CN113977359B - 一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法 - Google Patents

一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，属于航空发动机空心叶片加工技术领域。修正方法具体为：首先，基于超声检测获得风扇壁厚分布的实测信息；然后建立壁厚分布误差与理论曲面参数之间的三维空间映射关系；最后，基于映射关系修改理论抛光刀轨，进行后续抛光加工。本发明将壁厚实测信息直接用于刀轨修改，无需复杂的空心风扇曲面重构，大幅度提高风扇叶片抛光加工编程效率。同时，基于壁厚约束的抛光刀轨修正有利于进一步提高空心风扇的壁厚均匀性，进而提高型面壁厚加工质量。

Description

一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法
技术领域
本发明属于航空发动机空心叶片加工技术领域，涉及一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法。
背景技术
近年来，随着空心风扇叶片不断投入研究与使用，其质量控制需求日益显著。壁厚是质量控制的一个十分关键参数，直接关系到风扇的强度和可靠性。现阶段，国内航发制造企业在研制空心风扇叶片时，在空心内腔封闭的结构基础上，加工叶片外型面时，由于缺少壁厚的控制技术，只能按叶片理论模型直接加工外型，极大地降低了过程壁厚控制能力。由于装夹基准误差，加工变形等因素，造成质量无法保证，合格率非常低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，将壁厚实测信息直接用于刀轨修改，无需复杂的空心风扇曲面重构，大幅度提高风扇叶片抛光加工效率和质量。
本发明提供一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，包括：
步骤1：采用在线超声检测方式获取空心风扇叶片型面的多个壁厚标志点的壁厚实测值；
步骤2：根据空心风扇叶片型面CAD模型获得多个壁厚标志点的u、v参数和壁厚理论值；
步骤3：获取壁厚实测值与壁厚理论值间的壁厚误差，与u、v参数构建壁厚误差三维空间映射关系；
步骤4：根据空心风扇叶片型面CAD模型生成抛光加工理论刀轨信息，根据壁厚误差三维空间映射关系对理论刀轨信息进行修正；
步骤5：以修正后刀轨信息进行空心风扇型面的抛光加工，去除造成壁厚误差的多余余量，实现壁厚的精确控制。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中，在步骤1前对空心风扇叶片进行铣削外型面加工，并预留精加工磨抛余量。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中，所述步骤1中的壁厚实测值为壁厚标志点沿法矢方向到空腔内壁的距离。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中，所述步骤2中壁厚标志点的u、v参数为u，v参数是指在CAD中叶片型面被表达为NURBS曲面的参数，即叶片型面恒定U曲线参数，恒定V曲线参数。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中，所述步骤3具体为：
步骤3.1：取壁厚实测值T'＝{Ti'|i＝1,2,…N}与壁厚理论值T＝{Ti|i＝1,2,…N}的差为壁厚误差ΔT＝{Ti'-Ti|i＝1,2,…N}，壁厚误差与壁厚标志点的u、v参数构建壁厚误差三维空间映射曲面S(u,v,ΔT)；
步骤3.2：三维空间映射关系为ΔT＝S(u,v)，当i＝1,2,…N时，ΔTi＝S(ui,vi)。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中：
其中，Ni,j(u)、Ni,j(v)为关于u和v的伯恩斯坦基函数，di,j是以(u,v,ΔT)为对象、以德波尔考克斯Cox-deBoor递推公式确定的控制顶点，k为伯恩斯坦基的数量，l为控制定点的数量。
在本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法中，所述步骤4具体为：
步骤4.1：理论刀轨信息包括刀位点信息刀轴信息/>及u、v参数信息，即
步骤4.2：修正后刀轨信息表达如下：
步骤4.3：刀轴信息不修正，即u，v是默认的曲面参数保持不变，根据下式修正刀位点信息：
ΔTn＝S(un,vn)
其中，α为刀轨修正的经验系数根据零件的刚性、变形状态确定，1≤α≤2。
本发明的一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，建立壁厚超声检测信息与理论曲面参数信息之间的三维空间映射关系，直接实现基于壁厚约束的型面抛光刀轨修正。该方法可实现空心风扇叶片壁厚误差精确控制，显著降低壁厚超差，进而提高风扇叶片强度和可靠性。某空心风扇叶片抛光前壁厚超差，只能报废处理，而在经过刀轨修改后壁厚控制得到保证，该风扇得以装配使用，由此产生可观的经济效益。采用该发明技术，预估空心风扇叶片合格率将提高20％。
附图说明
图1是本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法的流程图；
图2是超声检测空心风扇叶片型面上N个壁厚标识点的示意图；
图3是壁厚实测值示意图；
图4是壁厚误差三维空间映射曲面示意图。
图5是修正刀点位、刀轨信息示意图。
具体实施方式
空心风扇叶片设计结构，具有明显的减重优势，它的减重将会直接提升航空发动机的推重比与效率，对航空发动机的气动性能起着极其重要的作用，其壁厚是质量控制的一个十分重要参数，直接关系到风扇单元组件的强度和可靠性。本发明提出一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法。首先，基于超声检测获得风扇壁厚分布的实测信息；然后建立壁厚分布误差与理论曲面参数之间的三维空间映射关系；最后，基于映射关系修改理论抛光刀轨，进行后续抛光加工。本发明将壁厚实测信息直接用于刀轨修改，无需复杂的空心风扇曲面重构，大幅度提高风扇叶片抛光加工编程效率。同时，基于壁厚约束的抛光刀轨修正有利于进一步提高空心风扇的壁厚均匀性，进而提高型面壁厚加工质量。
如图1所示，本发明的一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，包括：
步骤1：采用在线超声检测方式获取空心风扇叶片型面的多个壁厚标志点的壁厚实测值；
具体实施时，在步骤1前先对空心风扇叶片进行铣削外型面加工，并预留精加工磨抛余量。如图2所示，通采用超声检测方式在机获取型面N个壁厚标志点Qi(i＝1,2,…N)。如图3所示，所得壁厚实测值T'＝{Ti'|i＝1,2,…N}，为叶片型面上的壁厚标志点沿法矢方向到空腔内壁的距离。
步骤2：根据空心风扇叶片型面CAD模型获得多个壁厚标志点的u、v参数和壁厚理论值；
由空心风扇叶片型面理论CAD模型获知N个壁厚标志点的u、v参数(ui,vi)(i＝1,2,…N)和壁厚理论值信息T＝{Ti|i＝1,2,…N}。其中，壁厚标志点的u、v参数为u，v参数是指在CAD中叶片型面被表达为NURBS曲面的参数，即叶片型面恒定U曲线参数，恒定V曲线参数。
步骤3：获取壁厚实测值与壁厚理论值间的壁厚误差，与u、v参数构建壁厚误差三维空间映射关系，所述步骤3具体为：
步骤3.1：取壁厚实测值T'＝{Ti'|i＝1,2,…N}与壁厚理论值T＝{Ti|i＝1,2,…N}的差为壁厚误差ΔT＝{Ti'-Ti|i＝1,2,…N}，壁厚误差与壁厚标志点的u、v参数构建壁厚误差三维空间映射曲面S(u,v,ΔT)，如图4所示。
步骤3.2：三维空间映射关系为ΔT＝S(u,v)，当i＝1,2,…N时，ΔTi＝S(ui,vi)，具体实施时：
其中，Ni,j(u)、Ni,j(v)为关于u和v的伯恩斯坦基函数，di,j是以(u,v,ΔT)为对象、以德波尔考克斯Cox-deBoor递推公式确定的控制顶点，k为伯恩斯坦基的数量，l为控制定点的数量。
步骤4：根据空心风扇叶片型面CAD模型生成抛光加工理论刀轨信息，根据壁厚误差三维空间映射关系对理论刀轨信息进行修正，如图5所示。步骤4具体为：
步骤4.1：理论刀轨信息包括刀位点信息刀轴信息/>及u、v参数信息，即
步骤4.2：修正后刀轨信息表达如下：
步骤4.3：刀轴信息不修正，即u，v是默认的曲面参数保持不变，根据下式修正刀位点信息：
ΔTn＝S(un,vn)
其中，α为刀轨修正的经验系数根据零件的刚性、变形状态确定，1≤α≤2。
步骤5：以修正后刀轨信息进行空心风扇型面的抛光加工，去除造成壁厚误差的多余余量，实现壁厚的精确控制。
本发明的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，对空心风扇叶片磨抛前进行壁厚约束，自动调整重新生成自适应磨抛刀轨的方法，将有效保证壁厚尺寸，推进研制能力，增强空心风扇叶片制造技术成熟度，应用具有广阔的应用前景。同时，该方法具有数据处理效率高、人工参与程度少、壁厚质量控制高，以及自动化程度高等优点。
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 (3)

