CN116243657B - 大叶片加工变形的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空叶片加工技术领域，公开了一种大叶片加工变形的控制方法，包括变形分析、形成一阶段预变形模型、粗加工、点位检测、修正一阶段预变形模型、半精加工、扫描检测、形成二阶段预变形模型、精加工、三坐标检测、修正二阶段预变形模型等工序。通过多个阶段的精准的数据分析和计算得到大叶片的第一理论变形量和第二理论变形量从而形成一阶段预变形模型和二阶段预变形模型，最后在辅以第三理论变形量，从通过多个阶段的预期变形量，然后重新建模和编程加工程序实现大叶片加工预变形，而实现了预设变形量和实际变形量相抵消，大幅减少加工变形，显著提高叶片加工精度。

Description

大叶片加工变形的控制方法

技术领域

本发明涉及航空叶片加工技术领域，尤其涉及一种大叶片加工变形的控制方法。

背景技术

航空空心大叶片通常应用于航空发动机风扇和压气机部位，为有效降低发动机的重量，此类叶片常用的材料为铝合金，其加工精度直接影响着航空发动机推力、推重比、耗油率等关键参数，因此其加工精度要求很高。而加工此类零件的技术难题一方面是航空空心铝合金大叶片叶型长度达到700-1000mm，弦长达到250-400mm，且叶身型面薄，结构刚性差，加工时容易产生切削振动，降低零件表面完整性和减少刀具寿命；另一方面此类叶片加工过程中的各个工序都会发生弯曲变形和扭转变形，造成零件的尺寸不符合图纸要求，变形发生在包括且不限于叶身粗铣工序、叶身精铣工序、叶身喷丸工序等，特别是空心叶片叶身空腔特征加工过程中加工变形情况尤为严重，原因是空心叶片壁厚薄只有1~3mm，切削力施加在薄壁叶身上会产生明显的加工变形。这些变形导致此类叶片加工精度低，一定程度上制约了航空发动机的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大叶片加工变形的控制方法，用于解决大叶片加工变形的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

大叶片加工变形的控制方法，用于控制加工航空空心大叶片时产生的变形，包括如下步骤：

S1、对大叶片的加工理论变形进行分析，输出成第一模型，并取得第一理论变形量；

S2、将所述第一模型结合所述第一理论变形量的负值逆向建模形成一阶段预变形模型；

S3、使用所述一阶段预变形模型在加工机床上对所述大叶片进行粗加工；

S4、对粗加工后的所述大叶片上的多个点位进行检测，得出粗变形量m，而当m＜n时，运行S6；当m≥n时，暂停所述加工机床并运行S5，其中n为“预设值1”；

S5、修正S2中的所述一阶段预变形模型后返回S3；

S6、使用所述加工机床对所述大叶片半精加工；

S7、对完成S6中的所述大叶片扫描检测，得出半精变形量g，而当g＜k时，进行理论变形分析取得第二理论变形量，并输出成第二模型后运行S9；而当g≥k时，暂停所述加工机床并运行S8，其中k为“预设值2”；

S8、修正半精加工的程序后返回S6；

S9、将所述第二模型结合所述第二理论变形量的负值逆向建模形成二阶段预变形模型；

S10、使用所述加工机床上对所述大叶片进行精加工；

S11、采用三坐标检测检测所述大叶片，三坐标检测的检测范围包括检测所述大叶片的叶形截面轮廓度、所述大叶片上多个档位截面的位置尺寸、所述档位截面的扭转角度，所述档位截面选取所述大叶片上长度方向上按照等距L划分为的点位(4)的截面，其中5mm≤L≤30mm；

S12、依据三坐标检测的结果判定所述大叶片的加工效果，若合格则完成加工；若不合格则进行S13；

S13、重复S1至S6，得到一个半精加工的大叶片,将预变形量x作为第三理论变形量修正所述二阶段预变形模型，其中预变形量x为“预设值3”；取加工前的若干试制的大叶片中各个所述档位截面的位置的平移变形量依次是x_a1、x_a2...x_an；取加工前的若干试制的大叶片各个所述档位截面的扭转角度的旋转变形量依次是x_b1、x_b2...x_bn；S13中所述预变形量x包括最优平移预变形量x_a以及最优旋转预变形量x_b；其中x_a=(x_a1+x_a2+...+x_an)/n、x_b=(x_b1+x_b2+...+x_bn)/n；

