CN113894570B - 一种空间曲面上微孔定位装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种空间曲面上微孔定位装置及加工方法，通过构造辅助装置，调整基准，并通过点云文件形成理论模型，同时再实际测量实际模型，通过拟合建立坐标系，完成整个模型相对于对齐后的模型的带矢量的距离差，并最后形成矢量矩阵，再通过五轴机床将矢量矩阵最后形成机床位置的设计语言，最后完成整个模型的加工；本发明的优点是：解决涡轮叶片气膜孔加工过程定位不准确的问题，实现气膜孔制备“指哪打哪”保证气膜孔与叶身的位置关系，达到最佳的冷却效果，从而充分挖掘涡轮叶片功能潜力，提升发动机性能。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造加工领域，具体说是一种应用在航空发动机上的涡轮叶片的精密加工方法。
背景技术
航空发动机涡轮工作叶片工况极其恶劣，燃烧室喷出的平均1500℃高温燃气直接冲击涡轮叶片，同时其还承受由于高速旋转产生的强大离心力，气膜冷却是主要的冷却手段，其冷却效果能够提高叶片承温能力的50％～60％，实验表明，气膜孔的位置度对于气膜冷却效果和叶片承温能力具有重要影响；
设计部门对涡轮叶片气膜孔的几何尺寸如位置度、孔径、矢量方向等都提出了更高的要求；
之前型号涡轮工作叶片打孔工艺采用榫头定位，通过每批首件进行划线，在其上进行打点标记，与标准样件进行比对位置，现场调整不满足要求的孔位，全部合格后进行打孔，之后每件都进行划线，检查气孔膜位置合格后开始打孔。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开一种空间曲面上微孔定位装置及加工方法。
具体技术方案如下：
一种空间曲面上微孔定位装置，包括底部的法兰盘，所述法兰盘上设置定向基准，设置在法兰盘内部的衬套与衬垫与零件的下端部连接在一起，所述法兰盘的外圆处为定心基准，所述法兰盘的上端面还设置一个直槽，所述直槽的直线处为定角向基准，所述零件衬在定位夹具后，在法兰盘的圆周处还设置一个参考点布置环；
进一步地，本发明公开一种使用上述空间曲面上微孔定位装置的加工方法，包括以下步骤：
1)构造加工辅助基准，设计定位夹具，利用榫头连接，将叶身型面“安装”一组定位基准，通过所述定位夹具上的点线面限制叶片叶身的六个自由度，所述定位夹具设置有定向平面基准和圆柱体定心基准和定角向基准，利用所述随行夹具的衬套夹持叶片下端部的榫头，在定心圆柱外圆上侧装配一个参考点布置环，用于布置光学扫描设备专用的参考点；
2)采集叶片叶身型面数据，构建实际零件数字模型，利用光学拍照扫描设备对叶片和夹具进行360度范围拍照，搭接照片形成三维影像模型，对其进行小面体处理形成点云文件，所述点云文件顺滑处理，删除扫描照片文件，调出点云模型，查看叶身型面上是否存在凹坑、凸起、破损的三角面体，对大于一定范围的缺陷进行处理，使点云文件光滑无杂点；
3)采用局部最佳拟合方式，以叶片叶身为基准，将零件实测模型对齐到理论模型，确定构造的辅助定位基准在零件坐标系下准确位置；
4)计算气膜孔孔位点位置叶片型面实际偏差，构造孔位点所在的局部曲面矢量方向，沿矢量方向截取偏差值构造实际点位；
5)构建加工坐标系，使用三维造型软件，利用构造的加工辅助基准，即所述定位夹具底座法兰上表面、所述定位夹具底座圆柱上部分、以及定角向基准，构建加工坐标系，计算加工坐标系在原始坐标系下的平移向量和旋转矩阵，将孔位实际位置坐标进行矩阵运算，得到叶片实际姿态下的气膜孔实际位置坐标值，运算公式如下；
