CN111077846B - 一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法，属于航空发动机叶片的高品质精密制造技术领域，特别涉及到薄壁叶片余量去除与轨迹规划方法，用于控制薄壁叶片在数控加工中产生的弹性变形误差，以此提高叶片的加工精度。该方法针对加工过程中叶片曲面在不同位置的刚度变化，利用弹性变形原理与法向变形场，给出不同余量去除顺序的叶片变形程度的评定方法，并结合加工轨迹的连续性要求，给出变形最小的加工轨迹。采用该方法生成的加工轨迹进行加工后，叶片的加工误差有了明显的下降，提高了加工精度。

Description

一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法

技术领域

本发明属于航空发动机叶片高品质精密制造技术领域，特别涉及到薄壁叶片余量去除与轨迹规划方法，用于控制薄壁叶片在数控加工中产生的弹性变形误差，以此提高叶片的加工精度。

背景技术

叶片类零件是航空发动机的关键零件，具有外形复杂、易变形、加工难度大等特点。尤其是叶片型面的自由曲面与整体弱刚度的相互耦合，使得叶片在铣削过程中很难保证加工精度。

专利CN201410360136.3公开了一种薄壁件阶梯对称铣削加工方法，通过对薄壁类结构件采用阶梯状的非对称式铣削加工，保证未切削区域对切削区域的支撑，达到提高工件加工过程中的刚度，减小加工变形。然而该方法并不适用于自由曲面加工。专利CN201410526635.5公开了一种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法，以张量的方式度量曲面上任意切触点的切削宽度，以此提高加工效率。但该方法并没有考虑叶片类自由曲面的弱刚性问题，没有给出自由曲面类薄壁零件的切削轨迹规划方法。

因此，发明一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法显得非常必要。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法，通过叶片建模仿真技术获取叶片整体的刚度矩阵并计算目标曲面的变形场，同时将法向变形场作为动态加工过程中的变形计算基准，以此评定不同加工轨迹变形程度，最后结合加工轨迹的连续性要求给出变形最小的加工轨迹。

技术方案

一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将叶根装夹的叶片进行有限元划分，得到叶片的刚度矩阵K^G；

步骤2：依据叶片整体的刚度矩阵，计算待加工曲面的变形场；

步骤2.1：将叶片待加工曲面的有限元节点作为离散点{P₁,P₂,…,P_m}，并在离散点对应的法向N＝[n_x,n_y,n_z]^T施加单位力进行节点的位移测试，计算公式如下：

K^G(δ(P₁),δ(P₂),…,δ(P_m))＝(F(P₁),F(P₂),…,F(P_m))

其中，δ(P_m)表示为所有的节点在单位力F(P_m)的作用下的位移向量；

步骤2.2：选取离散点{P₁,P₂,…,P_m}对应的变形量{δ₁,δ₂,…,δ_m}，依据叶片曲面在弧长参数域的(u,v)方向，采用双线性插值计算待加工曲面的法向变形场G_n；

步骤2.3：考虑到变形误差被认定为法线方向的位移，变形误差的法向变形场表示为G_n,n：

G_n,n＝N^TG_n

步骤3：评定给定的加工轨迹变形程度，并规划最优的加工轨迹；

步骤3.1：将离散点{P₁,P₂,…,P_m}按照给定的加工轨迹组成与加工时刻s(s＝0,1,…,m)相关的序列，表示为：

CP＝[P_i,P_j,…,P_k]

其中，CP为加工轨迹序列；同时CP(s)＝P_i，用s＝0表示未加工；

步骤3.2：利用变形误差的法向变形场G_n,n计算不同加工时刻s下的局部变形量q(s)，公式如下，

步骤3.3：根据局部变形量计算全过程变形量Q，公式如下：

步骤4：对于不同的加工轨迹，相应的序列CP对应的全过程变形量Q最小的加工轨迹是加工变形最小的轨迹，且叶片类薄壁零件的最优加工轨迹就是从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹。

有益效果

本发明提出的一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法，该方法针对加工过程中叶片曲面在不同位置的刚度变化，利用弹性变形原理与法向变形场，给出不同余量去除顺序的叶片变形程度的评定方法，并结合加工轨迹的连续性要求，给出变形最小的加工轨迹。采用该方法生成的加工轨迹进行加工后，叶片的加工误差有了明显的下降，提高了加工精度。

采用该方法得到的薄壁叶片余量去除顺序可有有效的减小加工过程中的弹性变形误差，相比于平行于叶尖与叶根方向的平行切削轨迹，从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹的平均误差与最大误差分别减小了55.8％与71.7％，提高了加工精度。

