CN109590523B - 一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法 - Google Patents

一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法。该方法预先考虑叶片铣削加工引起的扭转和弯曲变形，基于叶型检测数据修正设计模型，构建供编程使用的叶片工艺模型，采用粗精分层交替加工策略进行加工，增强叶片铣削刚性，使整体叶盘叶片的扭转角和位置度满足设计规定的公差要求，提升叶片加工精度和表面质量，保证整体叶盘的结构强度和气动性能。

Description

一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法
技术领域
本发明涉及航空发动机整体叶轮加工技术领域，特别涉及一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法。
背景技术
为提升气动效率和增大压缩比，整体叶盘叶片逐渐采用带有弯、掠、扭特征的复杂叶片构型，叶片呈现出长悬臂、大扭转、弯掠组合的结构特点，在铣削过程中整体叶盘易出现较大的扭转和弯曲变形。同时，整体叶盘采用钛合金等难加工材料，铣叶型时已加工表面回弹量大，导致扭转和弯曲变形加剧。在加工过程中，不仅需要实时保证铣削位置的加工刚性，还要考虑自上而下加工时已加工表面受切削力等外力作用及应力释放引起的扭转变形和弯曲变形。整体叶盘现有的填充材料、分段、分层等加工技术，通常基于叶片设计模型直接生成数控加工程序，未能考虑已加工表面在自上而下加工时产生的扭转及弯曲变形给叶片加工精度带来的影响。该方法预先考虑叶片扭转及弯曲变形，重构叶片工艺模型，结合粗开槽刀轨与精铣刀轨层数比例值较大的分层交替高刚性加工策略，最终获得较好的表面质量和形位精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法，具体技术方案如下：
步骤1：分析叶片变形特点；
根据理论位置建立整体叶盘叶片检测坐标系，获取所有叶片各截面检测数据，分析叶片宏观变形特点，待修正的叶片变形应具有如下特点：从叶根到叶尖方向，叶片的扭转变形逐渐增大且变形方向一致，叶片的弯曲变形逐渐增大且变形方向一致；
步骤2：选取叶片扭转变形的角度修正量和修正方向；
步骤2.1：沿叶根到叶尖方向，可检测叶片截面为Si，i＝1,2…k，沿叶盘周向，叶片为Bj，j＝1,2…t；统计叶片Bj中截面Si的扭转角偏差Wij，Wij为叶片扭转角实测值与理论值的差值，在不同叶片的同一截面中取最大扭转角偏差Wimax＝max(Wij)；
步骤2.2：沿叶根到叶尖方向，依次统计分析叶片截面的最大扭转角偏差，找到叶片截面Su，使截面Su中最大扭转角偏差Wumax的绝对值开始不小于该截面扭转角公差的1/4，将截面Su作为扭转变形修正的起始截面，截面S1到截面Su的扭转变形的角度修正量为零；
步骤2.3：叶尖截面Sk作为扭转变形修正的终止截面，针对叶尖截面Sk的最大扭转角偏差，选取截面Sk的扭转变形的角度修正量，使修正后的最大扭转角偏差Wkmax达到该截面的扭转角公差要求；
步骤2.4：对于起始截面Su和终止截面Sk之间的截面，其扭转变形的角度修正量依据起始截面和终止截面角度修正量的线性插值获得；
步骤2.5：依据检测数据，从起始截面Su到终止截面Sk，按实测扭转角相对理论扭转角旋转的反方向进行修正；
步骤3：选取叶片弯曲变形的位移修正量和修正方向；
步骤3.1：在叶型检测坐标系中，统计叶片Bj中截面Si的实际位置相对理论位置的偏差Δxij和Δyij,以及位置度Pij，
Figure BDA0001879314390000031
在不同叶片的同一截面Si中取最大位置度Pimax＝max(Pij)；
步骤3.2：沿叶根到叶尖方向，依次统计分析叶片截面的最大位置度，找到截面Sv,使Pvmax开始不小于该截面位置度公差的2/3，将Sv作为叶片弯曲变形修正的起始截面，截面S1到截面Sv的弯曲变形修正量为零；
步骤3.3：叶尖截面Sk作为弯曲变形修正的终止截面，确定叶尖截面Sk弯曲变形的修正量，使修正后的最大位置度偏差Pkmax在位置度公差范围内；