XS＝(Xl-X0)*ix+(Yl-Y0)*jx+(Zl-Z0)*kx；
YS＝(Xl-X0)*iy+(Yl-Y0)*jy+(Zl-Z0)*ky；
ZS＝(Xl-X0)*iz+(Yl-Y0)*jz+(Zl-Z0)*kz；
其中：
XS、YS、ZS是气膜孔实际坐标值；
Xl、Yl、Zl是气膜孔理论坐标值；
X0、Y0、Z0是坐标系平移量；
ix、jx、kx是X轴矢量；
iy、jy、ky是Y轴矢量；
iz、jz、kz是Z轴矢量；
6)按照如下方程组，将气膜孔位置表达为加工设备五轴数据格式；
a1＝arctanYS/XS；
C＝arctanj/i；
X1＝(XS2+YS2)1/2cos(a1+C)；
a2＝arctanZ/X1；
i2＝(i2+j2)1/2；
B＝arctani2/k；
X＝(ZS2+X12)1/2cos(a2-B)；
Y＝(XS2+YS2)1/2sin(a1+C)；
Z＝(ZS2+X12)1/2sin(a2-B)；
其中：
XS、YS、ZS是气膜孔实际坐标值；
i、j、k是气膜孔矢量方向；
C是加工设备绕Z轴回转工作台角度；
B是加工设备绕Y轴回转工作台角度；
a1、a2、i2、X1是过程参数；
7)调用含有更新的气膜孔实际位置程序，在第5步构建的实际加工坐标系下运行，进行打孔加工；
所述法兰盘的中部设置一个与零件下端接触面外形相一致的槽口。
本发明的优点是：目前该项技术的成功应用，实现了气膜孔位置依据叶片型面、加工姿态的定量调整，解决了高精度高要求叶片研制过程中的一项关键难题，提高了气膜孔制备过程中的定位精度，利用技术手段保证了气膜孔位置度符合设计要求，同时定位过程不占用机床加工时间，节约资源。
附图说明
图1为本发明中，定位夹具的结构爆炸示意图；
图2为定位夹具的结构示意图；
图3为本发明工作流程示意图；
图4为定位夹具设置在机床上的结构示意图；
图5为C轴、B轴位置结构示意图；
图6为定位夹具装夹零件时，三维结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图所示，一种空间曲面上微孔定位装置及加工方法，包括如下步骤：
1、构造辅助定位基准，将零件装入定位夹具11，所述所述定位夹具包括底部的法兰盘1，所述法兰盘上设置定向基准2，设置在法兰盘内部的衬套3与衬垫4与零件5的下端部连接在一起，所述法兰盘的外圆处为定心基准6，所述法兰盘的上端面还设置一个直槽7，所述直槽的直线处为定角向基准8，所述零件衬在定位夹具后，在法兰盘的圆周处还设置一个参考点布置环9，首先将参考点布置环、衬套、衬垫从定位夹具上分解下来，将定位夹具底座平放在工作台上，手持叶片叶身竖直向下伸入夹具底座，从侧面插入衬套，适应性调整叶片和衬套位置关系，使零件顺利滑进衬套中，手持衬套继续插入夹具底座至衬套完全包裹住叶片榫头，之后插入衬垫，螺丝从夹具底面向上旋进，通过衬垫施力于叶片榫头下端面，实现零件与定位夹具位置相对固定，对于压紧螺丝，使用200mm长螺丝刀手动拧不动即可，装配参考点布置环，注意每次按照相同位置固定参考点布置环，装配完成后，将参考点粘贴到参考点布置环的外圆和上端面，每两个参考点之间不大于8mm，尽量错位布置，保证覆盖环的外圆和上端面，注意不要呈现规律性排列；
