向增厚叶尖减薄处理论厚度，同时确定叶尖减薄处曲面范围，建立叶片叶尖减薄处曲面的模型。

3.根据权利要求1所述的一种叶片叶尖削边减薄区的加工方法，其特征在于：还包括步骤五，在所述步骤四之后，对直线位置进行双点测量，确定叶尖减薄区的各直线余量，按照已定的余量，重复步骤四对叶尖减薄处曲面进行加工。

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