CN110704972A - 一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法，包括：步骤S1，对叶片进行分层处理，获取叶片模型在不同高度时叶缘处为“A”字型和“n”字型的轮廓曲线；步骤S2：确定叶片加工轨迹的端点；步骤S3：规划叶片厚度与旋转角度，包括：步骤S31，求取所述轮廓曲线的主方向角α_主；步骤S32，求解叶片厚度d；步骤S33，求取叶缘处为“A”字型时叶片加工所需要旋转的角度；步骤S34，求取叶缘处为“n”字型时叶片加工所需要旋转的角度。本发明减小了超声滚压力产生的叶片形变，提升了加工效率，同时也提高了叶片加工的精度。

Description

一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法

技术领域

本发明涉及叶片加工制造领域，更具体地涉及一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法。

背景技术

叶片是飞机发动机的重要组成部件，它的表面质量直接影响到发动机的服役性能。在高温高压高速的工作环境中，叶片易产生各种缺陷，如裂纹、磨损、扭曲、烧蚀等。叶片存在着巨大的经济与社会利益价值，世界各国都投入大量人力、物力和财力研究叶片的寿命提升技术，基本的方法就是通过表面超塑性制造，形成安全服役保障的寿命提升。

超声滚压技术是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。相较于传统表面纳米化方法，该方法可以产生更深的残余压应力层和应变硬化层。

超声滚压在钛合金、40Cr和双相不锈钢等材料中得到了应用。然而，传统的超声滚压技术大多用于细长杆、薄壁件等零件。发动机叶片表面为自由曲面，表面形状变化复杂。如果采用单侧超声表面滚压处理，不仅加工效率低，而且需要在叶片表面施加300N左右的恒定压力，这一恒定压力会引起叶片变形，从而影响加工质量。

在双侧超声表面滚压处理的情况下，首先分别确定叶片背弧面与内弧面的两个加工端点，然后使双加工头紧贴背弧面与内弧面从一个加工端点同步运动至另一个加工端点。在实际操作中，以一侧加工头的运动路径为基准，该侧的加工头必然能达到加工端点。但若不对叶片的旋转角度进行合理规划协调，在双加工头同步运动的情况下则无法保证另一侧加工头的正确运动，加工头可能会覆盖到叶缘内部区域(如图1a所示)或为达到加工端点造成未加工(如图1b所示)。

发明内容

为了解决现有技术中单侧超声表面滚压处理加工效率低和加工质量差的问题，本发明提供一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法。

本发明提供的一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法，包括：步骤S1，对叶片进行分层处理，获取叶片模型在不同高度时叶缘处为“A”字型和“n”字型的轮廓曲线；步骤S2：确定叶片加工轨迹的端点；步骤S3：规划叶片厚度与旋转角度，步骤S31，求取所述轮廓曲线的主方向角α_主；步骤 S32，求解叶片厚度d；步骤S33，求取叶缘处为“A”字型时叶片加工所需要旋转的角度；步骤S34，求取叶缘处为“n”字型时叶片加工所需要旋转的角度。

所述步骤S1包括：步骤S11：确定加工轨迹方向为叶宽方向；步骤 S12：确定加工区域，设置需要加工的叶片高度区间的最大和最小值，并将分层起点设置于该最小值；步骤S13：确定分层截取间隔；步骤S14：截取叶片轮廓曲线；步骤S15：判断当前高度是否达到所设置的高度区间最大值，若未达到则增加一个截取间隔继续截取叶片轮廓曲线，若达到则进入步骤 S2。

所述步骤S2确定加工轨迹端点采用半径比较算法。

所述步骤S33中叶缘处为“A”字型时叶片加工所需要旋转的角度为

其中，α_主为所述轮廓曲线的主方向角。

所述步骤S34包括：步骤S341，将叶身大部分区域设为主方向段，靠近前、后缘的区域设为垂直段，在主方向段和垂直段之间的区域设为过渡段；步骤S342，所述主方向段叶片加工旋转角度计算方法与所述步骤S33一致；步骤S343，所述垂直段叶片加工旋转角度为零；步骤S344：在所述过渡段上取两点P和Q，其中，P点为垂直段终点，Q点为主方向段起点，设P、Q 两点之间有m个加工点，则叶片以角度

为间隔旋转；其中β为 Q点处的主方向角。

所述步骤S13中分层截取间隔的取值范围为0.08mm至0.13mm。

本发明提出的叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法，首先截取叶片模型在不同高度时的轮廓曲线，其次确定加工端点，然后规划叶片加工旋转角度，最后以层层递进的方式完成全部加工。本发明通过对双侧加工轨迹的协调规划，同时完成叶片背弧面与内弧面的超声滚压强化,减小了超声滚压力产生的叶片形变，提升了加工效率，同时也提高了叶片加工的精度。

