CN113714731B

CN113714731B - 一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法

Info

Publication number: CN113714731B
Application number: CN202111279414.9A
Authority: CN
Inventors: 周鑫; 王兴超; 张森堂; 赵恒�; 李玉敏
Original assignee: AECC Shenyang Liming Aero Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Shenyang Liming Aero Engine Co Ltd
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2041-11-01
Also published as: CN113714731A

Abstract

本发明针对大型风扇钛合金整体叶盘在加工叶片时由于刀具磨损、崩刃、振动带来的振纹问题，提出一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，属于航空数控加工技术领域。该方法通过提取振纹边界及偏置处理获得4条理论截面线、编制基于振纹位置的截面线检测程序获得实测截面线、计算实测截面线和理论截面线的偏差，基于公差约束对在机测量的实测截面线双向偏置、基于双向偏置的截面线完成加工振纹修复曲面重构、根据重构的加工振纹修复曲面编制修复程序，完成大型风扇钛合金整体叶盘叶片振纹的铣加工修复，提升叶片加工质量，降低零件加工及修复成本。

Description

一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法

技术领域

本发明属于航空数控加工技术领域，涉及一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法。

背景技术

整体叶盘在为发动机带来减重、减级、增效和高可靠性的同时，也给发动机维修保障带来了新的挑战。整体叶盘结构复杂、制造难度大、加工周期长、价格昂贵，在制造、试验和工作过程中不可避免地会出现尺寸超差或损伤。以某大型风扇整体叶盘为例，叶身型面采用1把刀具加工1片叶片的方式完成叶片精加工。由于叶片长度接近300mm，叶身刚性弱，精加工时需要预留1mm以上的余量用于增强叶片刚性，通过粗精混合铣的方式完成叶片加工。因叶片余量较大，切削时间较长，国产刀具很难实现1把刀具加工1片叶片的任务；进口刀具加工成本较高，且受限于加工工况，个别叶片仍会出现加工崩刃、加工颤振的情况，影响加工表面质量。

为避免出现加工过程刀具崩刃、颤振等问题，国内外的学者开展了大量切削过程控制技术研究，其控制方法主要分为四类：被动控制、半主动控制、主动控制、切削过程参数控制。被动控制是指在加工开始前对机床结构进行优化从而提高加工系统（机床、刀具、工件、夹具）的刚度和阻尼等来抑制颤振。颤振被动控制方法中附加结构的刚性和阻尼无法实现加工过程自适应，在此缺点上，人们提出了颤振的半主动控制方法，实现对附加结构阻尼和刚性的在线可调。颤振主动控制方法采用了反馈控制的原理，控制系统在检测到加工过程中某一特征量（如加工负载或振动位移）的变化后，把与特征量同频率、同幅度但反相的控制量施加到该特征量自身或作一定转换后施加到其它特征量上。颤振的切削过程参数控制方法指的是在加工过程中通过在线调整切削参数（如主轴转速、进给量、切削深度、刀具参数等）来抑制颤振的方法。

虽然国内外学者对于加工过程控制开展了大量研究，但该类控制手段只能实现加工事故的降低，无法完全避免刀具崩刃及加工振纹的产生。整体叶盘具有叶片型面为空间自由曲面、形状复杂、加工精度要求高、通道开敞性差等特点。与单个叶片的修复相比，整体叶盘叶片损伤修复的技术难度和风险更大、质量要求更高、考核验证试验更复杂、研发周期更长。当整体叶盘叶片加工出现问题时，国外学者采用激光切割及增材加工的方式修复叶片，加工成本高、修复周期长。到目前为止，尚没有公开的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法。

发明内容

本发明提供一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，解决了由于刀具磨损、崩刃、振动带来的叶盘零件表面的加工振纹修复问题，避免由于加工振纹等导致叶盘报废的问题，改善加工质量。

本发明提供一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，包括：

步骤1：将待修复的整体叶盘安装到机床工作台上并完成基准找正；

步骤2：测量整体叶盘叶片型面，根据叶片测量结果进行整体叶盘叶片模型的重构；

步骤3：采用手动打点的方式，测量叶片加工振纹上、下边界的高度值，将测量的高度值导入到整体叶盘叶片模型中，提取振纹边界的2条理论截面线Line _up、Line _low；

