CN113885439B - 一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，依据数控铣加工设备最小分度、叶片截面线曲率状态确定数控铣削程序插补线段长度及参数，从而对数控铣削程序进行优化，大大缩短加工试验周期，改善叶片加工质量，提升叶片加工精度，最大程度利用设备功能。按照本发明方法对整体叶盘叶片数控铣削程序进行优化，确定数控铣削程序插补线段长度及参数，大大缩短加工试验周期，改善叶片加工质量，提升叶片加工精度。整体叶盘叶片加工后尺寸及表面质量均满足工序要求。

Description

一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法
技术领域
本发明属于航空航天数控加工技术领域，涉及一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法。
背景技术
目前在整体叶盘加工中，从数控程序编制到零件制造的环节主要包括：创建工序模型→编制加工刀轨文件→刀轨仿真→后置处理→NC程序带机床仿真→试验件加工→加工方案及参数优化→零件加工。刀轨仿真和NC程序带机床仿真是通过构建零件、毛坯、工装、机床、刀具等精确模型，模拟实际加工情况对刀具轨迹的切削运动和材料去除过程进行模拟，验证NC程序语法的正确性、合理性、零件的过切和欠切，避免实际加工中数控机床与刀具、工装、工件之间的干涉、碰撞及数控机床各运动轴的超行程现象。但是该类仿真为几何仿真，仿真过程中零件、机床、刀具被视为刚性体，不能对加工过程中切削力的分布及加工参数的合理性进行仿真。因此在进行整体叶盘零件数控铣削之前需要先进行试验件的加工，并根据试验结果对加工程序进行优化，确定加工方案及加工参数后再进行正式件的加工，该试验周期长，且程序优化依赖于技术人员的工程经验。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，对数控铣削程序进行优化，大大缩短加工试验周期，改善叶片加工质量，提升叶片加工精度。
本发明的一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，包括：
步骤1：导入整体叶盘叶片截面线数据点并生成闭合b样条曲线；
步骤2：对闭合b样条曲线进行加工区域划分，并提取加工区域分界点坐标值；
步骤3：对划分后的各部分进行曲率解析，提取曲率突变分界点；
步骤4：根据进给率和机床的执行分度，计算插补线段最小值；
步骤5：根据加工区域分界点、曲率突变分界点以及插补线段最小值编制整体叶盘叶片数控铣削程序，并设定初始加工参数；
步骤6：进行切削力仿真分析，输出数控铣削程序的切削力值；
步骤7，根据输出的切削力分布状态，确定数控铣削程序需要进行优化的程序段及对应的加工位置；
步骤8，对待优化的程序段进行分割，设定优化边界条件及参数，完成程序段优化；
步骤9，对步骤8优化后的数控铣削程序重新进行切削力仿真分析，输出优化后的数控铣削程序的切削力值；
步骤10，对步骤9输出的切削力值进行判断，各加工区域内切削力平稳过渡无突变，则输出优化后的数控铣削程序，反之，重复进行步骤7～步骤9；
步骤11，应用步骤10输出的优化后的数控铣削程序进行加工试验，并对加工后的叶片型面进行三坐标检测，输出检测报告；
步骤12，依据步骤11输出的检测报告对加工后的叶片型面进行误差分析，进而更改优化边界条件及参数，重复步骤8再次对程序进行优化；
步骤13，加工后整体叶盘叶片尺寸精度及形状满足工序要求后，输出程序。
在本发明的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法中，所述步骤2具体为：依据设计文件给定的边缘距离对闭合b样条曲线进行加工区域划分，分为前缘、尾缘、叶盆和叶背四部分，并提取加工区域分界点坐标值。
在本发明的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法中，所述步骤3中的曲率突变分界点设在曲率突变及反向的位置。
在本发明的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法中，所述步骤4中插补线段最小值的计算方式为：
Segmin＝(Scal/60)×F
其中，Segmin为插补线段最小值，Scal为机床的执行分度，F为进给率。
在本发明的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法中，所述步骤10中切削力平稳过渡无突变，指计算得到加工过程中产生的切削力F(t)的变化范围，始终保持在平均切削力F(t)的±30％以内；
