CN117709024A - 一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其通过设计精加工成型刀，采用成型刀侧刃加工方案，仅需生成一条刀具轨迹，即可同时完成多个加工面的切削，确保加工面上不存在接刀痕迹，满足加工精度要求；其通过设计精加工试切程序，试切加工后，基于公差精度要求最高的工作面截面线调整刀轴角度，确保计算后得到的刀轴调整角度也适用于其他的加工面，降低了计算的步骤，提高了计算效率；计算刀轴调整角度时，基于面理论截面线和工作面实际截面线构建三角形关系，利用反三角函数求解二者之间的夹角，得到加工补偿角a，将加工补偿角a直接补偿到加工程序中，得到精加工成型程序，不再需要人工在机床上调整，计算过程简单，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机叶片技术领域，具体为一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法。
背景技术
在航空航天领域，发动机中的叶片如图1所示，其包括：叶根1-1和叶身1-2。发动机工作过程中，叶片1的旋转速度非常高，因此叶片承受很大的离心力，这种力是由于叶片离心加速造成的，其大小和叶片离心距离和旋转速度的平方成正比。通常各类叶片所承受的离心力范围高达5~15吨，在各种载荷作用下，极易产生高周疲劳，为保证发动机工作效率及寿命，叶片的制造工艺都有极高的要求。叶根工作面1-3作为高速旋转时叶片上承力接触的工作面，其形状对叶片的工作效率和寿命有着重要的影响，因此叶根工作面1-3的制造公差要求极高，一般其面轮廓度仅为±0.007毫米，为避免应力集中，其相邻面都不允许存在接刀痕，通常会选用一体式成型刀具来加工。基于一体式成型刀具加工的优点是工作面及其相邻面一次成型加工，相比于球头刀分层铣削，加工效率提升10倍以上，表面完整性更好。但在加工时由于机床精度、主轴功率、刀具刚性等影响，且成型刀具与零件切削时接触面积大，切削负载重，实际加工出来的工作面角度存在较大偏差，导致刀具寿命较低，现有技术中，大多依靠技术人员在五轴机床上手工调整角度，然而这个调整过程对技术人员的个人能力和经验要求很高，不但操作难度大效率低，而且容易发生计算错误等质量问题。
发明内容
为了解决现有方法加工航空精锻叶片的叶根工作面角度存在较大偏差，人工调整操作难度大效率低的问题，本发明提供一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其可以解决因工作面角度偏差导致叶片过切的问题，进而解决了工作面尺寸超差后不好调节的问题，提高了加工效率，提高产品加工精度。
本发明的技术方案是这样的：一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：确定待加工叶片的叶片形状、尺寸、公差要求；
计算叶根截面线长度，建立理论模型；
S2：以叶根工作面为基础延伸曲面，构建待加工叶根仿形曲面；
所述待加工叶根仿形曲面完全覆盖所述待加工叶根工作面、根部转接圆角和根部转接圆角下方的台阶面；
S3：根据叶根形状尺寸、加工材料特点和刀具加工特性设计精加工成型刀具；
所述精加工成型刀具的侧刃形状与所述待加工叶根仿形曲面形状适应；
S4：设计叶根加工程序；
所述加工程序包括：依次执行的开粗程序、粗加工程序和精加工试切程序；
所述开粗程序为：对叶根四周开放区域进行加工；
所述粗加工程序为：对所述待加工叶根工作面和根部转接圆角的粗加工；
所述精加工试切程序为：基于所述精加工成型刀具完成所述待加工叶根工作面和根部转接圆角的精加工试切；所述精加工试切程序中只包括一条刀具轨迹；
S5：执行所述叶根加工程序后，使用三坐标测量仪器对试切后的叶根进行测量，得到精加工试切后的工作面实际轨迹；
S6：基于理论模型中的工作面和精加工试切后的工作面实际轨迹，计算工作面角度偏差，得到加工补偿角；具体包括以下步骤：
a1：将理论模型中的工作面的截面线，记作：工作面理论截面线；
将工作面实际轨迹的截面线，记作：工作面实际截面线；
所述加工补偿角为所述面理论截面线和所述工作面实际截面线之间的夹角；