附图说明

图1(a)和图1(b)示出采用双侧加工时两种加工不当情况的对比例。

图2是按照本发明叶片模型在不同高度时获取的轮廓曲线图。

图3是按照本发明三种典型的叶片截面轮廓曲线图。

图4是按照本发明叶缘与叶身交界处放大示意图。

图5是按照本发明的主方向角求解示意图。

图6是按照本发明的叶片厚度求解示意图。

图7是按照本发明的叶缘处为“n”字型和“A”字型加工示意图。

图8是“n”字型前、后缘加工盲区示意图。

图9是按照本发明的叶缘处为“n”字型时叶片加工旋转角度规划示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述，应该理解，以下实施例仅用以说明而并非限制本发明。

本发明提供的叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法具体包括以下步骤：

步骤S1：对叶片进行分层处理以获取叶片模型在不同高度时的轮廓曲线如图2所示，具体包括:

步骤S11：确定加工轨迹方向。叶片加工轨迹可沿叶宽或叶高方向设计:叶高方向轨迹换向次数少，但单次运动轨迹长，加工幅度大，累积误差较高；叶宽方向加工轨迹短，加工幅度小，累积误差小。故本实施例采取叶宽方向为轨迹设计方向。将叶片模型置于XY平面上，Z轴代表叶高方向，加工时叶片绕Z轴旋转。

步骤S12：确定加工区域。选取需要加工的区域，设置叶片高度区间的最大最小值，并将分层起点设置于高度最小值。

步骤S13：确定分层厚度，即分层截面间隔。分层厚度决定了加工效率与加工质量。大的分层厚度，加工效率更高，而加工质量稍次。为兼顾加工效率与加工质量，在本实施例中设置为0.1mm。对于不同实施例，分层厚度的取值范围可以在0.08mm到0.13mm之间。

步骤S14：开始截取叶片模型，所得无数交集线段连接构成了该平面处模型的轮廓曲线。

步骤S15：判断当前高度是否达到所设置的高度区间最大值。若未达到则增加一个截取间隔，如0.1mm，若达到即分层结束。

由于叶片型面复杂且其厚度随叶高方向在不断变化，因此每层轮廓曲线其构造皆不一样。叶片从底部到叶尖，其截面形状随高度不规则变化，图 3显示了三种典型的叶片截面轮廓曲线：图3(a)为叶片根部榫头处，该处用于连接叶片与叶盘，其叶片厚度较大。前缘与后缘的形状均类似于“n”字形，宽大，叶身区域厚度变化平缓。图3(b)为叶片中部区域横截面，该处由叶根逐渐过渡，前缘处类似于“A”字形，细尖。叶身区域厚度变化较大，总体趋势为中间厚度大，后缘处厚度次之，靠近前缘处厚度较小。图3(c)为叶片顶端处截面轮廓曲线，此处截面形状狭长，厚度极薄，前、后缘形状皆类似于“A”型。

步骤S2：确定加工轨迹的端点。

在步骤S1中，叶片的三维模型已经转换为一层层间隔相等的轮廓曲线，这些曲线即为一层层连续均匀的加工截面轮廓线。飞机发动机叶片在高温、高压、高负载等恶劣工作环境下，叶身区域易发生损坏，故需要进行超声滚压强化加工。在强化加工过程中，每一层加工轨迹的端点选择极为重要，要求端点位于叶缘与叶身交界处(叶缘为非加工区域)，且层与层之间的临近端点不能有大幅度波动。

本发明采用半径比较算法来确定加工轨迹端点，该方法可以找出任意叶缘与叶身交界的端点。其原理如下：步骤S1所得的叶片轮廓曲线由无数个连续线段组成，取线段的端点，连续三个点可以确定一个圆。图4为叶缘与叶身交界处的放大示意图，A、B、C为叶身区域的连续三点，由于叶身区域曲率较小，根据A、B、C三点做出的圆半径较大，取为R2。D、E、F为叶缘区域的连续三点，由于叶缘处曲率较大，根据D、E、F三点做出的圆半径较小，取为R1。当R1<3mm且R2>＝3mm时，即可确定该层叶片轮廓曲线的加工端点为D。特别地，由于前、后缘近似为一圆弧，其圆弧半径小于 3mm，因此前、后缘处的加工端点即为该圆弧两端。叶片轮廓曲线单层的加工端点确定后，再根据设置的分层间隔逐层生成所有加工端点。

在加工过程中，叶片绕Z轴旋转，双加工头则由同步电机控制对叶片两侧同时进行加工，减小了单侧加工时引起的叶片形变。由于叶片两侧的形状不同，因此双加工头的加工轨迹也不同。以一侧加工头的加工轨迹为基准，另一侧加工头的加工轨迹则由叶片加工旋转角度和对应的叶片厚度共同确定。

