CN114952411A - 飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，将待加工叶片的实际型面与叶片理论数模进行型面拟合；并根据叶片的理论数模，在数控加工平台上，布置可上下调节的点阵支撑单元；将待加工的叶片，放置于步骤二布置的点阵支撑单元上，调整各支撑单元，使其均与叶片接触，使叶片实际放置位置与理论数模相匹配；待叶片定位好后，对叶片的榫根部位进行加工，切除余量部分，即可得到与实际叶型最匹配的榫根加工结果。本发明，保证了叶片在发动机上的安装精度，且基于实际叶片型面调节的支撑，不对叶片施加外力，不会造成装夹变形，保证叶片后续安装及使用质量。此外，本发明方法具备明显的通用性，具有良好的实用价值与推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其涉及航空发动机，高性能复合材料叶片的机加制造；具体涉及飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法。
背景技术
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，被称为飞机的心脏。其不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力。大涵道比涡扇发动机是航空发动机的一种，由于具有耗油率低、噪声小的特点，发动机被广泛用于大型民用和军用运输机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机、反潜机等。大尺寸风扇是大涵道比涡扇发动机的特有技术，其设计要求是效率高、噪声低、重量轻、抗外物损伤能力强。传统的工艺为采用金属材料制备大涵道比涡扇发动机风扇的叶片，但随着发动机涵道比的增加，风扇的直经增加，其质量也会相应增加，这不利于飞机的轻量化设计。树脂基复合材料，由于其具有质轻高强、结构可设计、抗疲劳性能好、阻尼减震性能优异、易于一体化整体成型的优点，已成为飞机发动机叶片的理想结构材料。
航空发动机风扇是通过叶片的榫根上的榫齿将叶片连接到发动机轮盘上。叶片安装的姿态及精度，在很大程度上决定了叶片运转所发挥的性能。因此叶片榫根的加工精度及其与叶型的适应性变得尤为关键，也成为叶片机加的关键技术。采用金属材料制备的叶片，其叶型及榫根位置全部采用数控机床整体加工，可以保证叶型与榫根加工的适应性。然而，复合材料制备的叶片，其叶型精度是由成型工装及工艺保证的，其榫根位置若直接成型，则不能满足设计的精度要求，因此通常是通过带余量成型，然后采用数控二次加工的方式保证其精度。但由于叶型与榫根采用两种加工方式，其基准传递路径存在较大的难度，无法保证榫根加工与实际叶型相匹配。
发明内容
针对上述的采用数控二次加工榫根位置，无法保证榫根加工与实际叶型相匹配的问题，本发明提供一种飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，将已成型的叶片型面数据与叶片理论型面拟合，然后根据最佳拟合结果调整叶片加工支撑单元，建立加工基准，得到与实际叶片型面相匹配的榫根加工结果。具体技术方案如下：
一种飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，包括如下步骤：
步骤1）：型面拟合
扫描待加工的复合材料叶片实际型面，将扫描得到的数据与叶片理论数模进行型面拟合，得到实际型面与理论型面的最佳匹配结果；
步骤2）：布置点阵支撑单元
根据复合材料叶片的理论数模，在数控加工平台上，布置可上下调节的点阵支撑单元，用于复合材料叶片的加工支撑；所述点阵支撑单元为多个支撑单元组成，各支撑单元沿复合材料叶片型面均匀分布，支撑单元的顶端与叶片的接触点依据理论坐标调整高度至对应位置；
步骤2）：定位叶片
将待加工的复合材料叶片，放置于步骤二布置的点阵支撑单元上，调整各支撑单元，使其适应复合材料叶片型面，保证各支撑单元均与叶片接触，使复合材料叶片实际放置位置与理论数模相匹配；
步骤4）：加工叶片
待复合材料叶片定位后，对其榫根部位进行加工，切除余量部分，即可得到与实际叶型最匹配的榫根加工结果。
前述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，步骤1）所述的型面拟合，具体操作为：
步骤1-1）：采用3D光学扫描设备，对成型的复合材料叶片进行扫描，并将扫描的结果生成3D点云数据；