S14、利用S13中修正后的所述二阶段预变形模型对S13中得到的半精加工的所述大叶片进行精加工后返回S11。

作为优选，所述大叶片具有进气边和出气边，在S4中的所述点位包括多个靠近所述进气边的第一点以及多个靠近所述出气边的第二点，所述第一点距所述进气边的距离以及所述第二点距所述出气边的距离为5mm~20mm，相邻的所述第一点之间的距离以及相邻的所述第二点之间的距离为10mm~30mm。

作为优选，S10还包括对所述大叶片进行抛光、喷丸。

作为优选，S10和S14中的精加工包括对所述大叶片的叶身空腔的加工。

作为优选，所述叶身空腔具有相对的两个底壁以及两个所述底壁之间的两个侧壁，采用侧刃带断屑槽的圆鼻铣刀通过往复式大切深高速切削以形成两个所述底壁；采用具有锥度的球头刀通过垂直于所述球头刀的刀轴方向圆弧进刀，所述球头刀的侧刃贴合所述侧壁加工，所述球头刀的刀轴矢量随所述侧壁的角度而变化以加工形成两个所述侧壁。

作为优选，所述圆鼻铣刀的直径d≤30mm；所述圆鼻铣刀的长径比r≤5；所述圆鼻铣刀的圆角和所述大叶片的转接R角相同。

作为优选，所述球头刀的半径R1同所述大叶片的转接R角相同，所述球头刀的锥度为4°~16°。

作为优选，在所述S4、所述S7、所述S11中，将所述大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的截线，检测各个所述截线的位置，以检测得到所述大叶片的加工变形数据。

作为优选，在所述S5中，在所述一阶段预变形模型中，将所述S4中得到的所述截线按照所述粗变形量m的负值进行旋转和平移，以修正所述截线，将修复后的所述截线串联重新建模以修正所述一阶段预变形模型；

在所述S9中，在所述第二模型中，将所述S7中得到的所述截线按照所述第二理论变形量的负值进行旋转和平移，以修正所述截线，将修复后的所述截线串联重新建模以形成所述二阶段预变形模型；

在所述S13中，在所述二阶段预变形模型中，将所述S11中得到的所述截线按照所述第三理论变形量的负值进行旋转和平移，以修正所述截线，将修复后的所述截线串联重新建模以修正所述二阶段预变形模型。

本发明的有益效果：

通过多个阶段的精准的数据分析和计算得到大叶片的第一理论变形量和第二理论变形量从而形成一阶段预变形模型和二阶段预变形模型，最后在辅以第三理论变形量，从通过多个阶段的预期变形量以及对一阶段预变形模型和二阶段预变形模型的修正，然后重新建模和编程加工程序实现大叶片加工预变形，从而实现了预设变形量和实际变形量相抵消，大幅减少加工变形，显著提高叶片加工精度。

附图说明

图1是本发明大叶片加工变形的控制方法的流程图。

图2是本发明大叶片检测的点位的示意图。

图3是本发明加工叶身空腔的底壁采用的往复式大切深高速切削的示意图。

图4是本发明加工叶身空腔时球头刀的侧刃贴合侧壁的示意图。

图5是本发明大叶片沿长度方向按距离L划分的示意图。

图中：

1、进气边；2、出气边；3、叶身空腔；31、底壁；32、侧壁；4、点位。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1至图4所示，本实施例提供一种大叶片加工变形的控制方法，用于加工航空空心大叶片时控制加工过程的变形，如图2所示，航空空心大叶片具有进气边1和出气边2，并且还具有叶身空腔3，其中叶身空腔3为由两个相对的底壁31以及两个底壁31之间的两个侧壁32形成的空腔，且底壁31面向进气边1和出气边2；如图1、图3、图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1、基于有限元软件对加工大叶片时会产生加工变形的各个工序采用有限元分析软件进行变形分析，通过有限元软件输出第一模型，并通过有限元软件取得加工过程中会产生的第一理论变形量，需要指出的是有限元软件为现有软件，能够分析变形量，从而通过第一理论变形量能够分析出大叶片在加工时产生的初步预期变形。

步骤S2、将第一模型导入三维软件中，本实施例中三维软件可以采用但不限于UG，在第一模型的基础上，将第一理论变形量的负值进行逆向建模最终形成一阶段预变形模型，从而通过逆向建模可以补偿实际发生的变形，初步减小加工变形。