因此，步骤S3：规划叶片厚度与旋转角度。

首先，步骤S31，求取主方向角。在此提出叶片主方向概念，叶片主方向为可以用此方向代替叶片轮廓两侧曲线的综合走向趋势。因为叶片两侧曲线皆不规则对称，故它们的综合走向即主方向也在不断变化。主方向的具体求解方法如图5所示，求取相应区域的轮廓曲线角度平均值，以此为主方向角α_主。在叶身大部分区域的加工过程中保持加工头之间的水平连线与主方向实时垂直实现双侧协调加工。

叶片厚度求解步骤S32为：过叶身区域一点M做垂直于对应该点主方向的直线，交轮廓曲线另一侧于N点，则MN对应的线段长度为叶片的厚度 d，如图6所示。

经前文分析，叶片的截面形状除在榫头处前、后缘为“n”字型外，其余地方前、后缘均为“A”字型，或者两处叶缘一个为“n”字型而另一个为“A”字型。因此，分两种情况讨论，如图7所示：

当叶缘处为“A”字型时

步骤S33，求取加工过程中叶片所需要旋转的角度为：此种情况下，叶片旋转后位于加工点处的主方向与双加工头水平连线保持实时垂直，加工盲区大幅度减小，满足加工需求。

2)当叶缘处为“n”字型时

对于“n”字形叶缘区域，步骤S33所述的方法仍然无法满足加工要求。如图8所示，当以加工头水平连接线垂直于主方向角度进行加工时，左侧加工头已达到该侧加工区域端点，但右侧仍然出现有加工盲区存在。

因此，步骤S341，将加工区域分段，如图9所示，叶身大部分区域为主方向段，靠近叶缘的区域为垂直段，在主方向段和垂直段之间的区域为过渡段，然后对这三段进行不同的旋转角度规划。

步骤S342：对于主方向段，旋转角度规划方法与步骤S33一致。

步骤S343：在垂直段内，叶片不发生旋转即可保证加工头到达两端加工区域的加工端点。

步骤S344：过渡段用以从垂直段变换到主方向段时旋转角度平滑过渡。如图9所示，在过渡段区域内，P点处为垂直段终点，此处叶片不发生旋转，其旋转角度为零；Q点为主方向段起点，计算出该位置的主方向角为β，进一步得出其对应的旋转角度为

若P、Q两点之间有m个加工点，则每两个相邻加工点的旋转角度差值为：

由此，叶片的旋转角度在过渡段区域内以θ_差为间隔，从垂直段终点到主方向起点线性变化，平稳过渡。

规划完成单层加工轨迹之后，接下来以层层递进的方式进行加工，加工头按照“之”字形轨迹连续运动。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种叶片表面双侧超声滚压加工轨迹协调方法，其特征在于，包括：

步骤S1，对叶片进行分层处理，获取叶片模型在不同高度时叶缘处为“A”字型和“n”字型的轮廓曲线；

步骤S2：确定叶片加工轨迹的端点；

步骤S3：规划叶片厚度与旋转角度，包括：

步骤S31，求取所述轮廓曲线的主方向角α_主；

步骤S32，求解叶片厚度d；

步骤S33，求取叶缘处为“A”字型时叶片加工所需要旋转的角度；

步骤S34，求取叶缘处为“n”字型时叶片加工所需要旋转的角度。

2.根据权利要求1所述的加工轨迹协调方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11：确定加工轨迹方向为叶宽方向；

步骤S12：确定加工区域，设置需要加工的叶片高度区间的最大和最小值，并将分层起点设置于该最小值；

步骤S13：确定分层截取间隔；

步骤S14：截取叶片轮廓曲线；

步骤S15：判断当前高度是否达到所设置的高度区间最大值，若未达到则增加一个截取间隔继续截取叶片轮廓曲线，若达到则进入步骤S2。

3.根据权利要求1所述的加工轨迹协调方法，其特征在于，所述步骤S2确定加工轨迹端点采用半径比较算法。

4.根据权利要求1所述的加工轨迹协调方法，其特征在于，所述步骤S33中叶缘处为“A”字型时叶片加工所需要旋转的角度为

其中，α_主为所述轮廓曲线的主方向角。

5.根据权利要求1所述的加工轨迹协调方法，其特征在于，所述步骤S34包括：

步骤S341，将叶身大部分区域设为主方向段，靠近叶缘的区域设为垂直段，在主方向段和垂直段之间的区域设为过渡段；

步骤S342，所述主方向段叶片加工旋转角度计算方法与所述步骤S33一致；

步骤S343，所述垂直段叶片加工旋转角度为零；

步骤S344：在所述过渡段上取两点P和Q，其中，P点为垂直段终点，Q点为主方向段起点，设P、Q两点之间有m个加工点，则叶片以角度

为间隔旋转；其中β为Q点处的主方向角。

6.根据权利要求2所述的加工轨迹协调方法，其特征在于，所述步骤S13中分层截取间隔的取值范围为0.08mm至0.13mm。

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