2、将带有安装好零件的定位夹具，安装到光学扫描设备上的转接板上，启动设备，待出现“测头准备就绪”提升后进行拍照，首先拍摄参考点，旋转零件，将参考点全部拍摄完成，从第一张照片后，每拍摄一张照片都要含有之前的拍摄完成带有序号的四个参考点，之后拍摄叶片，360度全方位逐个位置拍摄，每张照片必须含有四个参考点，观察拼接图片完整后，完成拍摄，一共拍摄照片约27张，删除多余部位后，启动三角片化命令，对照片进行多边化处理，形成点云模型，观察点云模型，对于凹坑、凸起、褶皱等缺陷部位进行修补、顺滑处理，直到点云模型表面光滑为止；
3、采用局部最佳拟合方式，以叶片叶身为基准，将零件实测模型对齐到理论模型，确定构造的辅助定位基准在零件坐标系下准确位置，对齐过程中，当对称面，如叶片叶盆和叶背，沿着相同方向，即指向叶片或者背离叶片，均偏离理论位置超出叶片叶身轮廓度时，放弃最佳拟合，停止本工序操作，进入待处理状态；
4、构建加工坐标系，计算气膜孔实际位置，使用三维造型软件，利用构造的加工辅助基准构建加工坐标系。在定向基准平面上取三个点，构建平面特征，在定向圆柱外表面等高位置取三个点构建圆特征，在定角向基准上取两个点，构建直线特征。在取此八个点过程中，注意构建平面特征的三个点的每两个点相对距离不能小于45mm，构建圆特征的三个点高度差不能大于2mm，构建直线特征的两个点距离不能小于40mm，使用点线面构建坐标系方法构建加工坐标系，计算加工坐标系在原始坐标系下的平移向量和旋转矩阵；重复本步骤2次，当3次构建的坐标系在原始坐标系下的三个平移向量相差都不大于0.03mm时，取平均值，形成最终的加工坐标系在原始坐标系下的平移向量和旋转矩阵，利用矩阵变换计算每个气膜孔实际位置，用于气膜孔制备；
5、将三维软件中的零件姿态“复制”到加工设备，利用构造的加工辅助基准，即所述定位夹具底座法兰上表面、所述定位夹具底座圆柱上部分、以及定角向基准，构建加工坐标系，在实际机床上找正随行夹具的辅助定位基准，构建加工坐标系，即确定加工坐标系在机床坐标系中的位置O，
1)将零件和夹具安装到设备转盘中心，找正外圆，保证圆跳不大于0.01mm，压紧夹具，之后旋转转盘，使定角向基准平行于设备的X轴，叶片排气边朝向X轴正向，记下此时的X、Y、C轴坐标值；
2)确定Z方向零点，先找到设备的旋转轴C轴和摆动轴B轴的交点，测量交点在Z轴方向上与转盘上表面的距离D；再测量激光焦点落在转盘上表面时候的Z轴坐标值，该值减去D值得到的数据记作e值；
3)将记下的X轴、Y轴、C轴值和e值，分别输入设备指令G54的X平移量、Y平移量、C旋转量、Z平移量对话框，调用气膜孔坐标点程序进行打孔；
计算加工坐标系在原始坐标系下的平移向量和旋转矩阵，将孔位实际位置坐标进行矩阵运算，得到叶片实际姿态下的气膜孔实际位置坐标值，运算公式如下；
XS＝(Xl-X0)*ix+(Yl-Y0)*jx+(Zl-Z0)*kx；
YS＝(Xl-X0)*iy+(Yl-Y0)*jy+(Zl-Z0)*ky；
ZS＝(Xl-X0)*iz+(Yl-Y0)*jz+(Zl-Z0)*kz；
其中：
XS、YS、ZS是气膜孔实际坐标值；
Xl、Yl、Zl是气膜孔理论坐标值；
X0、Y0、Z0是坐标系平移量；
ix、jx、kx是X轴矢量；
iy、jy、ky是Y轴矢量；
iz、jz、kz是Z轴矢量；
6)按照如下方程组，将气膜孔位置表达为加工设备五轴数据格式；
a1＝arctanYS/XS；
C＝arctanj/i；
X1＝(XS2+YS2)1/2cos(a1+C)；
a2＝arctanZ/X1；
i2＝(i2+j2)1/2；
B＝arctani2/k；