切削力F(t)指由加工过程中产生的切向力、径向力、轴向力计算出的合力。
本发明首次提出面向航空发动机整体叶盘叶片的基于设备最小分度及叶型截面线曲率的铣削程序优化方法，该方法能够大大缩短加工试验周期，有效改善整体叶盘叶片表面的加工质量，提升叶片加工精度。此项技术可应用于各类整体叶盘叶片数控铣削过程中，经济效果及社会效益巨大。
加工试验表明：按照本发明方法对整体叶盘叶片数控铣削程序进行优化，确定数控铣削程序插补线段长度及参数，大大缩短了加工试验周期，有效改善了叶片表面的加工质量，提升了叶片加工精度。整体叶盘叶片加工后尺寸及表面质量均满足工序要求。
附图说明
图1是本发明的一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法的流程图；
图2是加工区域划分示意图；
图3是本发明的叶盆、叶背b样条曲线曲率解析示意图；
图4是本发明的叶片切削力仿真结果示意图；
图5为本发明的实施案例中整体叶盘类零件数控铣削程序优化前后切削力对比图。
具体实施方式
本发明的目的是针对航空发动机整体叶盘叶片铣削试验周期长，且程序优化依赖于技术人员个人经验的问题，发明一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，通过对加工过程切削力进行仿真，确定切削力分布情况，并结合数控铣加工设备最小分度、叶片截面线曲率状态确定数控铣削程序插补线段长度及加工参数，从而对数控铣削程序进行优化，能够大大缩短加工试验周期，改善叶片加工质量，提升叶片加工精度。
如图1所示，本发明的一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，包括：
步骤1：导入整体叶盘叶片截面线数据点并生成闭合b样条曲线；
步骤2：对闭合b样条曲线进行加工区域划分，具体为：
依据设计文件给定的边缘距离对闭合b样条曲线进行加工区域划分，分为前缘、尾缘、叶盆和叶背四部分，并提取加工区域分界点坐标值。如图2所示，提取的加工区域分界点坐标值为；
P1(X，Y，Z)＝(33.94，-0.80，320)
P2(X，Y，Z)＝(-38.75，2.93，320)
P3(X，Y，Z)＝(-39.00，1.76，320)
P4(X，Y，Z)＝(34.04，-2.33，320)
步骤3：对划分后的各部分进行曲率解析，提取曲率突变分界点；
其中，曲率突变分界点设在曲率突变及反向的位置。如图3所示，提取的曲率突变分界点坐标值为；
P5(X，Y，Z)＝(30.66，-0.71，320)
P6(X，Y，Z)＝(15.94，-0.37，320)
P7(X，Y，Z)＝(2.73，-0.06，320)
P8(X，Y，Z)＝(-2.54，0.07，320)
步骤4：根据进给率和机床的执行分度，计算插补线段最小值；
前缘、尾缘部分曲率变化大，铣削程序中插补线段的长度应尽可能小，以保证加工精度，但插补线段长度应遵循机床最小分度原则，插补线段最小值的计算方式为：
Segmin＝(Scal/60)×F
其中，Segmin为插补线段最小值，Scal为机床的执行分度，F为进给率。
步骤5：根据加工区域分界点、曲率突变分界点以及插补线段最小值编制整体叶盘叶片数控铣削程序，并设定初始加工参数；
步骤6：进行切削力仿真分析，输出数控铣削程序的切削力值；
具体信息如图4所示，其中，CA代表有效切削区域，BS代表空切削区域。
CA1的切削力范围为60N～83N，切削稳定；
CA2的切削力范围为30N～100N，切削力变化浮动较大；
CA3的切削力范围为21N～85N，切削力变化浮动较大；
CA4的切削力范围为21N～105N，切削力变化浮动较大；
CA5的切削力范围为21N～45N，切削稳定；
CA6的切削力范围为21N～63N，切削力存在浮动。
步骤7，根据输出的切削力分布状态，确定数控铣削程序需要进行优化的程序段及对应的加工位置；
如图4所示，BS1为第一次进刀空切削，CA1为第一片叶片的叶背第一刀；BS2为第一次退刀及第二次进刀空切削，CA2为第二片叶片的叶盆第一刀；BS3为第二次退刀及第三次进刀空切削，CA3为第一片叶片的叶背第二刀；BS4为第三次退刀及第四次进刀空切削，CA4为第二片叶片的叶盆第二刀；BS5为第四次退刀及第五次进刀空切削，CA5为第一片叶片的叶背第三刀；BS6为第五次退刀及第六次进刀空切削，CA6为第二片叶片的叶盆第三刀；BS7为第六次退刀空切削。