步骤1-2）：通过测量软件将扫描得到的复合材料叶片实际型面3D点云数据与叶片理论数模进行型面拟合，得到实际型面与理论型面的最佳匹配结果。
优选的，步骤1-1）中，所述的3D光学扫描设备为形创3D扫描仪；步骤1-2）中所述测量软件为PolyWoks测量软件。
前述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，步骤2）中，所述的支撑单元包括驱动电机、升降螺杆和支撑套杆；所述驱动电机位于数控加工平台的台面之下，所述升降螺杆一端连接驱动电机，另一端穿过数控加工平台伸出台面，所述支撑套杆套设在升降螺杆位于数控加工平台台面上的一端，用于接触并支撑复合材料叶片。
优选的，所述支撑套杆的顶部均设计为球面形式，其与复合材料叶片接触的支撑点视为点接触；且各支撑单元的支撑点位置依据支撑套杆的轴线方向抬升。
前述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，所述支撑套杆的顶部还设置有压力反馈装置，用于反馈支撑单元与复合材料叶片的接触情况。
优选的，所述压力反馈装置为传感器，其反馈支撑单元是否与复合材料叶片接触，以判断复合材料叶片是否放置到位。
前述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，步骤4）所述的加工叶片，为基于步骤3）中复合材料叶片在加工平台上的定位结果，和基于加工平台基准建立的加工坐标系，按照叶片理论数模型面进行加工。
本发明有益效果：
1）本发明基于实际已成型的叶片型面结果，加工榫根，得到了与实际型面最匹配的加工结果，保证了叶片在发动机上的安装精度。
2）本发明具备通用性，适应差异的叶片型面，达到相同的效果。
3）本发明采用点阵支撑单元，可根据实际拟合结果，自动获取支撑点坐标，实现自动调节。
4）本发明基于实际叶片型面调节的支撑，不对叶片施加外力，不会造成装夹变形。
附图说明
图1为本发明待加工的飞机发动机复合材料叶片结构图；
图2为本发明飞机发动机复合材料叶片实际型面与叶片理论型面拟合结果图；
图3为本发明支撑单元结构图；
图4为本发明待加工的复合材料叶片放置于点阵支撑单元上的状态图；
图5为本发明飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法加工装置图。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图，对本发明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较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
实施例
本实施例是一种飞机发动机复合材料叶片的自适应加工方法，参照图1至图5，该方法包括以下步骤：
步骤一：型面拟合
采用形创3D扫描设备扫描由专用成型工装成型的复合材料叶片，得到成型的复合材料叶片的实际型面，并将扫描的结果生成3D点云数据。该叶片结构如图1所示，其结构包含叶身和榫根，其中榫根区带有余量，需要通过数控机加至理论形状。
在PolyWoks测量软件中将扫描得到的3D点云数据与叶片理论数模进行型面拟合，得到实际型面与理论型面的最佳匹配结果，如图2所示。
步骤二：布置点阵支撑单元
根据复合材料叶片型面在加工平台上布置点阵支撑单元，所述点阵支撑单元为多个支撑单元依据复合材料叶片型面均匀点阵分布布置，且各支撑单元均可可上下调节，使其与复合材料叶片接触。本实施例中，所述支撑单元包括驱动电机、升降螺杆和支撑套杆；所述驱动电机位于数控加工平台的台面之下，所述升降螺杆一端连接驱动电机，另一端穿过数控加工平台伸出台面，所述支撑套杆套设在升降螺杆位于数控加工平台台面上的一端，用于接触并支撑复合材料叶片，如图3所示。所述支撑套杆的顶部均设计为球面形式，其与复合材料叶片接触的支撑点视为点接触；且各支撑单元的支撑点位置均依据支撑套杆的轴线方向抬升，使其支撑位置与叶片实际拟合后的点云数据形成的最近接触点。
步骤三：定位叶片
为了保证所有点阵支撑单元与复合材料叶片接触，保证支撑效果，所述支撑单元支撑套杆的顶端设置压力反馈装置，用于反馈支撑单元与复合材料叶片的接触情况。本实施例中该压力反馈装置为压力传感器。复合材料叶片放置于布置的点阵支撑单元上，若收到压力传感器反馈则该支撑单元与叶片接触，若压力传感器没有反馈，则通过沿轴线方向抬升升降螺杆微调，保证所有支撑单元均接收到压力反馈，若所有支撑单元均由压力反馈，则判断叶片已经放置到位，此状态下的叶片放置到了理想的位置，如图4所示。所有支撑单元按照对应接触点的坐标，升到对应高度，将叶片放置于点阵支撑单元上，所示支撑单元通过配备的压力传感器，检测叶片放置后是否与每个支撑单元接触，在此过程中，通过微调，保证所有支撑单元均接收到压力反馈，此状态下的叶片放置到了理想的位置。