步骤4：在振纹上、下边界高度值的基础上，朝远离振纹的方向偏置5mm获得2条偏置理论截面线LineOff _up、LineOff _low；

步骤5：在2条理论截面线和2条偏置理论截面线相应高度上完成4条振纹截面线的在线测量，获得4条实测截面线；

步骤6：基于4条实测截面线完成2条理论截面线和2条偏置理论截面线的光滑处理，生成光滑截面线Line' _up、Line' _low、LineOff' _up和LineOff' _low；

步骤7：对光滑截面线Line' _up、Line' _low、LineOff' _up和LineOff' _low按照公差进行双向偏置，生成新的4条截面线；

步骤8：基于新的4条截面线完成叶片加工振纹修复曲面重构；

步骤9：在重构的叶片加工振纹修复曲面上编制振纹修复程序；

步骤10：将振纹修复程序传送到数控设备，完成叶片振纹修复加工。

在本发明的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法中，所述步骤1具体为：将机床主轴回到机床零点，将待修复的整体叶盘安装在机床工作台上，通过手动打表，完成零件的基准找正。

在本发明的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法中，所述步骤2具体为：通过机床在线测量整体叶盘叶片型面数据，应用逆向工程手段完成整体叶盘叶片模型的重构。

在本发明的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法中，所述步骤6具体为：

步骤6.1：找出2条理论截面线、2条偏置理论截面线与对应的实测截面线的偏差点，作为特征点；

步骤6.2：按照矢量计算方式计算特征点距离理论截面线的偏差距离；

步骤6.3：以偏差距离和偏差方向作为约束条件、曲线光滑过渡为目标，控制2条理论截面线、2条偏置理论截面线分别向对应的实测截面线偏移，生成光滑截面线Line' _up、Line' _low 、LineOff' _up和LineOff' _low。

在本发明的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法中，所述步骤7具体为：

对截面线LineOff' _up、LineOff' _low按照公差带的上偏差Dev _up向外进行偏置；对截面线Line' _up、Line' _low按照公差带的下偏差Dev _low向内进行偏置。

本发明的一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，首次提出基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，成功将相关技术应用于大型风扇钛合金整体叶盘的加工振纹修复。该方法的实现，解决了由于刀具磨损、崩刃、振动带来的叶盘零件表面的加工振纹修复问题。采用本发明的修复方法，成功修复由于崩刃导致的某线性摩擦焊整体叶盘4片叶片的加工振纹，避免由于加工振纹导致叶盘报废的问题，改善加工质量、缩短叶片加工周期、降低叶片修复成本。该方法的实现，解决了整体叶盘叶片质量修复问题，可以向大型风扇叶片、整体机匣等结构件的加工振纹修复进行推广应用，有较强的通用型和实用性，在为企业提升核心创新能力和研发效率的同时创造巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法的流程图；

图2是本发明的理论截面线和偏置条理论截面线提取示意图；

图3a为光滑处理前理论截面线的示意图；

图3b为光滑处理后获得光滑截面线的示意图；

图4是对光滑截面线进行双向偏置示意图；

图5a为整体叶盘叶片加工振纹修复前的零件表面示意图；

图5b为整体叶盘叶片加工振纹修复后的零件表面示意图。

具体实施方式

本发明采用基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，成功修复由于崩刃导致的某线性摩擦焊整体叶盘4片叶片的加工振纹，避免由于加工振纹导致叶盘报废的问题，改善加工质量、缩短叶片加工周期、降低叶片修复成本。下面以某风扇整体叶盘加工振纹修复为例，结合附图和实施过程对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，包括：

步骤1：将待修复的整体叶盘安装到机床工作台上并完成基准找正。

具体实施时，将机床主轴回到机床零点，将待修复的整体叶盘安装在机床工作台上，通过手动打表，完成零件的基准找正。本实施例中整体叶盘零件，叶片长约290mm，两叶片间最小间隙约为36mm，相邻叶片间的相互遮挡，使得加工刀具的选型与加工空间姿态变化受到严重限制。此外，叶身根部加工刀具的长径比约为10：1，叶尖截面与叶根截面扭角接近43°，进排气边缘R仅为0.3mm，中心厚度为4.5～16.7mm，使得零件加工过程中极易产生刀具与叶片间的耦合振动与让刀变形，导致叶身表面出现严重振纹，该零件包含20个叶片，其中4个叶片在加工过程中出现了刀具崩刃的现象。

