CN114547786A - 一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，本发明通过对薄壁叶片加工时产生的加工变形误差进行预算，第二叶片截面曲线按照加工变形误差的平均值区域划分，本发明采用弦公差法可以使测点在第二叶片截面曲线上自适应分布，使得第二叶片截面曲线上加工变形误差大的区域增加测点分布，加工变形误差小的区域减少测点的分布，对叶片型面测点分布进行了更加合理的划分，使得测量点的分布既符合叶片曲率特征的分布，又与加工变形误差分布相适应，用更少的测点反映更多叶片的真实加工状态，提高叶片在机检测的精度和效率。

Description

一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法
技术领域
本发明涉及数控机床加工精度领域，具体而言，涉及一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法。
背景技术
叶片作为航空发动机的重要部件，其加工制造精度对于发动机的整体性能起着至关重要的作用。在叶片的五轴加工中，通过对叶片表面测点的数据信息进行提取来反映叶片的真实加工状态。测点的数量和分布对提高测量的精度和效率起着决定性的作用，因此有必要对叶片测点规划方法进行分析。
弯扭薄壁叶片的设计是通过一组二维截面曲线放样拟合完成的，为了保证气动性要求和能量转换效率，如图1所示，弯扭薄壁叶片二维截面曲线的中弧线与叶片弦线不平行产生机翼弯曲，叶片的叶尖和叶根弦线存在扭曲角产生扭曲，叶片的薄壁特性主要体现在加工过程中产生的变形和振动；国内外学者主要从叶片的几何特征和模型重构两方面对叶片进行测点规划，但却没有考虑叶片加工过程中产生的加工变形误差。这导致测点的分布与加工变形误差分布不相符，无法准确反映出叶片的真实加工状态。因此，考虑加工变形的叶片的测点规划方法是必要的。
发明内容
本发明解决的问题是如何对产生加工变形误差的叶片进行测点规划分布，准确反映叶片的真实加工状态。
为解决上述问题，本发明提供一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，具体包括：
步骤1、建立弯扭薄壁叶片的三维叶片模型；
步骤2、沿叶片高度方向在三维叶片模型上截取若干个第一叶片截面曲线；根据每个第一叶片截面曲线的中弧线获取每个第一叶片截面的前缘点和后缘点，拟合所有前缘点、后缘点分别得到前缘轮廓线和后缘轮廓线；
步骤3、根据叶片的高度和预设的比例系数得到叶片实际需要测量的第二叶片截面曲线的数量；从前缘轮廓线和后缘轮廓线上自适应得到第二叶片截面曲线的分布点，继而得到第二叶片截面曲线；
步骤4、采用弦公差法在第二叶片截面曲线上进行测点自适应分布；
步骤5、计算叶片在加工过程中受到的平均铣削力；
步骤6、对三维叶片模型正面和背面的叶片型面进行网格划分，每个叶片型面上形成M×N个受力点；通过将平均铣削力施加到每个受力点上预测每个叶片型面上受力点的加工变形误差；
步骤7、根据第二叶片截面曲线在叶片型面上的位置得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布；
步骤8、根据步骤6得到的加工变形误差计算得到加工变形误差的平均值；根据平均值对第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布进行区域划分；然后结合各个区域上第二叶片截面曲线的曲率使测点在各个测点自适应分布，提取各个区域内的测点并组合，得到对应的第二叶片截面曲线上测点的分布。
本发明的有益效果是：本发明通过对薄壁叶片加工时产生的加工变形误差进行预算，第二叶片截面曲线按照加工变形误差的平均值区域划分，本发明采用弦公差法可以使测点在第二叶片截面曲线上自适应分布，使得第二叶片截面曲线上加工变形误差大的区域增加测点分布，加工变形误差小的区域减少测点的分布，对叶片型面测点分布进行了更加合理的划分，使得测量点的分布既符合叶片曲率特征的分布，又与加工变形误差分布相适应，用更少的测点反映更多叶片的真实加工状态，提高叶片在机检测的精度和效率。
作为优选，所述步骤2中采用等高法沿叶片高度方向在三维叶片模型上截取第一叶片截面曲线。
作为优选，所述步骤3中第二叶片截面曲线的数量为：
m＝c·L
式中，m为第二叶片截面曲线的数量，c为比例系数；L为叶片的高度；
所述第二叶片截面曲线获得具体包括：
利用弦公差法分别从前缘轮廓线、后缘轮廓线上得到m个分布点，连接前缘轮廓线和后缘轮廓线上的分布点在三维叶片模型上得到m个第二叶片截面曲线。
作为优选，所述步骤5中平均铣削力计算公式为：
Figure BDA0003441329830000031
Figure BDA0003441329830000032
Figure BDA0003441329830000033
式中，Ft为切向分力；Fr为径向分力；Fa为轴向分力；ap为切削深度；vt为切削速度，vt＝nπD/1000,n为刀具直径，D为主轴转速；fe为进给速度；ae为切削宽度；ψ为刀具倾角。