步骤四：加工叶片
根据步骤三的定位结果，如图4所示，采用加工平台建立机床加工基准，按照理论型面，对实际零件进行加工，得到与实际叶型最匹配的榫根加工结果，从而保证叶片安装姿态满足要求。
本发明思路是基于实际已成型的叶片实际型面与理论型面拟合结果，加工榫根，得到了与实际型面最匹配的榫根加工结果，保证了叶片在发动机上的安装精度。本发明采用点阵支撑单元，可根据实际拟合结果，自动获取支撑点坐标，实现自动调节。且本发明基于实际叶片型面调节的支撑，不对叶片施加外力，不会造成装夹变形，保证叶片后续安装及使用质量。此外，本发明方法具备明显的通用性，通过过调整点阵支撑可适应差异的叶片型面，并能达到上述相同的效果。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1）：型面拟合
扫描待加工的复合材料叶片实际型面，将扫描得到的数据与叶片理论数模进行型面拟合，得到实际型面与理论型面的最佳匹配结果；
步骤2）：布置点阵支撑单元
根据复合材料叶片的理论数模，在数控加工平台上，布置可上下调节的点阵支撑单元，用于复合材料叶片的加工支撑；所述点阵支撑单元为多个支撑单元组成，各支撑单元沿复合材料叶片型面均匀分布，支撑单元的顶端与叶片的接触点依据理论坐标调整高度至对应位置；
步骤2）：定位叶片
将待加工的复合材料叶片，放置于步骤二布置的点阵支撑单元上，调整各支撑单元，使其适应复合材料叶片型面，保证各支撑单元均与叶片接触，使复合材料叶片实际放置位置与理论数模相匹配；
步骤4）：加工叶片
待复合材料叶片定位后，对其榫根部位进行加工，切除余量部分，即可得到与实际叶型最匹配的榫根加工结果。
2.根据权利要求1所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：步骤1）所述的型面拟合具体操作为：
步骤1-1）：采用3D光学扫描设备，对成型的复合材料叶片进行扫描，并将扫描的结果生成3D点云数据；
步骤1-2）：通过测量软件将扫描得到的复合材料叶片实际型面3D点云数据与叶片理论数模进行型面拟合，得到实际型面与理论型面的最佳匹配结果。
3.根据权利要求3所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：步骤1-1）中，所述的3D光学扫描设备为形创3D扫描仪；步骤1-2）中所述测量软件为PolyWoks测量软件。
4.根据权利要求1所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：步骤2）中，所述的支撑单元包括驱动电机、升降螺杆和支撑套杆；所述驱动电机位于数控加工平台的台面之下，所述升降螺杆一端连接驱动电机，另一端穿过数控加工平台伸出台面，所述支撑套杆套设在升降螺杆位于数控加工平台台面上的一端，用于接触并支撑复合材料叶片。
5.根据权利要求4所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：所述支撑套杆的顶部均设计为球面形式，其与复合材料叶片接触的支撑点视为点接触；且各支撑单元的支撑点位置依据支撑套杆的轴线方向抬升。
6.根据权利要求4或5所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：所述支撑套杆的顶部还设置有压力反馈装置，用于反馈支撑单元与复合材料叶片的接触情况。
7.根据权利要求6所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：所述压力反馈装置为传感器，其反馈支撑单元是否与复合材料叶片接触，以判断复合材料叶片是否放置到位。
8.根据权利要求1所述的飞机发动机复合材料叶片的自适应加工定位方法，其特征在于：步骤4）所述的加工叶片，为基于步骤3）中复合材料叶片在加工平台上的定位结果，和基于加工平台基准建立的加工坐标系，按照叶片理论数模型面进行加工。
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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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