分析切削力仿真结果中的加工时间，程序的全部加工时间为145s，其中有效切削时间为87s，空走刀时间为58s，空走刀切削时间占总加工时间的40％，产能浪费现象严重。
分析切削力仿真结果的切削力数值，切削力从21N～105N之间浮动，不利于零件加工质量控制。
步骤8，对待优化的程序段进行分割，设定优化边界条件及参数，完成程序段优化；
步骤9，对步骤8优化后的数控铣削程序重新进行切削力仿真分析，输出优化后的数控铣削程序的切削力值；
步骤10，对步骤9输出的切削力值进行判断，各加工区域内切削力平稳过渡无突变，则输出优化后的数控铣削程序，反之，重复进行步骤7～步骤9；
如图5所示，数控铣削程序加工优化后，空走刀时间占比从40％的比例降低到2％，切削力最大值控制在45N以内。分析各加工区域内切削力变化趋势，不仅每个加工区域的切削力都控制在45N以内，且整段程序的切削力全部平稳过渡无突变。
其中，切削力平稳过渡无突变，指计算得到加工过程中产生的切削力F(t)的变化范围，始终保持在平均切削力F(t)的±30％以内；切削力F(t)指由加工过程中产生的切向力、径向力、轴向力计算出的合力。
步骤11，应用步骤10输出的优化后的数控铣削程序进行加工试验，并对加工后的叶片型面进行三坐标检测，输出检测报告；
步骤12，依据步骤11输出的检测报告对加工后的叶片型面进行误差分析，进而更改优化边界条件及参数，重复步骤8再次对程序进行优化；
步骤13，加工后整体叶盘叶片尺寸精度及形状满足工序要求后，输出程序，进行正式件加工。
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 (5)

1.一种基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，其特征在于，包括：
步骤1：导入整体叶盘叶片截面线数据点并生成闭合b样条曲线；
步骤2：对闭合b样条曲线进行加工区域划分，并提取加工区域分界点坐标值；
步骤3：对划分后的各部分进行曲率解析，提取曲率突变分界点；
步骤4：根据进给率和机床的执行分度，计算插补线段最小值；
步骤5：根据加工区域分界点、曲率突变分界点以及插补线段最小值编制整体叶盘叶片数控铣削程序，并设定初始加工参数；
步骤6：进行切削力仿真分析，输出数控铣削程序的切削力值；
步骤7，根据输出的切削力分布状态，确定数控铣削程序需要进行优化的程序段及对应的加工位置；
步骤8，对待优化的程序段进行分割，设定优化边界条件及参数，完成程序段优化；
步骤9，对步骤8优化后的数控铣削程序重新进行切削力仿真分析，输出优化后的数控铣削程序的切削力值；
步骤10，对步骤9输出的切削力值进行判断，各加工区域内切削力平稳过渡无突变，则输出优化后的数控铣削程序，反之，重复进行步骤7～步骤9；
步骤11，应用步骤10输出的优化后的数控铣削程序进行加工试验，并对加工后的叶片型面进行三坐标检测，输出检测报告；
步骤12，依据步骤11输出的检测报告对加工后的叶片型面进行误差分析，进而更改优化边界条件及参数，重复步骤8再次对程序进行优化；
步骤13，加工后整体叶盘叶片尺寸精度及形状满足工序要求后，输出程序。
2.如权利要求1所述的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，其特征在于，所述步骤2具体为：依据设计文件给定的边缘距离对闭合b样条曲线进行加工区域划分，分为前缘、尾缘、叶盆和叶背四部分，并提取加工区域分界点坐标值。
3.如权利要求2所述的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，其特征在于，所述步骤3中的曲率突变分界点设在曲率突变及反向的位置。
4.如权利要求1所述的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，其特征在于，所述步骤4中插补线段最小值的计算方式为：
Segmin＝(Scal/60)×F
其中，Segmin为插补线段最小值，Scal为机床的执行分度，F为进给率。
5.如权利要求1所述的基于机床分度的叶片曲率识别及程序优化方法，其特征在于，所述步骤10中切削力平稳过渡无突变，指计算得到加工过程中产生的切削力F(t)的变化范围，始终保持在平均切削力
Figure FDA0003311382100000021
的±30％以内；
切削力F(t)指由加工过程中产生的切向力、径向力、轴向力计算出的合力。
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