步骤S3、使用一阶段预变形模型在CAM软件中完成粗加工的数控编程，而后使用一阶段预变形模型在加工机床上对大叶片进行粗加工。本实施例中，CAM软件采用UG和RCS。而加工机床采用的是五轴联动铣床。

步骤S4、当粗加工完成后，利用加工机床上的在线检测对完成粗加工后的大叶片进行检测，选取大叶片上的多个点位4进行在线检测，具体的，如图5所示，在线检测时对将大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的截线，检测各个截线的位置的变形量，将检测结果记录在设备中；其中，测得检测的点位4的粗变形量m，需要指出的是，此处变形量指的是由于切削力的作业和切削后材料去除导致的工件内部残余应力释放而产生的工件塑性变形量。而当m＜n时，进行步骤S6；而当m≥n时，暂停加工机床并进行步骤S5。本实施例中n为“预设值1”，0.3mm≤n≤1mm，优选可以选取0.5mm。进一步地，本步骤中指的点位4包括多个靠近进气边1的第一点和多个靠近出气边2的第二点。可以理解是，在粗加工中无需加工特别精确，由此采用在大叶片上抽取多个第一点和第二点的方式进行在线检测足可以满足检测的要求。在本实施例中，每个第一点距离进气边1的距离以及第二点距离出气边2的距离为5mm~20mm；而相邻的第一点之间的距离以及的相邻的第二点之间的距离为10mm~30mm。

步骤S5、将粗变形量m进行分析，利用补偿原理修正一阶段预变形模型，以进一步控制变形量；具体的，在一阶段预变形模型中，将S4中得到的截线按照粗变形量m的负值进行旋转和平移，以修正截线，将修复后的截线串联重新建模以修正一阶段预变形模型；而后利用修正后的一阶段预变形模型继续步骤S3中的粗加工直至符合点位4的检测标准；需要说明的是，粗加工程序也可以按照一阶段预变形模型进行修正。

步骤S6、使用一阶段预变形模型或修正后一阶段预变形模型在CAM软件中，以粗加工的数控编程为基础完成半精加工的数控编程，亦或者在步骤S3中即完成半精加工的编程步骤，修正一阶段预变形模型时修正半精加工的数控编程。利用加工机床对完成粗加工后的大叶片进行半精加工，半精加工为粗加工和精加工工序之间进行的切削加工过程，其原理主要是进一步加大切削程度，此处不再进行赘述。本实施例中五轴联动铣床等类似加工机床上均可调整实现半精加工步骤。

步骤S7、对完成半精加工步骤的大叶片进行蓝光扫描，蓝光扫描为现有技术，是一种高精度尺寸测量方法，可通过蓝光三维扫描仪将物体扫描成三维模型，在此基础上进行一系列尺寸测量。具体的，依旧如图5所示，对将大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的截线，蓝光三维扫描仪检测各个截线的位置的变形量；蓝光扫描完成后能够得出大叶片的半精变形量g，其中当g＜k时，进行理论变形分析取得第二理论变形量，而通过第二理论变形量能够分析出大叶片在后续精加工时产生的预期变形量，而后输出成第二模型后进行步骤S9；而当g≥k时，加工机床暂停，并进行步骤S8，本实施例中k为“预设值2”，0.2mm≤k≤0.5mm，优选可以选取0.3mm。

步骤S8、修正半精加工的程序，而后返回步骤S6继续半精加工直至半精变形量符合标准。

步骤S9、将第二模型导入三维软件中，本实施例中三维软件可以采用但不限于UG。在第二模型的基础上，将第二理论变形量的负值进行逆向建模最终形成二阶段预变形模型，具体的，在第二模型中，将所述S7中得到的截线按照第二理论变形量的负值进行旋转和平移，以修正截线，将修复后的截线串联重新建模以形成二阶段预变形模型；从而通过逆向建模可以补偿实际发生的变形，进一步减小加工变形。