步骤3.4：对于弯曲变形起始截面Sv和终止截面Sk之间的截面，其弯曲变形的位移修正量依据起始截面和终止截面位移修正量的线性插值获得；
步骤3.5：依据检测数据，从起始截面Sv到终止截面Sk，按实测位置相对理论位置偏移的反方向进行修正；
步骤4：构建叶片工艺模型；
基于通用CAD/CAM软件，根据叶片截面Si(i＝1,2…k)中扭转变形的角度修正量及其修正方向、弯曲变形的位移修正量及其修正方向，按照先绕积叠轴旋转、后在截面所属平面内平移的修正原则，依次对叶片理论截面进行修正，生成供编程使用的叶片工艺模型；检查叶片工艺模型的曲面光顺度，保证叶片曲面无造型缺陷；
步骤5：选取加工余量；
根据整体叶盘叶片的叶展长度、叶片最大厚度及硬度等材料特性，确定粗开槽为精铣预留的加工余量；从叶尖到叶根，叶片粗开槽为精铣预留塔形余量，叶尖余量应不大于叶根余量，塔形余量的范围在0.1mm～0.35mm之间；
步骤6：选取等深度层铣方式，编制叶片粗开槽及精铣程序；
利用修正后的叶片工艺模型，采用等深度层铣方式分别编制整体叶盘叶片粗开槽程序及叶片精铣程序，依据刀具寿命、刀具半径和叶片表面粗糙度要求，确定加工整个叶片的精铣刀轨层数和粗开槽刀轨层数；
为保证粗开槽和精铣能够分层交替加工，应确保精铣刀轨层数是粗开槽刀轨层数的整数倍,且精铣刀轨与粗开槽刀轨的层数比一般选择2或3，同时每进行一层粗铣随即按比例进行相应层数的精铣；
步骤7：生成叶片粗开槽和精铣分层交替加工刀具轨迹；
整体叶盘叶片粗开槽程序及叶片精铣程序确定后，手动或自动对两种程序进行分层交替处理，使粗开槽和精铣分层交替进行；粗开槽每层程序标记为Ri(i＝1,2…m)，精铣每层程序标记为Fj(j＝1,2…n)；在叶片精铣刀轨与粗开槽刀轨的层数比为2、每进行一层粗铣随即按比例进行精铣的条件下，分层交替处理后加工顺序如下：R1，F1，F2，R2，F3，F4,…，Rm,Fn-1,Fn；
步骤8：使用粗开槽与精铣分层交替加工程序，加工零件，并再次进行三坐标检测，检查叶片扭转及弯曲变形是否修正到位。若未修正到位，可按步骤1-步骤4重新修正叶片模型。
本发明的有益效果：本发明的技术方案中将预先考虑叶片铣削加工引起的扭转和弯曲变形，通过分截面反向修正方法构建叶片工艺模型，结合粗开槽刀轨与精铣刀轨层数比例值较大的分层交替加工策略，有效提高了叶片铣削刚性，减小了叶片扭转及弯曲等加工变形，使带有大弯掠、大扭转构型特征的整体叶盘叶片的表面质量和加工精度满足设计要求，从制造层面上保证了整体叶盘叶片的结构强度和气动性能。同时，该方法可在铣加工后获得较小的叶片扭转角偏差和位置度偏差，为振动光饰、喷丸、激光强化等后续工序留有一定的允许变形量。
附图说明
图1为叶片截面扭转角偏差及修正方向示意图；
图2为叶片截面位置度偏差及修正方向示意图；
图3为叶片进气边前掠部位修正前后局部放大示意图；
图4为粗开槽为精铣预留塔形余量示意图；
图5为叶片粗开槽和精铣分层交替刀具轨迹示意图。
图中，1-扭转变形前叶片截面理论位置、2-扭转变形后叶片截面实测位置、3-扭转角偏差、4-扭转变形修正方向、5-弯曲变形前叶片截面理论位置、6-弯曲变形后叶片截面实测位置、7-弯曲变形修正方向、8-修正前叶片模型、9-修正后叶片模型、10-叶片最终轮廓、11-叶片粗开槽后轮廓、12-叶尖余量、13-叶根余量、14-粗开槽刀具轨迹、15-精铣刀具轨迹。
具体实施方式
如图1-5所示本发明用于控制某整体叶盘在铣削过程中产生的扭转及弯曲变形。该整体叶盘叶片采用较低硬度的钛合金材料，叶展长度133mm，相邻叶片最小间距约18mm，前后缘R为1.2mm，从叶片截面S7到叶片截面S21可进行检测。按如下步骤进行：
步骤1：分析叶片变形特点；
整体叶盘叶片属于悬臂结构，叶片实体变形存在连续性。该整体叶盘叶片变形具有如下特点：从叶根到叶尖方向，叶片的扭转变形逐渐增大，进气边向叶背侧扭转，排气边向叶盆侧扭转；叶片的弯曲变形逐渐增大，叶盆侧向叶背侧弯曲。
步骤2：选取叶片扭转变形的角度修正量和修正方向；
步骤2.1：统计可检测截面的扭转角偏差，在所有叶片中截面S7-S23的最大扭转角偏差为
截面 S<sub>7</sub> S<sub>9</sub> S<sub>11</sub> S<sub>13</sub> S<sub>15</sub> S<sub>17</sub> S<sub>19</sub> S<sub>21</sub>
