CN110110414B - 薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法，用于解决现有基于误差补偿的航空叶片加工方法加工精度差的技术问题。技术方案是将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘四部分，并针对不同的区域采用针对性的拟合方法，其中考虑到了弹性变形原理及曲线的连续性要求，以重构叶片的补偿几何模型。通过该模型生成的加工刀轨所加工的叶片降低了加工误差，提高了加工精度。经测试，采用本发明方法加工的叶片在叶盆面与叶背面的平均误差分别减小了74.9％与85.7％，前缘与后缘区域的平均误差减小了70.3％。

Description

薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法
技术领域
本发明涉及一种基于误差补偿的航空叶片加工方法，特别涉及一种薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法。
背景技术
薄壁叶片类零件作为叶片机中的关键零件广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高科技产品。由于该零件外形复杂、加工变形大，在数控加工中面临着巨大的挑战。为了提高该零件的加工精度，提出了各种补偿加工方法。
文献1“申请公布号是CN104096889A的中国发明专利”公开了一种基于误差补偿的航空叶片加工方法，该方法系统的介绍了通过物理仿真对叶片补偿加工的方法与步骤，为实施误差补偿提供了完善了参考。然而该方法的补偿方案相对落后，而且也没有考虑到叶片的关键区域，前缘与后缘在补偿加工中的计算。
文献2“申请公布号是CN102222149A的中国发明专利”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，该方法在叶片加工前对叶片理论数模进行重构，通过重构后的数模加工叶片。该方法虽然考虑了对叶片的整体建模，但在前后缘拟合时仅仅提到了拟合圆，并没有给出严格的算法。
发明内容
为了克服现有基于误差补偿的航空叶片加工方法加工精度差的不足，本发明提供一种薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法。该方法将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘四部分，并针对不同的区域采用针对性的拟合方法，其中考虑到了弹性变形原理及曲线的连续性要求，以重构叶片的补偿几何模型。通过该模型生成的加工刀轨所加工的叶片降低了加工误差，提高了加工精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1.将叶片按照理论几何模型进行精加工，得到叶片的误差几何分布。
步骤2.将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘曲线四部分，分别表示为CC、CV、LE和TE。
步骤2.1利用割线补偿算法计算叶盆区域的补偿切深，其迭代补偿计算公式如下，
Figure GDA0003496197380000021
其中，x为名义切削深度，y为实际切削深度，切深从余量面AL开始计算，H为初始加工余量，e为加工误差，k为补偿加工次数。
步骤2.2利用补偿切深计算叶盆和叶背对应的补偿点，表示为
Pc＝P+n(x-H)，
其中，Pc为补偿点，P为理论点，n为理论点的法向。利用曲线拟合算法得到补偿后的叶盆、叶背曲线，分别表示为CCc，CVc。
步骤2.3以理论前缘为基础，获取前缘点的切线，表示为L，并与延长后的补偿叶盆、叶背曲线形成半包围区域，在该区域内计算内切圆，并利用补偿后叶盆叶背的中弧线MLc，将内切圆的计算表示为
t(s)＝R(s)-d(s),
其中，t为内切圆的计算函数，s为中弧线的弧长参数，R为半径函数，d为圆心距离切线的距离函数。
当t为零或取得最小值时得到内切圆，也是补偿后的前缘，表示为LEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接；后缘和前缘相似，采用相同的方法计算得到补偿后的后缘，表示为TEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接。
步骤3.对叶片的所有截面线进行计算，最后扫掠得到补偿后的叶片几何模型。
本发明的有益效果是：该方法将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘四部分，并针对不同的区域采用针对性的拟合方法，其中考虑到了弹性变形原理及曲线的连续性要求，以重构叶片的补偿几何模型。通过该模型生成的加工刀轨所加工的叶片降低了加工误差，提高了加工精度。经测试，采用本发明方法加工的叶片在叶盆面与叶背面的平均误差分别减小了74.9％与85.7％，前缘与后缘区域的平均误差减小了70.3％。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例中叶盆、叶背补偿点的计算示意图。
图2是本发明方法实施例中前缘拟合的原理示意图。
具体实施方式
参照图1-2。本发明薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法具体步骤如下：
步骤1.将280×140×15mm叶片按照理论几何模型进行精加工，得到叶片的误差几何分布。
步骤2.将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘曲线四部分，分别表示为CC，CV，LE，TE。
步骤2.1利用割线补偿算法计算叶盆、叶背区域的补偿切深，其迭代补偿计算公式如下，
Figure GDA0003496197380000031
其中，x为名义切削深度，y为实际切削深度，切深从余量面AL开始计算，此时余量为0.5mm，e为加工误差，k为补偿加工次数。
步骤2.2利用补偿切深计算叶盆、叶背上对应的补偿点，表示为
Pc＝P+n(x-0.5)，
其中，Pc为补偿点，P为理论点，n为理论点的法向。利用曲线拟合算法得到补偿后的叶盆、叶背曲线，分别表示为CCc，CVc。
步骤2.3以理论前缘为基础，获取前缘点的切线，表示为L，并与延长后的补偿叶盆、叶背曲线形成半包围区域，在该区域内计算内切圆，并利用补偿后叶盆叶背的中弧线MLc，将内切圆的计算表示为
t(s)＝R(s)-d(s),
其中，t为内切圆的计算函数，s为中弧线的弧长参数，R为半径函数，d为圆心距离切线的距离函数。
计算当t＝0时s的取值，以此得到内切圆的圆心与半径，也是补偿后的前缘，表示为LEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接。后缘与前缘相似，采用对应的方法计算补偿后的后缘，表示为TEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接。
步骤3.对叶片的所有截面线按照以上方法计算，最后扫掠得到补偿后的叶片几何模型，并按照该模型进行数控加工。
本实施例中，在五轴数控加工中心上对叶片的补偿几何模型进行加工，并通过检测得到，相比于未补偿加工的叶片，采用该方法加工的叶片在叶盆面与叶背面的平均误差分别减小了74.9％与85.7％，前缘与后缘区域的平均误差减小了70.3％。
表1补偿前加工误差与本方法加工误差比较
Figure GDA0003496197380000041