步骤S10、使用二阶段预变形模型在CAM软件中完成精加工数控编程；使用加工机床上对大叶片进行精加工；其中该精加工包括对大叶片的叶身空腔3加工；可以理解的是，也包括对大叶片的叶身外形轮廓加工的其他加工工序。而在叶身空腔3加工加工时，其中对于叶身空腔3的两底壁31的加工，加工机床上铣刀采用整体硬质合金的侧刃带断屑槽的圆鼻铣刀，从而通过侧刃实现材料的大量去除以取代常规刀片刀多层、小切深切削的底刃加工方式；切削方式采用往复式大切深高速切削加工，采用上述加工方式使加工步距均匀、切削力均匀、高转速切削应力小、高速加工切削应力作用时间短、切削应力的作用方向随着往复走刀周期性变化且相互抵消，在整个叶身空腔3加工过程中不施加长时间的单向作用力，因此可以显著减少切削变形。更为具体的，圆鼻铣刀的直径d≤30mm，可以减少切削力；圆鼻铣刀的长径比r≤5，可以保证圆鼻铣刀切削刚性，减少加工振动的产生，圆鼻铣刀长径比的计算方式为：长径比r=圆鼻铣刀伸出刀柄的程度L/圆鼻铣刀直径D；圆鼻铣刀的圆角和大叶片的转接R角相同，以保证加工精度，此处需要说明的是，圆角、转接R角等为本领域技术人员熟知的现有技术名称，此处不再进行赘述。

在补充加工底壁31过程中未完全加工到位的侧壁区域形成侧壁32时，由于叶身空腔3复杂的结构特点，叶身空腔3的侧壁32和底面通常不垂直，为了铣削侧壁32时不过切底面，加工机床上铣刀选用整体硬质合金锥度球头刀，切削方式采用垂直于球头刀的刀轴方向圆弧进刀，球头刀的刀具侧刃贴空腔侧壁32加工，球头刀的刀轴矢量随侧壁32角度而变化，实验证明的情况下，一般切削1~2层即可完成空腔侧壁32加工。更为具体的，球头刀的半径R1同大叶片的转接R角相同，球头刀的锥度为4°~16°，以保证加工精度。此外在大叶片加工的过程中需要对其进行旋转，而在大叶片在加工设备中的加工转速10000~30000r/min。从而采用上述步骤减小了叶身空腔3加工中的切削应力，并且缩短了切削力作用时间，减少了叶身空腔3加工的变形量。进一步地，此步骤中还包括对大叶片进行抛光、喷丸工序。

步骤S11、采用三坐标检测检测大叶片；依旧如图5所示，对将大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的截线，三坐标检测检测各个截线的位置的变形量，三坐标检测是检验工件的一种精密测量方法，判断该工件的误差是不是在公差范围之内。具体的，三坐标检测的检测范围包括检测大叶片的叶形截面轮廓度、大叶片多个档位截面的位置尺寸、大叶片多个档位截面的扭转角度；其中档位截面选取大叶片上长度方向上按照等距L划分为的点位4的截面，其中5mm≤L≤30mm。

步骤S12、依据三坐标检测的结果判定大叶片的加工效果，若符合成品标准，则表示大叶片加工合格，则完成加工可以进行下一个轮大叶片的加工；若不合格，则进行步骤S13。

步骤S13、一方面步骤S12中的大叶片作废，并重复步骤S1至步骤S6，从而得到一个新的半精加工的大叶片；另一方面将预设的预变形量x作为第三理论变形量修正二阶段预变形模型以减小变形误差量，其中x为“预设值3”。具体的，在二阶段预变形模型中，将S11中得到的截线按照第三理论变形量的负值进行旋转和平移，以修正截线，将修复后的截线串联重新建模以修正二阶段预变形模型。更为具体的，本实施例中的预变形量x包括最优平移预变形量x_a以及最优旋转预变形量x_b，而x_a和x_a可以通过正式加工前试制的大叶片取得，具体的，档位的选取可以按照步骤S9中描述的方式进行划分，其中在试制的大叶片中取各个档位截面的位置的平移变形量依次是x_a1、x_a2...x_an；取各个档位截面的扭转角度的旋转变形量依次是x_b1、x_b2...x_bn；其中x_a=(x_a1+x_a2+...+x_an)/n、x_b=(x_b1+x_b2+...+x_bn)/n。

步骤S14、利用步骤S13中的修正后的二阶段预变形模型，将修正后的二阶段预变形模型结合步骤S13中得到的半精加工的大叶片进行精加工处理，随后返回步骤S11继续进行三坐标检测，直至得到合格的大叶片。

由此采用上述的大叶片加工变形的控制方法，通过精准的数据分析和计算得到大叶片的预期变形量，然后重新建模和编程加工程序实现大叶片加工预变形，在整个加工过程中实施了三个阶段的检测，点位检测、光学扫描检测、三坐标检测三个阶段的检测，逐步修正加工变形，实现了预设变形量和实际变形量相抵消，大幅减少加工变形，显著提高叶片加工精度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.大叶片加工变形的控制方法，用于控制加工航空空心大叶片时产生的变形，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于有限元软件对大叶片的加工理论变形进行分析，输出成第一模型，并取得第一理论变形量；

