CN111159825B - 一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法，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的弹性变形误差建模与切宽参数优化方法，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。该方法通过有限元仿真与机械切削力建模，构建薄壁叶片在加工过程中的变形场和球头刀铣削力模型，并以此搭建弹性变形误差模型。利用该模型对原始切削轨迹的切宽进行重新计算，规划优化后的轨迹。采用该轨迹加工后的叶片精度有了明显提高。

Description

一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法

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的弹性变形误差建模与切宽参数优化方法，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

叶片类薄壁零件是航空发动机、燃气轮机等设备中的关键零件，具有外形复杂、加工变形大等难加工特点。尤其是薄壁结构导致的弱刚度特性与加工中切削力的耦合，使得最终的加工精度难以保证。

专利CN201711103056.X公开了一种基于有限元分析的薄壁件切削用量加工优化方法，通过软件建模与有限元分析模拟实际加工过程，以此调整切削参数，保证切削力、切削热、刀具变形等处于安全范围内。然而该方法并没有考虑切削轨迹对薄壁件加工变形的影响，具有局限性。专利CN201710319928.X公开了一种非均匀公差下的自由曲面NC加工刀具轨迹优化方法，通过对设计曲面的刀位文件进行反算以获取极限残高曲面，在保证精度要求的情况下，加工效率也得到了提升。但该方法仅仅考虑了近似刚性自由曲面的轨迹优化方法，并没有考虑到加工过程中弹性变形误差对加工精度的影响。

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切削轨迹参数优化方法。

技术方案

一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：依据叶片的装夹形式建立相应的有限元模型，并通过{x,y,z}方向的单位力测试，获取对应离散点在法线方向上的变形场，分别是G_x，n、G_y，n和G_z，n，向量形式为G_n＝[G_x，n，G_y，n，G_z，n]^T；

步骤2：按照切削力机械模型，对球头刀铣削过程进行建模，并通过模型仿真构建切削力与径向切深a_e，前倾角θ_l与侧偏角θ_t参数之间的关系，将切削力表示为F(a_e，θ_l，θ_t)；

步骤3：通过仿真计算的叶片变形场与球头刀切削力函数，得到叶片加工变形误差D，计算公式如下，

其中，F＝[F_x，F_y，F_z]^T，是F(a_e，θ_l，θ_t)的向量形式；

步骤4：按照给定的最大误差d_max计算满足加工变形误差的切宽a_e，cal；同时将原始轨迹的最大切宽a_e，max作为约束，通过最小值公式min{a_e，max，a_e，cal}计算，得到优化后的切宽a_e，real；

步骤5：选择原始切削轨迹中叶根位置的切削行作为初始切削行；

步骤6：将给定的切削行line_i离散，得到一系列切触点P_i，j；利用步骤4中的切宽优化，计算该点的切宽a_e，real，j与其对应的切触点P_i+1，j；同时寻找其中的最小值min(a_e，real，j)作为该切削行的最优切宽a_e，real，重新计算下一条切削行line_i+1，确保不会改变原始的轨迹形式；

步骤7：按照步骤6依次计算下一条切削行，直至覆盖整个叶片曲面，完成切削轨迹的优化。

有益效果

本发明提出的一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法，该方法通过有限元仿真与机械切削力建模，构建薄壁叶片在加工过程中的变形场和球头刀铣削力模型，并以此搭建弹性变形误差模型。利用该模型对原始切削轨迹的切宽进行重新计算，规划优化后的轨迹。采用该轨迹加工后的叶片精度有了明显提高。

采用该方法得到的薄壁叶片切削轨迹可以有效的减小加工过程中的弹性变形误差，相比于原始加工轨迹，优化后的切削轨迹的平均误差和最大误差分别减小了23.1％和37.7％，提高了加工精度。同时，加工时间仅仅增加了23.8％，没有过度的降低效率，适用于精度优先的薄壁叶片精加工过程。