作为优选，所述步骤7中得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布具体包括：根据预测得到两个叶片型面上的加工变形误差，利用绘图软件绘制得到变形误差云图；根据第二叶片截面曲线分别在两个叶片型面上的位置，截取预设点数，绘制得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布。
作为优选，所述步骤8中采用弦公差法在第二叶片截面曲线的各个区域获得测点具体为利用第二叶片截面曲线上各个区域的曲率分别计算弦偏差，利用弦公差法使测点在第二叶片截面曲线上各个区域的自适应分布，通过将加工变形误差融入叶片型面中，再通过第二叶片截面所在位置获得具有加工变形误差分布的第二叶片截面曲线，然后根据加工变形误差的平均值对第二叶片截面曲线进行分区，通过不同区域内结合叶片截面曲线的曲率，采用弦公差法对不同区域的截面曲线的测点进行自适应分布，得到更加合理的第二叶片截面曲线上测点分布。
附图说明
图1为现有技术中弯扭薄壁叶片二维截面曲线图；
图2为步骤2截取的第一叶片截面曲线的示意图；
图3为第一叶片截面曲线的前缘点、后缘点示意图；
图4为前缘轮廓线和后缘轮廓线示意图；
图5为前缘轮廓线和后缘轮廓线上分布点的分布示意图；
图6为步骤3得到6个第二叶片截面曲线的示意图；
图7为步骤4中基于第二叶片截面曲线曲率的测量点分布图；
图8为三维叶片模型的正面叶片型面和背面叶片型面的受力点示意图；
图9为三维叶片模型的正面叶片型面和背面叶片型面的上受力点的加工变形误差示意图；
图10为正面叶片型面上6个第二叶片截面曲线加工变形误差截线图；
图11为背面叶片型面上6个第二叶片截面曲线加工变形误差截线图；
图12为考虑了加工变形误差的第二叶片截面曲线的区域划分示意图；
图13为弯扭薄壁叶片的整体测点分布图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，具体包括：
步骤1、利用三维软件建立弯扭薄壁叶片的三维叶片模型；
步骤2、预设间隔距离等高法沿叶片高度方向在三维叶片模型上截取若干个第一叶片截面曲线，如图2所示；根据每个第一叶片截面曲线的中弧线获取每个第一叶片截面的前缘点和后缘点，如图3所示，用NURBS曲线分别前缘点、后缘点组成的点集拟合，得到前缘轮廓线和后缘轮廓线，如图4所示；
步骤3、根据叶片的高度和预设的比例系数得到叶片实际需要测量的第二叶片截面曲线的数量；第二叶片截面曲线的数量为：
m＝c·L
式中，m为第二叶片截面曲线的数量，c为比例系数；L为叶片的高度；本具体实施例的比例系数预设为0.2，叶片的高度为30，为此，本具体实施例的第二叶片截面曲线的数量为6；
利用弦公差法分别从前缘轮廓线、后缘轮廓线上自适应得到6个分布点，如图5所示，连接前缘轮廓线和后缘轮廓线上的分布点在三维叶片模型上得到6个第二叶片截面曲线，如图6所示；
步骤4、采用弦公差法在第二叶片截面曲线上进行测点自适应分布，因为没有考虑叶片加工过程中产生的加工变形误差，导致测点的分布如图7所示；为此，本具体实施例在此基础上进一步修改，进入步骤5；
步骤5、本具体实施例的叶片采用点铣加工方式，为此计算叶片在加工过程中受到的平均铣削力；
Figure BDA0003441329830000051
Figure BDA0003441329830000052
Figure BDA0003441329830000053
式中，Ft为切向分力；Fr为径向分力；Fa为轴向分力；ap为切削深度；vt为切削速度，vt＝nπD/1000,n为刀具直径，D为主轴转速；fe为进给速度；ae为切削宽度；ψ为刀具倾角，刀具倾角具体为刀具与叶片的法矢量和刀轴矢量的夹角；
步骤6、对三维叶片模型正面和背面的叶片型面进行网格划分，每个叶片型面上形成M×N个受力点，本具体实施例采用在叶片型面u、v两个方向上均匀分布15×11个受力点，如图8所示；利用有限元仿真软件通过将平均铣削力施加到每个受力点上预测每个叶片型面上受力点的加工变形误差，如图9所示；本具体实施例的有限元仿真软件例如现有技术的abaqus软件，此处不做过多赘述；
步骤7、根据预测得到两个叶片型面上的加工变形误差，利用现有技术的绘图软件绘制得到变形误差云图；并根据第二叶片截面曲线分别在两个叶片型面上的位置，截取10个点数，绘制得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布，如图10-11所示；
步骤8、根据步骤5得到的加工变形误差计算得到加工变形误差的平均值；根据平均值对第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布进行区域划分，本具体实施例根据平均值将第二叶片截面曲线分成6个区域，如图13所示；然后结合各个区域上第二叶片截面曲线的曲率，采用弦公差法使测点在各个测点自适应分布，提取各个区域内的测点并组合，得到弯扭薄壁叶片的整体测点分布，将如图13所示。
本具体实施例的叶片截面曲线为NURBS曲线P(u)，NURBS曲线称为非均匀有理B样条曲线，其数学定义如下：
Figure BDA0003441329830000061
式中Ni,k(u)为k次B样条基函数；di为曲线的控制顶点；ωi为控制顶点的权因子；
本具体实施例的叶片型面是利用叶片截面曲线放样得到的自由曲面，用NURBS曲面S(u,v)来表示；在u方向k次，在v方向l次的NURBS曲面表示成为双变量分段有理矢值函数的形式，其数学定义如下：