S2、将所述第一模型结合所述第一理论变形量的负值逆向建模形成一阶段预变形模型；

S3、使用所述一阶段预变形模型在加工机床上对所述大叶片进行粗加工；

S4、对粗加工后的所述大叶片上的多个点位(4)进行检测，得出粗变形量m，而当m＜n时，运行S6；当m≥n时，暂停所述加工机床并运行S5，其中n为“预设值1”；

S5、将所述大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的所述点位(4)的截线，利用补偿原理，将所述截线按照所述粗变形量m的负值进行旋转和平移，以修正所述截线，将修复后的所述截线串联重新建模，以修正S2中的所述一阶段预变形模型后返回S3；

S6、使用所述加工机床对所述大叶片半精加工；

S7、对完成S6中的所述大叶片扫描检测，将所述大叶片沿长度方向按距离L分为若干个竖直的截线，检测各个所述截线的位置的变形量，得出半精变形量g，而当g＜k时，进行理论变形分析取得第二理论变形量，并输出成第二模型后运行S9；而当g≥k时，暂停所述加工机床并运行S8，其中k为“预设值2”；

S8、修正半精加工的程序后返回S6；

S9、将所述第二模型结合所述第二理论变形量的负值逆向建模形成二阶段预变形模型；

S10、根据所述二阶段预变形模型对所述大叶片进行精加工；

S11、采用三坐标检测检测所述大叶片，三坐标检测的检测范围包括检测所述大叶片的叶形截面轮廓度、所述大叶片上多个档位截面的位置尺寸、所述档位截面的扭转角度，所述档位截面选取所述大叶片上长度方向上按照等距L划分为的所述点位(4)的截面，其中5mm≤L≤30mm；

S12、依据三坐标检测的结果判定所述大叶片的加工效果，若合格则完成加工；若不合格则进行S13；

S13、步骤S12中的所述大叶片作废，并重复S1至S6，得到一个半精加工的大叶片,将预变形量x作为第三理论变形量修正所述二阶段预变形模型，其中预变形量x为“预设值3”；取加工前的若干试制的大叶片中各个所述档位截面的位置的平移变形量依次是x_a1、x_a2...x_an；取加工前的若干试制的大叶片各个所述档位截面的扭转角度的旋转变形量依次是x_b1、x_b2...x_bn；S13中所述预变形量x包括最优平移预变形量x_a以及最优旋转预变形量x_b；其中x_a=(x_a1+x_a2+...+x_an)/n、x_b=(x_b1+x_b2+...+x_bn)/n；

S14、利用S13中修正后的所述二阶段预变形模型对S13中得到的半精加工的所述大叶片进行精加工后返回S11。

2.根据权利要求1所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，所述大叶片具有进气边(1)和出气边(2)，在S4中的所述点位(4)包括多个靠近所述进气边(1)的第一点以及多个靠近所述出气边(2)的第二点，所述第一点距所述进气边(1)的距离以及所述第二点距所述出气边(2)的距离为5mm~20mm，相邻的所述第一点之间的距离以及相邻的所述第二点之间的距离为10mm~30mm。

3.根据权利要求1所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，S10还包括对所述大叶片进行抛光、喷丸。

4.根据权利要求1所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，S10和S14中的精加工包括对所述大叶片的叶身空腔(3)的加工。

5.根据权利要求4所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，所述叶身空腔(3)具有相对的两个底壁(31)以及两个所述底壁(31)之间的两个侧壁(32)，采用侧刃带断屑槽的圆鼻铣刀通过往复式大切深高速切削以形成两个所述底壁(31)；采用具有锥度的球头刀通过垂直于所述球头刀的刀轴方向圆弧进刀，所述球头刀的侧刃贴合所述侧壁(32)加工，所述球头刀的刀轴矢量随所述侧壁(32)的角度而变化以加工形成两个所述侧壁(32)。

6.根据权利要求5所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，所述圆鼻铣刀的直径d≤30mm；所述圆鼻铣刀的长径比r≤5；所述圆鼻铣刀的圆角和所述大叶片的转接R角相同。

7.根据权利要求5所述的大叶片加工变形的控制方法，其特征在于，所述球头刀的半径R1同所述大叶片的转接R角相同，所述球头刀的锥度为4°~16°。