最大扭转角偏差 0.027 0.053 0.072 0.098 0.133 0.176 0.228 0.273
步骤2.2：该整体叶盘叶片的扭转允许范围±0.25°，扭转公差0.5°；沿叶根到叶尖方向找到叶片截面S15，截面S15中最大扭转角偏差的绝对值开始不小于该截面扭转公差的1/4，将截面S15作为扭转变形修正的起始截面，截面S1到截面S15的扭转变形的角度修正量为零；
步骤2.3：叶尖截面S21作为扭转变形修正的终止截面，选取截面S21的扭转变形的角度修正量为0.08°，使修正后的最大扭转角偏差0.193°在扭转公差范围内；
步骤2.4：通过线性插值，可获得截面S16、S17、S18、S19、S20的角度修正量分别为0.013°、0.026°、0.039°、0.053°、0.067°；
步骤2.5：依据检测数据，从起始截面S15到终止截面S21，按实测扭转角相对理论扭转角旋转的反方向进行修正，如图1所示；
步骤3：选取叶片弯曲变形的位移修正量和修正方向；
步骤3.1：统计可检测截面的位置偏差,在所有叶片中截面S7-S21的最大位置度为
截面 S<sub>7</sub> S<sub>9</sub> S<sub>11</sub> S<sub>13</sub> S<sub>15</sub> S<sub>17</sub> S<sub>19</sub> S<sub>21</sub>
最大位置度 0.057 0.077 0.095 0.135 0.208 0.291 0.382 0.477
步骤3.2：截面7的位置度公差为0.2mm，截面S21的位置度公差为0.35mm，其余截面的位置度公差可按线性插值计算；沿叶根到叶尖方向，找到截面S15的最大位置度开始不小于该截面位置度公差的2/3，将截面S15作为叶片弯曲变形修正的起始截面，截面1到截面S15的弯曲变形的位移修正量为零；
步骤3.3：叶尖截面S21作为弯曲变形修正的终止截面，选定叶尖截面S21的位移修正量为0.141mm，使修正后的最大位置度偏差0.336mm在位置度公差范围内；
步骤3.4：通过线性插值，可获得截面S16、S17、S18、S19、S20的位移修正量分别为0.026mm、0.047mm、0.071mm、0.094mm、0.118mm；
步骤3.5：依据检测数据，从起始截面S15到终止截面S21，按实测位置相对理论位置偏移的反方向进行修正，如图2所示；
步骤4：构建叶片工艺模型；
基于通用CAD/CAM软件，根据叶片各截面中扭转变形的角度修正量及其修正方向、弯曲变形的位移修正量及其修正方向，按照先绕积叠轴旋转、后在截面所属平面内平移的修正原则，依次对叶片理论截面进行修正，生成供编程使用的叶片工艺模型，如图3所示；检查叶片工艺模型的曲面光顺度，保证叶片曲面无造型缺陷；
步骤5：选取加工余量；
根据整体叶盘叶片的叶展长度、叶片最大厚度及硬度等材料特性，叶片粗开槽为精铣预留塔形余量,如图4所示，选取叶尖余量为0.15mm，叶根余量为0.25mm；
步骤6：选取等深度层铣方式，编制叶片粗开槽及精铣程序；
利用修正后的叶片工艺模型，采用等深度层铣方式分别编制整体叶盘叶片粗开槽程序及叶片精铣程序；依据刀具寿命、刀具半径和叶片表面粗糙度要求，确定加工整个叶片的精铣刀轨层数为426，粗开槽刀轨层数213，精铣刀轨与粗开槽刀轨的层数比为2，每进行一层粗铣随即进行2层精铣；
步骤7：生成叶片粗开槽和精铣分层交替加工刀具轨迹,如图5所示；粗开槽每层程序标记为Si(i＝1,2…m)，精铣每层程序标记为Fj(j＝1,2…n)，分层交替处理后加工顺序如下：R1，F1，F2，S2，F3，F4,…，R213,F425,F426。
步骤8：使用粗铣与精铣分层交替加工程序，加工零件，并再次进行三坐标检测，叶片的扭转变形及弯曲变形明显减小，满足叶型设计要求。

Claims (1)

1.一种整体叶盘叶片扭转及弯曲变形的反向修正方法，其特征在于，如下步骤：
步骤1：分析叶片变形特点；
根据理论位置建立整体叶盘叶片检测坐标系，获取所有叶片各截面检测数据，分析叶片宏观变形特点，待修正的叶片变形应具有如下特点：从叶根到叶尖方向，叶片的扭转变形逐渐增大且变形方向一致，叶片的弯曲变形逐渐增大且变形方向一致；