X＝(ZS2+X12)1/2cos(a2-B)；
Y＝(XS2+YS2)1/2sin(a1+C)；
Z＝(ZS2+X12)1/2sin(a2-B)；
其中：
XS、YS、ZS是气膜孔实际坐标值；
i、j、k是气膜孔矢量方向；
C是加工设备绕Z轴回转工作台角度；
B是加工设备绕Y轴回转工作台角度；
a1、a2、i2、X1是过程参数；
7)调用含有更新的气膜孔实际位置程序，在第5步构建的实际加工坐标系下运行，进行打孔加工。
Claims (3)
1.一种空间曲面上微孔定位装置，其特征在于：包括底部的法兰盘，所述法兰盘上设置定向基准，设置在法兰盘内部的衬套与衬垫与零件的下端部连接在一起，所述法兰盘的外圆处为定心基准，所述法兰盘的上端面还设置一个直槽，所述直槽的直线处为定角向基准，所述零件设置在定位夹具中，在法兰盘的圆周处还设置一个参考点布置环；首先将参考点布置环、衬套、衬垫从定位夹具上分解下来，将定位夹具底座平放在工作台上，手持叶片叶身竖直向下伸入夹具底座，从侧面插入衬套，适应性调整叶片和衬套位置关系，使零件顺利滑进衬套中，手持衬套继续插入夹具底座至衬套完全包裹住叶片榫头，之后插入衬垫，螺丝从夹具底面向上旋进，通过衬垫施力于叶片榫头下端面，实现零件与定位夹具位置相对固定，对于压紧螺丝，使用200mm长螺丝刀手动拧不动即可，装配参考点布置环，注意每次按照相同位置固定参考点布置环，装配完成后，将参考点粘贴到参考点布置环的外圆和上端面，每两个参考点之间不大于8mm，尽量错位布置，保证覆盖环的外圆和上端面，注意不要呈现规律性排列。
2.根据权利要求1所述的空间曲面上微孔定位装置，其特征在于：所述法兰盘的中部设置一个与零件下端接触面外形相一致的槽口。
3.一种使用权利要求1所述的空间曲面上微孔定位装置的空间曲面上微孔定位加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构造加工辅助基准，设计定位夹具，利用榫头连接，将叶身型面设置一组定位基准，通过所述定位夹具上的点线面限制叶片叶身的六个自由度，所述定位夹具设置有定向基准和定心基准和定角向基准，利用随行夹具的衬套夹持叶片下端部的榫头，在定心圆柱外圆上侧装配一个参考点布置环，用于布置光学扫描设备专用的参考点；
2)采集叶片叶身型面数据，构建实际零件数字模型，利用光学拍照扫描设备对叶片和夹具进行360度范围拍照，搭接照片形成三维影像模型，对其进行小面体处理形成点云文件，所述点云文件顺滑处理，删除扫描照片文件，调出点云模型，查看叶身型面上是否存在凹坑、凸起、破损的三角面体，对大于一定范围的缺陷进行处理，使点云文件光滑无杂点；
3)采用局部最佳拟合方式，以叶片叶身为基准，将零件实测模型对齐到理论模型，确定构造的辅助定位基准在零件坐标系下准确位置；
4)计算气膜孔孔位点位置叶片型面实际偏差，构造孔位点所在的局部曲面矢量方向，沿矢量方向截取偏差值构造实际点位；
5)构建加工坐标系，使用三维造型软件，利用构造的加工辅助基准，即所述定位夹具法兰盘上表面、所述定位夹具法兰盘圆柱上部分、以及定角向基准，构建加工坐标系，计算加工坐标系在原始坐标系下的平移向量和旋转矩阵，将孔位实际位置坐标进行矩阵运算，得到叶片实际姿态下的气膜孔实际位置坐标值，运算公式如下；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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