附图说明

图1从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹

图2平行于叶尖与叶根方向的平行切削轨迹

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

步骤1.本实施例中，将50×40×1mm叶片在叶根装夹，并进行有限元划分，得到叶片的刚度矩阵K^G。

步骤2.依据叶片整体的刚度矩阵，计算待加工曲面的变形场。

步骤2.1将叶片待加工曲面的有限元节点作为离散点{P₁,P₂,…,P_m}，并在离散点对应的法向N＝[n_x,n_y,n_z]^T施加单位力进行节点的位移测试，计算公式如下，

K^G(δ(P₁),δ(P₂),…,δ(P_m))＝(F(P₁),F(P₂),…,F(P_m))

其中，δ(P_m)表示为所有的节点在单位力F(P_m)的作用下的位移向量。

步骤2.2选取离散点{P₁,P₂,…,P_m}对应的变形量{δ₁,δ₂,…,δ_m}，依据叶片曲面在弧长参数域的(u,v)方向，采用双线性插值计算待加工曲面的法向变形场G_n。

步骤2.3考虑到变形误差被认定为法线方向的位移，变形误差的法向变形场表示为G_n,n，

G_n,n＝N^TG_n

步骤3.评定给定的加工轨迹变形程度，并规划最优的加工轨迹。

步骤3.1.将离散点{P₁,P₂,…,P_m}按照给定的加工轨迹组成与加工时刻s(s＝0,1,…,m)相关的序列，表示为，

CP＝[P_i,P_j,…,P_k]

其中，CP为加工轨迹序列。同时CP(s)＝P_i，用s＝0表示未加工。

步骤3.2.利用变形误差的法向变形场G_n,n计算不同加工时刻s下的局部变形量q(s)，公式如下，

步骤3.3.根据局部变形量计算全过程变形量Q，公式如下，

步骤4.对于不同的加工轨迹，相应的序列CP对应的全过程变形量Q最小的加工轨迹是加工变形最小的轨迹。分别计算从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹与平行于叶尖与叶根方向的平行切削轨迹的全过程变形量Q₁与Q₂，分别是Q₁＝10.75与Q₂＝25.47。为了使全过程变形量Q最小，同时考虑到轨迹的连续性要求，叶片类薄壁零件的最优加工轨迹就是全过程变形量Q₁＝10.75的从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹。

本实施例中，在三轴数控机床上对叶片采用两种切削轨迹进行加工，并通过检测得到，相比于平行于叶尖与叶根方向的平行切削轨迹，从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹的平均误差与最大误差分别减小了55.8％与71.7％。

Claims (1)

1.一种薄壁叶片余量去除顺序规划方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将叶根装夹的叶片进行有限元划分，得到叶片的刚度矩阵K^G；

步骤2：依据叶片整体的刚度矩阵，计算待加工曲面的变形场；

步骤2.1：将叶片待加工曲面的有限元节点作为离散点{P₁，P₂，…，P_m}，并在离散点对应的法向N＝[n_x，n_y，n_z]^T施加单位力进行节点的位移测试，计算公式如下：

K^G(δ(P₁)，δ(P₂)，…，δ(P_m))＝(F(P₁)，F(P₂)，…，F(P_m))

其中，δ(P_m)表示为所有的节点在单位力F(P_m)的作用下的位移向量；

步骤2.2：选取离散点{P₁，P₂，…，P_m}对应的变形量{δ₁，δ₂，…，δ_m}，依据叶片曲面在弧长参数域的(u，v)方向，采用双线性插值计算待加工曲面的法向变形场G_n；

步骤2.3：考虑到变形误差被认定为法线方向的位移，变形误差的法向变形场表示为G_n，n：

G_n，n＝N^TG_n

步骤3：评定给定的加工轨迹变形程度，并规划最优的加工轨迹；

步骤3.1：将离散点{P₁，P₂，…，P_m}按照给定的加工轨迹组成与加工时刻s相关的序列，s＝0，1，…，m，表示为：

CP＝[P_i，P_j，…，P_k]

其中，CP为加工轨迹序列；同时CP(s)＝P_i，用s＝0表示未加工；

步骤3.2：利用变形误差的法向变形场G_n，n计算不同加工时刻s下的局部变形量q(s)，公式如下，

步骤3.3：根据局部变形量计算全过程变形量Q，公式如下：

步骤4：对于不同的加工轨迹，相应的序列CP对应的全过程变形量Q最小的加工轨迹是加工变形最小的轨迹，且叶片类薄壁零件的最优加工轨迹就是从叶尖向叶根行进给的平行切削轨迹。

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