步骤2：选取叶片扭转变形的角度修正量和修正方向；
步骤2.1：沿叶根到叶尖方向，可检测叶片截面为Si，i＝1,2…k，沿叶盘周向，叶片为Bj，j＝1,2…t；统计叶片Bj中截面Si的扭转角偏差Wij，Wij为叶片扭转角实测值与理论值的差值，在不同叶片的同一截面中取最大扭转角偏差Wimax＝max(Wij)；
步骤2.2：沿叶根到叶尖方向，依次统计分析叶片截面的最大扭转角偏差，找到叶片截面Su，使截面Su中最大扭转角偏差Wumax的绝对值开始不小于该截面扭转角公差的1/4，将截面Su作为扭转变形修正的起始截面，截面S1到截面Su的扭转变形的角度修正量为零；
步骤2.3：叶尖截面Sk作为扭转变形修正的终止截面，针对叶尖截面Sk的最大扭转角偏差，选取截面Sk的扭转变形的角度修正量，使修正后的最大扭转角偏差Wkmax达到该截面的扭转角公差要求；
步骤2.4：对于起始截面Su和终止截面Sk之间的截面，其扭转变形的角度修正量依据起始截面和终止截面角度修正量的线性插值获得；
步骤2.5：依据检测数据，从起始截面Su到终止截面Sk，按实测扭转角相对理论扭转角旋转的反方向进行修正；
步骤3：选取叶片弯曲变形的位移修正量和修正方向；
步骤3.1：在叶型检测坐标系中，统计叶片Bj中截面Si的实际位置相对理论位置的偏差Δxij和Δyij,以及位置度Pij，
Figure FDA0002381354500000021
在不同叶片的同一截面Si中取最大位置度Pimax＝max(Pij)；
步骤3.2：沿叶根到叶尖方向，依次统计分析叶片截面的最大位置度，找到截面Sv,使Pvmax开始不小于该截面位置度公差的2/3，将Sv作为叶片弯曲变形修正的起始截面，截面S1到截面Sv的弯曲变形修正量为零；
步骤3.3：叶尖截面Sk作为弯曲变形修正的终止截面，确定叶尖截面Sk弯曲变形的修正量，使修正后的最大位置度偏差Pkmax在位置度公差范围内；
步骤3.4：对于弯曲变形起始截面Sv和终止截面Sk之间的截面，其弯曲变形的位移修正量依据起始截面和终止截面位移修正量的线性插值获得；
步骤3.5：依据检测数据，从起始截面Sv到终止截面Sk，按实测位置相对理论位置偏移的反方向进行修正；
步骤4：构建叶片工艺模型；
基于通用CAD/CAM软件，根据叶片截面Si(i＝1,2…k)中扭转变形的角度修正量及其修正方向、弯曲变形的位移修正量及其修正方向，按照先绕积叠轴旋转、后在截面所属平面内平移的修正原则，依次对叶片理论截面进行修正，生成供编程使用的叶片工艺模型；检查叶片工艺模型的曲面光顺度，保证叶片曲面无造型缺陷；
步骤5：选取加工余量；
根据整体叶盘叶片的叶展长度、叶片最大厚度及硬度的材料特性，确定粗开槽为精铣预留的加工余量；从叶尖到叶根，叶片粗开槽为精铣预留塔形余量，叶尖余量应不大于叶根余量，塔形余量的范围在0.1mm～0.35mm之间；
步骤6：选取等深度层铣方式，编制叶片粗开槽及精铣程序；
利用修正后的叶片工艺模型，采用等深度层铣方式分别编制整体叶盘叶片粗开槽程序及叶片精铣程序，依据刀具寿命、刀具半径和叶片表面粗糙度要求，确定加工整个叶片的精铣刀轨层数和粗开槽刀轨层数；
为保证粗开槽和精铣能够分层交替加工，应确保精铣刀轨层数是粗开槽刀轨层数的整数倍,且精铣刀轨与粗开槽刀轨的层数比一般选择2或3，同时每进行一层粗铣随即按比例进行相应层数的精铣；
步骤7：生成叶片粗开槽和精铣分层交替加工刀具轨迹；
整体叶盘叶片粗开槽程序及叶片精铣程序确定后，手动或自动对两种程序进行分层交替处理，使粗开槽和精铣分层交替进行；粗开槽每层程序标记为Ri(i＝1,2…m)，精铣每层程序标记为Fj(j＝1,2…n)；在叶片精铣刀轨与粗开槽刀轨的层数比为2、每进行一层粗铣随即按比例进行精铣的条件下，分层交替处理后加工顺序如下：R1，F1，F2，R2，F3，F4,…，Rm,Fn-1,Fn；
步骤8：使用粗开槽与精铣分层交替加工程序，加工零件，并再次进行三坐标检测，检查叶片扭转及弯曲变形是否修正到位；若未修正到位，可按步骤1-步骤4重新修正叶片模型。
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