1.一种基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，其特征在于，包括：
步骤1：采用在线超声检测方式获取空心风扇叶片型面的多个壁厚标志点的壁厚实测值；
步骤2：根据空心风扇叶片型面CAD模型获得多个壁厚标志点的u、v参数和壁厚理论值；
步骤3：获取壁厚实测值与壁厚理论值间的壁厚误差，与u、v参数构建壁厚误差三维空间映射关系；
步骤4：根据空心风扇叶片型面CAD模型生成抛光加工理论刀轨信息，根据壁厚误差三维空间映射关系对理论刀轨信息进行修正；
步骤5：以修正后刀轨信息进行空心风扇型面的抛光加工，去除造成壁厚误差的多余余量，实现壁厚的精确控制；
所述步骤3具体为：
步骤3.1：取壁厚实测值T'＝{Ti'|i＝1,2,…N}与壁厚理论值T＝{Ti|i＝1,2,…N}的差为壁厚误差ΔT＝{Ti'-Ti|i＝1,2,…N}，壁厚误差与壁厚标志点的u、v参数构建壁厚误差三维空间映射曲面S(u,v,ΔT)；
步骤3.2：三维空间映射关系为ΔT＝S(u,v)，当i＝1,2,…N时，ΔTi＝S(ui,vi)；
其中，Ni,j(u)、Ni,j(v)为关于u和v的伯恩斯坦基函数，di,j是以(u,v,ΔT)为对象、以德波尔考克斯Cox-deBoor递推公式确定的控制顶点，k为伯恩斯坦基的数量，l为控制定点的数量；
所述步骤4具体为：
步骤4.1：理论刀轨信息包括刀位点信息刀轴信息/>及u、v参数信息，即
步骤4.2：修正后刀轨信息表达如下：
步骤4.3：刀轴信息不修正，即u，v是默认的曲面参数，保持不变，根据下式修正刀位点信息：
ΔTn＝S(un,vn)
其中，α为刀轨修正的经验系数，根据零件的刚性、变形状态确定，1≤α≤2；
壁厚标志点的u、v参数是指在CAD中叶片型面被表达为NURBS曲面的参数，即叶片型面恒定U曲线参数，恒定V曲线参数。
2.如权利要求1所述的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，其特征在于，在步骤1前对空心风扇叶片进行铣削外型面加工，并预留精加工磨抛余量。
3.如权利要求1所述的基于壁厚约束的空心风扇叶片型面磨抛刀轨修正方法，其特征在于，所述步骤1中的壁厚实测值为壁厚标志点沿法矢方向到空腔内壁的距离。
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