附图说明

图1原始切削轨迹

图2切宽优化方法

图3优化后切削轨迹

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，并建立相应的有限元模型，并通过{x,y,z}方向的单位力测试，获取对应离散点在法线方向上的变形场，分别是G_x,n，G_y,n和G_z,n，向量形式为G_n＝[G_x,n,G_y,n,G_z,n]^T。

步骤2.按照切削力机械模型，对球头刀铣削过程进行建模，并通过模型仿真构建切削力与径向切深a_e，前倾角θ_l与侧偏角θ_t参数之间的关系，将切削力表示为F(a_e,θ_l,θ_t)。

步骤3.通过仿真计算的叶片变形场与球头刀切削力函数，得到叶片加工变形误差D，计算公式如下，

其中，F＝[F_x,F_y,F_z]^T，是F(a_e,θ_l,θ_t)的向量形式。

步骤4.按照给定的最大误差d_max计算满足加工变形误差的切宽a_e,cal。同时将原始轨迹的最大切宽a_e,max＝0.6mm作为约束，通过最小值公式min{a_e,max,a_e,cal}计算，得到优化后的切宽a_e,real。

步骤5.选择图1所示的原始切削轨迹中叶根位置的切削行作为初始切削行。

步骤6.将给定的切削行line_i离散，得到一系列切触点P_i,j。利用步骤4中的切宽优化，计算该点的切宽a_e,real,j与其对应的切触点P_i+1,j。同时寻找其中的最小值min(a_e,real,j)作为该切削行的最优切宽a_e,real，重新计算下一条切削行line_i+1，确保不会改变原始的轨迹形式。过程如图2所示。

步骤7.按照步骤6依次计算下一条切削行，直至覆盖整个叶片曲面，完成切削轨迹的优化。优化后的轨迹如图3所示。

本实施例中，在三轴数控机床上对叶片采用原始切削轨迹和优化后的切削轨迹进行加工并测量，相比于原始加工轨迹，优化后的切削轨迹的平均误差和最大误差分别减小了23.1％和37.7％，提高了加工精度。同时，加工时间仅仅增加了23.8％，没有过度的降低效率，适用于精度优先的薄壁叶片精加工过程。

Claims (1)

1.一种薄壁叶片切削轨迹参数优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：依据叶片的装夹形式建立相应的有限元模型，并通过{x，y，z}方向的单位力测试，获取对应离散点在法线方向上的变形场，分别是G_x，n、G_y，n和G_z，n，向量形式为G_n＝[G_x，n，G_y，n，G_z，n]^T；

步骤2：按照切削力机械模型，对球头刀铣削过程进行建模，并通过模型仿真构建切削力与径向切深a_e，前倾角θ_l与侧偏角θ_t参数之间的关系，将切削力表示为F(a_e，θ_l，θ_t)；

步骤3：通过仿真计算的叶片变形场与球头刀切削力函数，得到叶片加工变形误差D，计算公式如下，

其中，F＝[F_x，F_y，F_z]^T，是F(a_e，θ_l，θ_t)的向量形式；

步骤4：按照给定的最大误差d_max计算满足加工变形误差的切宽a_e，cal；同时将原始轨迹的最大切宽a_e，max作为约束，通过最小值公式min{a_e，max，a_e，cal}计算，得到优化后的切宽a_e，real；

步骤5：选择原始切削轨迹中叶根位置的切削行作为初始切削行；

步骤6：将给定的切削行line_i离散，得到一系列切触点P_i，j；利用步骤4中的切宽优化，计算该点优化后的切宽a_e，real，j与其对应的切触点P_i+1，j；同时寻找其中的最小值min(a_e，real，j)作为该切削行的最优切宽a_e，real，重新计算下一条切削行line_i+1，确保不会改变原始的轨迹形式；

步骤7：按照步骤6依次计算下一条切削行，直至覆盖整个叶片曲面，完成切削轨迹的优化。

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