Claims (1)

1.一种薄壁叶片加工误差补偿几何建模方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.将叶片按照理论几何模型进行精加工，得到叶片的误差几何分布；
步骤2.将叶片截面线划分为叶盆、叶背、前缘与后缘曲线四部分，分别表示为CC、CV、LE和TE；
步骤2.1利用割线补偿算法计算叶盆区域的补偿切深，其迭代补偿计算公式如下，
Figure FDA0003496197370000011
其中，x为名义切削深度，y为实际切削深度，切深从余量面AL开始计算，H为初始加工余量，e为加工误差，k为补偿加工次数，k＝0,1,…；
步骤2.2利用补偿切深计算叶盆和叶背上对应的补偿点，表示为
Pc＝P+n(x-H)，
其中，Pc为补偿点，P为理论点，n为理论点的法向；利用曲线拟合算法得到补偿后的叶盆、叶背曲线，分别表示为CCc，CVc；
步骤2.3以理论前缘为基础，获取前缘点的切线，表示为L，并与延长后的补偿叶盆、叶背曲线形成半包围区域，在该区域内计算内切圆，并利用补偿后叶盆叶背的中弧线MLc，将内切圆的计算表示为
t(s)＝R(s)-d(s),
其中，t为内切圆的计算函数，s为中弧线的弧长参数，R为半径函数，d为圆心距离切线的距离函数；
当t为零或取得最小值时得到内切圆，也是补偿后的前缘，表示为LEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接；后缘与前缘相似，采用相同的方法计算得到补偿后的后缘，表示为TEc，并且与补偿后的叶盆、叶背光滑连接；
步骤3.对叶片的所有截面线进行计算，最后扫掠得到补偿后的叶片几何模型。
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