CN114683177B - 基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法 - Google Patents

基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，具体包括以下步骤：S1：加工区域的预处理将待加工的复杂曲面根据轮廓曲率变化划分为若干加工区域，对每一个加工区域设定相应的磨料水射流加工策略，加工策略包括磨料水射流加工的几何量参数和物理量参数；S2：针对每一个加工区域，将加工区域的外轮廓线作为磨料水射流的加工路径；S3：结合几何量参数和物理量参数优化加工策略；S4：按照步骤S3优化的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工，观察是否存在过切现象，若不存在，则输出加工策略，进入S5；S5：根据输出的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工。

Description

基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法
技术领域
本发明涉及磨料水射流加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法。
背景技术
随着加工技术不断发展，特别是磨料水射流技术的诞生，从加工范围从塑料、玻璃、到现在加工材料为高硬、超脆、超黏的难加工材料方向发展；磨料水射流技术加工过程中磨料水射流加工技术属于高压水和高速磨粒的相互混合加工目标表面，属于冷态加工，加工过程中不产生热量，与传统加工技术的加工表面产生的热量相比，保持工件原有的材料性能。其次，由于磨料水射流加工技术射流路径轨迹沿着加工表面轮廓进行加工，与传统加工技术相比，降低了加工时间、提高的加工效率。
当前，加工复杂曲面面临的主要问题包括：
(1)整体结构复杂：结构具有强几何干涉、低刚度、多流道结构，例如飞机发动机整体叶轮的叶片薄(0.2-0.6mm)、型面为空间自由曲面、扭曲度大，叶片相间狭窄，采用传统加工方式加工可达性差、效率低；
(2)材料难加工：整体叶盘和叶轮多采用合金化程度高的热强钢、钛合金及高温合金等难加工材料制成，其切削力是普通钢材的2～4倍，且刀具磨损十分严重。通常一把千元以上的进口铣刀加工钛合金材料的平均寿命或耐用度约2.5-3.5hr，加工一个直径
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整体叶盘，仅刀具费用就高达3-6万元人民币，占其生产成本60％以上；
(3)加工精度要求高：整体叶盘和叶轮必须具有精确的尺寸、准确的几何形状和严格的表面完整性。
发明内容
针对上述提出的现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，能够实现磨料水射流加工三维复杂曲面。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，具体包括以下步骤：
S1：加工区域的预处理
将待加工的复杂曲面根据轮廓曲率变化划分为若干加工区域，对每一个加工区域设定相应的磨料水射流加工策略，加工策略包括磨料水射流加工的几何量参数和物理量参数；
S2：针对每一个加工区域，将加工区域的外轮廓线作为磨料水射流的加工路径；
S3：结合几何量参数和物理量参数优化加工策略；
S4：按照步骤S3优化的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工，观察是否存在过切现象，若存在，则返回步骤S3优化加工策略，若不存在，则输出加工策略，进入S5；
S5：根据输出的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工。
进一步地，S3具体包括：
计算每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差；
求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差；
根据几何量驻留时间T1，通过几何量去除函数在面形误差中去除调控面形误差得到中高频误差；
根据中高频误差和物理量去除函数计算物理量驻留时间T2，进而根据物理量驻留时间T2调节每一个加工策略中的物理量参数，得到优化后的加工策略。
进一步地，通过高斯多项式计算得到每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差。
进一步地，采用反卷积的方法求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差。
进一步地，几何量参数包括水射流靶距、喷射角度和进给速度。
进一步地，物理量参数包括水射流的水压力和磨料供给量。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，将复杂的曲面按照加工特征划分成各个加工区域，并且采用几何量调节系统中驻留时间、喷射角度、进给速度和靶距和物理量中水压力和磨料供给量的调整系统进行组合的优化路径规划，通过物理量和几何量实时调整，以达到磨料水射流加工复杂曲面的目的。