a2：找到所述工作面理论截面线和所述工作面实际截面线的交点，在所述工作面实际截面线上位于所述交点两侧，分别向所述工作面理论截面线的两个端点做垂线，构建三角形关系；
a3：将垂线的长度记作：偏差，两个偏差绝对值之和记作：总偏差；
基于三坐标测量仪器获得所述总偏差的测量值；
a4：计算所述加工补偿角a的大小：
a = Arctan (DE/L)；
其中，L为工作面理论截面线的长度，DE为总偏差的测量值；
S7：获取精加工试切程序中所述精加工成型刀具的刀轴与三坐标系中参考坐标平面的夹角当前值，记作：刀轴角度值；
将所述加工补偿角a补偿到当前的所述刀轴角度值中，得到刀轴角度修正值；
S8：基于所述精加工试切程序，将所述刀轴角度修正值控制所述精加工成型刀具的刀轴的角度，得到精加工成型程序，完成航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿。
其进一步特征在于：
其还包括以下步骤；
S9：量产产品的叶根工作面加工包括：依次执行的开粗工序、粗加工工序和精加工工序；
基于所述精加工成型程序完成量产产品的精加工工序；
所述开粗程序基于立式圆角铣刀完成，所述粗加工程序基于锥度球头铣刀完成；
步骤S2中，以叶根工作面为基础，在入刀和出刀两个方向，分别扩大1mm延伸曲面，构建待加工叶根仿形曲面；
所述精加工成型刀为一体式成型刀具；
所述精加工试切程序中，精加工前留余量0.05~0.1毫米；
所述精加工成型程序中，单面切削余量从0.05~0.1毫米改为0。
本发明提供的一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其通过设计精加工成型刀，采用成型刀侧刃加工方案，仅需生成一条刀具轨迹，即可同时完成多个加工面的切削，确保加工面上不存在接刀痕迹，满足加工精度要求；其通过设计精加工试切程序，试切加工后，基于公差精度要求最高的工作面截面线调整刀轴角度，确保计算后得到的刀轴调整角度也适用于其他的加工面，降低了计算的步骤，提高了计算效率；计算刀轴调整角度时，基于面理论截面线和工作面实际截面线构建三角形关系，利用反三角函数求解二者之间的夹角，得到加工补偿角a，将加工补偿角a直接补偿到加工程序中，得到精加工成型程序，不再需要人工在机床上调整，计算过程简单，容易实现。
附图说明
图1为待加工叶片的结构示意图；
图2为待加工叶片的立体的结构示意图；
图3为待加工叶根仿形曲面的示意图；
图4为精加工成型刀具加工位置实例；
图5为补偿前的精加工试切后实际轮廓示意图；
图6为图5中M处放大后工作面角度偏差的计算关系图；
图7为测量值示例。
具体实施方式
本发明包括一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其包括以下步骤。
S1：确定待加工叶片的叶片形状、尺寸、公差要求；
计算叶根截面线长度，建立理论模型。
如图5所示，标记为理论轮廓的曲线即为叶根截面线。
S2：以叶根工作面为基础延伸曲面，构建待加工叶根仿形曲面3。
具体实现时，使用NX软件绘制模型，通过扩大曲面命令得到待加工叶根仿形曲。
如图1~2所示，叶根1-1上包括：待加工叶根工作面1-3、根部转接圆角1-4和根部转接圆角1-4。
如图3所示，待加工叶根仿形曲面3包括：第一加工面3-1、第二加工面3-2和第三加工面3-3，分别完全覆盖待加工叶根工作面1-3、根部转接圆角1-4和根部转接圆角1-4下方的台阶面1-5。其中，待加工叶根仿形曲面3以叶根工作面的水平长度为基础，入刀和出刀两个方向，分别向外扩大1mm延伸曲面。
加工时，精加工成型刀具以待加工叶根仿形曲面为轨迹面进行加工，保证加工轨迹覆盖完整工作面。
在三维模型上，根据叶根大小截取成型刀具加工区域，如叶根尺寸较大，机床主轴功率，刀柄不满足加工需求，则应改为多把成型刀相结合的方式，考虑粗糙度和表面完整性的较高要求，一般至少需覆盖工作面及其根部转接圆角，同时刀具设计直径的选择应充分考虑切削刚性和经济性，所以本申请中，设计精加工成型刀具2，不但无需换刀确保了工序的简洁高效，而且可以避免加工面上出现换刀痕迹，同时基于一把刀一条刀具轨迹完成对叶根工作面的精加工也降低了整体成本。