Figure BDA0003441329830000062
式中Ni,k(u)和Nj,l(v)分别为沿曲面u向的k次和沿v向的l次的非均匀有理B样条基函数。di,j(i＝0,1,…,m；j＝0,1,…,n)为曲面控制顶点；ωi,j为控制顶点的权因子；
而本具体实施例的弦公差法具体为一种NURBS曲线上插值取点的方法，在插值过程中通过控制弦偏差来完成测点在第二叶片截面曲线上的分布；利用第二叶片截面曲线的曲率计算弦偏差，计算公式如下：
Figure BDA0003441329830000071
式中δ为弦偏差；ρi是NURBS曲线P(u)上参数值为ui处的曲率半径；Li为曲线上相邻两点向量的长度；Li的计算公式为：
Figure BDA0003441329830000072
式中：
ki为NURBS曲线P(u)上任一点的曲率，
Figure BDA0003441329830000073
ui+1为在NURBS曲线P(u)上，已知前一点参数值ui计算获得下一点参数值，其表达式如下：
Figure BDA0003441329830000074
P(ui+1)NURBS曲线P(u)在参数值ui+1处在参数值ui处的泰勒展开，展开式为：
P(ui+1)＝P(ui)+P'(ui)×(ui+1-ui)+
通过弦偏差的大小可以控制测点在曲线上的分布密度；本发明利用弦公差法可以使测点在第二叶片截面曲线上自适应分布。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，具体包括：
步骤1、建立弯扭薄壁叶片的三维叶片模型；
步骤2、沿叶片高度方向在三维叶片模型上截取若干个第一叶片截面曲线；根据每个第一叶片截面曲线的中弧线获取每个第一叶片截面的前缘点和后缘点，拟合所有前缘点、后缘点分别得到前缘轮廓线和后缘轮廓线；
步骤3、根据叶片的高度和预设的比例系数得到叶片实际需要测量的第二叶片截面曲线的数量；从前缘轮廓线和后缘轮廓线上自适应得到第二叶片截面曲线的分布点，继而得到第二叶片截面曲线；
步骤4、采用弦公差法在第二叶片截面曲线上进行测点自适应分布；
步骤5、计算叶片在加工过程中受到的平均铣削力；
步骤6、对三维叶片模型正面和背面的叶片型面进行网格划分，每个叶片型面上形成M×N个受力点；通过将平均铣削力施加到每个受力点上预测每个叶片型面上受力点的加工变形误差；
步骤7、根据第二叶片截面曲线在叶片型面上的位置得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布；
步骤8、根据步骤6得到的加工变形误差计算得到加工变形误差的平均值；根据平均值对第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布进行区域划分；然后结合各个区域上第二叶片截面曲线的曲率使测点在各个测点自适应分布，提取各个区域内的测点并组合，得到对应的第二叶片截面曲线上测点的分布。
2.根据权利要求1所述的一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，所述步骤2中采用等高法沿叶片高度方向在三维叶片模型上截取第一叶片截面曲线。
3.根据权利要求1所述的一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，所述步骤3中第二叶片截面曲线的数量为：
m＝c·L
式中，m为第二叶片截面曲线的数量，c为比例系数；L为叶片的高度；
所述第二叶片截面曲线获得具体包括：
利用弦公差法分别从前缘轮廓线、后缘轮廓线上得到m个分布点，连接前缘轮廓线和后缘轮廓线上的分布点在三维叶片模型上得到m个第二叶片截面曲线。
4.根据权利要求1所述的一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，所述步骤5中平均铣削力计算公式为：
Figure FDA0003441329820000021
Figure FDA0003441329820000022
Figure FDA0003441329820000023
式中，Ft为切向分力；Fr为径向分力；Fa为轴向分力；ap为切削深度；vt为切削速度，vt＝nπD/1000,n为刀具直径，D为主轴转速；fe为进给速度；ae为切削宽度；ψ为刀具倾角。
5.根据权利要求1所述的一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，所述步骤7中得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布具体包括：根据预测得到两个叶片型面上的加工变形误差，利用绘图软件绘制得到变形误差云图；根据第二叶片截面曲线分别在两个叶片型面上的位置，截取预设点数，绘制得到第二叶片截面曲线上的加工变形误差分布。
6.根据权利要求1所述的一种考虑加工变形的弯扭薄壁叶片测点规划方法，其特征在于，所述步骤8中采用弦公差法在第二叶片截面曲线的各个区域获得测点具体为利用第二叶片截面曲线上各个区域的曲率分别计算弦偏差，利用弦公差法使测点在第二叶片截面曲线上各个区域的自适应分布。
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