基于上述理由本发明可在磨料水射流加工领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述磨料水射流曲面加工方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，具体包括以下步骤：
S1：加工区域的预处理
将待加工的复杂曲面根据轮廓曲率变化划分为若干加工区域，对每一个加工区域设定相应的磨料水射流加工策略：
S＝{SMFi|i＝1,2,......,t}
其中，SMF表示加工区域，t为SMF的数目，当t＞1时，说明曲面几何信息的划分加工特征呈现规律性分布，需要对复杂曲面进行分区优化加工；
为了保证加工磨料水射流加工复杂曲面的准确性，本发明设定的加工策略包括磨料水射流加工的几何量参数和物理量参数；
S2：针对每一个加工区域，将加工区域的外轮廓线作为磨料水射流的加工路径；
S3：结合几何量参数和物理量参数优化加工策略；
S4：按照步骤S3优化的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工，观察是否存在过切现象，若存在，则返回步骤S3优化加工策略，若不存在，则输出加工策略，进入S5；
S5：根据输出的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工。
进一步地，S3具体包括：
计算每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差；
求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差；
根据几何量驻留时间T1，通过几何量去除函数在面形误差中去除调控面形误差得到中高频误差；
根据中高频误差和物理量去除函数计算物理量驻留时间T2，进而根据物理量驻留时间T2调节每一个加工策略中的物理量参数，得到优化后的加工策略；
磨料水射流加工复杂曲面不能形成理想的加工要求，比如在加工过程中产生过切的现象时，本发明通过几何量参数与物理量参数的调控使得加工过程中实时的材料去除量能够保持一致；
由于加工过程中，针对不同的加工区域，磨料水射流的几何量驻留时间长短有所不同，从而引起冲蚀量的大小有所不同，本发明通过对物理量参数的调节，来补偿几何量调节引起冲蚀能量的变化，从而使得不管几何量驻留时间的变化，不会导致在任意时刻的冲蚀能量的变化。
进一步地，通过高斯多项式计算得到每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差。
进一步地，采用反卷积的方法求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差。
进一步地，几何量参数包括水射流靶距、喷射角度和进给速度。
进一步地，物理量参数包括水射流的水压力和磨料供给量。
采用本发明所述加工方法加工复杂曲面与传统铣削加工系统相比，大幅提高了加工速度，提高了生产效率，缩短生产工期。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：加工区域的预处理
将待加工的复杂曲面根据轮廓曲率变化划分为若干加工区域，对每一个加工区域设定相应的磨料水射流加工策略，加工策略包括磨料水射流加工的几何量参数和物理量参数；
S2：针对每一个加工区域，将加工区域的外轮廓线作为磨料水射流的加工路径；
S3：结合几何量参数和物理量参数优化加工策略；
S4：按照步骤S3优化的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工，观察是否存在过切现象，若存在，则返回步骤S3优化加工策略，若不存在，则输出加工策略，进入S5；
S5：根据输出的加工策略对待加工复杂曲面模拟进行磨料水射流加工；
S3具体包括：
计算每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差；
求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差；
根据几何量驻留时间T1，通过几何量去除函数在面形误差中去除调控面形误差得到中高频误差；
根据中高频误差和物理量去除函数计算物理量驻留时间T2，进而根据物理量驻留时间T2调节每一个加工策略中的物理量参数，得到优化后的加工策略。
2.根据权利要求1所述的基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，其特征在于，通过高斯多项式计算得到每一个加工策略中几何量参数的调控面形误差。
3.根据权利要求1所述的基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，其特征在于，采用反卷积的方法求解每一个加工策略对应的磨料水射流几何量驻留时间T1，同时求解根据不同加工策略中几何量参数及对应的驻留时间T1的变化产生的面形误差。
4.根据权利要求1所述的基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，其特征在于，几何量参数包括水射流靶距、喷射角度和进给速度。
5.根据权利要求1所述的基于多维运动和多物理量协同实时调控的磨料水射流曲面加工方法，其特征在于，物理量参数包括水射流的水压力和磨料供给量。
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