步骤2：测量整体叶盘叶片型面，根据叶片测量结果进行整体叶盘叶片模型的重构。

具体实施时，通过机床在线测量整体叶盘叶片型面数据，应用逆向工程手段完成整体叶盘叶片模型的重构。具体实施时，整体叶盘叶片模型是应用NX、CATIA、PRO/E等CAD软件中的逆向建模功能，将叶片测量结果数据转换成step或stp格式的标准模型，该模型将作为基准用于后续的步骤。即将重构的整体叶盘叶片模型作为后续计算的理论模型使用，本申请中的理论截面线，均指整体叶盘叶片模型下提取的截面线数据。

步骤4：在振纹上、下边界高度值的基础上，朝远离振纹的方向偏置5mm获得2条偏置理论截面线LineOff _up、LineOff _low，如图2所示提取到4条理论截面线。

步骤6：基于4条实测截面线完成2条理论截面线和2条偏置理论截面线的光滑处理，生成新的光滑截面线Line' _up、Line' _low、LineOff' _up和LineOff' _low，所述步骤6具体为：

步骤6.2：按照矢量计算方式计算特征点距离理论截面线的偏差距离，具体为：

（1）将特征点向理论截面线投影，获得投影点；

（2）通过投影点在理论截面线所在平面上做理论截面线的法线；

（3）将特征点投射到法线上，计算特征点在法线上的投射点到投影点的空间距离。

步骤6.3：以偏差距离和偏差方向作为约束条件、曲线光滑过渡为目标，控制2条理论截面线、2条偏置理论截面线分别向对应的实测截面线偏移，生成光滑截面线Line' _up、Line' _low、LineOff' _up和LineOff' _low。

如图3a所示，将2条理论截面线和2条偏置理论截面线中的任一条理论截面线导入软件中。图中间的闭合图形为整体的理论截面线，底部顶点为最大上偏差点，顶部顶点最大下偏差点。左侧图为顶部放大图，右侧图为底部放大图，放大图中显示出理论截面线和实测截面线。根据实测截面线的图示显示，叶片进气边、排气边位置的有较大跳动，叶身型面测量数据稳定。对比理论截面线与对应的实测截面线，即重构叶片截面线理论数据和截面线实测数据，找出偏离理论截面线的点位数据，作为特征点Feature_point，对理论截面线进行光滑处理获得光滑截面线，如图3b。本发明修复方法根据叶片测量数据特点，提取12个特征点，按照矢量计算方式算出特征点实测数据距离截面线理论数据的距离：

Point（u，v）₁=-0.2

Point（u，v）₂=-0.08

Point（u，v）₃=-0.08

Point（u，v）₄=-0.02

Point（u，v）₅=-0.07

Point（u，v）₆=-0.1

Point（u，v）₇=-0.2

Point（u，v）₈=-0.12

Point（u，v）₉=-0.15

Point（u，v）₁₀=-0.13

Point（u，v）₁₁=-0.1

Point（u，v）₁₂=-0.13

根据计算的矢量偏差距离，调整叶片的理论截面线，将Line _up、Line _low、LineOff _up、LineOff _low四条截面线按照矢量方向调整，生光滑截面线Line' _up、Line' _low、LineOff' _up、LineOff' _low，如图4所示。

步骤7：对光滑截面线Line' _up、 Line' _low、 LineOff' _up和 LineOff' _low按照公差进行双向偏置，生成新的4条截面线；所述步骤7具体为：

对截面线LineOff' _up、LineOff' _low按照公差带的上偏差Dev _up向外进行偏置，得到SL_Off _up、SL_Off _low。对截面线Line' _up、Line' _low按照公差带的下偏差Dev _low向内进行偏置，生成新的截面线SLine _up、SLine _low，如图4所示。

整体叶盘叶片加工振纹修复前后的零件表面示意图如图5a和5b所示，图5a中的VibroSur为振纹，图5b中的RepairSur为修复后表面，经修复后叶片表面振纹消失，接刀痕迹精度控制在0.01mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将机床主轴回到机床零点，将待修复的整体叶盘安装在机床工作台上，通过手动打表，完成零件的基准找正。

3.如权利要求1所述的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，其特征在于，所述步骤2具体为：通过机床在线测量整体叶盘叶片型面数据，应用逆向工程手段完成整体叶盘叶片模型的重构。

4.如权利要求1所述的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

步骤6.3：以偏差距离和偏差方向作为约束条件、曲线光滑过渡为目标，控制2条理论截面线、2条偏置理论截面线分别向对应的实测截面线偏移，生成光滑截面线Line' _up、Line ' _low 、LineOff' _up和LineOff' _low。

5.如权利要求1所述的基于公差约束的叶片表面振纹修复方法，其特征在于，所述步骤7具体为：