S3：根据叶根形状尺寸、加工材料特点和刀具加工特性设计精加工成型刀具2；
如图4所示，精加工成型刀具2的侧刃形状与待加工叶根仿形曲面3形状适应；精加工成型刀为一体式成型刀具。使用精加工成型刀具2仅需生成一条刀具轨迹，即可完成多面的切削，效率是球头铣刀曲面点加工的10倍以上。
待加工叶片材料通常为高温合金或钛合金，加工刀具的选材选择可以实现对叶片加工的材料。
S4：将数模导入CAM模块，设计叶根加工程序；
加工程序包括：依次执行的开粗程序、粗加工程序和精加工试切程序；
开粗程序为：对叶根四周开放区域进行加工；
粗加工程序为：对待加工叶根工作面1-3和根部转接圆角1-4的粗加工；
精加工试切程序为：基于精加工成型刀具2完成待加工叶根工作面1-3和根部转接圆角1-4的精加工试切；精加工试切程序中只包括一条刀具轨迹。
开粗程序中，叶根四周开放区域选用立式圆角铣刀加工；工作面及其转接圆角空间狭窄，所以粗加工程序采用锥度球头铣刀侧刃加工，刀具刚性好，侧刃加工效率高，刀具寿命长。精加工采用成型刀具方案，精加工前留余量0.05~0.1毫米，单刀路一次完成工作面及其转接圆角的加工，保证了工作面的光洁度要求。
S5：执行叶根加工程序后，使用三坐标测量仪器对试切后的叶根进行测量，得到精加工试切后的工作面实际轨迹。具体的精加工试切后实际轮廓如附图5所示。
使用三坐标测量机对叶根轮廓尺寸进行检测，通过采集工作面上各点的数据，对于余量均匀的区域，可以使用CAM软件的参数进行余量设置。但是，本申请中图5所示的实际轮廓和理论轮廓之间很明显属于非均匀区域的偏差，所以，本方法中通过三坐标拟合或三角函数计算的方式，得出实际工作面与理论工作面角度偏差值。
S6：基于理论模型中的工作面和精加工试切后的工作面实际轨迹，计算工作面角度偏差，得到加工补偿角；具体包括以下步骤：
a1：将理论模型中的工作面的截面线，记作：工作面理论截面线L；
将工作面实际轨迹的截面线，记作：工作面实际截面线AL；
加工补偿角a为面理论截面线和工作面实际截面线AL之间的夹角；
a2：找到工作面理论截面线L和工作面实际截面线AL的交点，在工作面实际截面线AL上位于交点两侧，分别向工作面理论截面线L的两个端点做垂线，构建三角形关系；
a3：将垂线的长度记作：偏差，两个偏差之和记作：总偏差；
基于三坐标测量仪器获得总偏差的测量值；
a4：计算加工补偿角a的大小：
a = Arctan (DE/L)；
其中，L为工作面理论截面线L的长度，DE为总偏差的测量值。
如图6所示，工作面理论截面线L和工作面实际截面线AL的交点为O’，虚线L‘为将工作面理论截面线L平移，使L的一个端点和AL相交后的位置。从AL向L‘的另一个端点做垂线DE，则角a为L和AL的夹角，而DE为三角形的第三条边。
根据这个三角形关系可知：
DE 为两个偏差之和，角a的对边为总偏差，邻边为工作面理论截面线L；
则有：DE/L =tan（a）。
图7为一个实际测试的实例。其中，工作面理论截面线L长度为2.268，偏差1的长度为0.003 ，偏差2的长度为0.0067。则，总偏差/工作面长度=0.0097/2.268=0.00428。
通过三角函数转化成角度：Arctan0.00428=角度（0.245），即：加工补偿角a为0.245度。
S7：获取精加工成型刀具2的刀轴与三坐标系中参考坐标平面的夹角当前值，记作：刀轴角度值；
将加工补偿角a补偿到当前的刀轴角度值中，得到刀轴角度修正值。
图7的实施例中，精加工试切程序中刀轴与X、Y平面夹角为90°，就可以补偿进去：90-0.245=89.755。在软件中设置刀轴与X、Y平面的角度为89.755的数值进行计算，重新生成数控加工程序，进行反求补偿，消除偏差。根据计算后得到的加工补偿角a，通过软件进行补偿，使用调整刀轴矢量的方法，调整刀轴角度同步修正工作面角度。
S8：基于精加工试切程序，将刀轴角度修正值控制精加工成型刀具2的刀轴的角度，得到精加工成型程序，完成航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿。
S9：量产产品的叶根工作面加工包括：依次执行的开粗工序、粗加工工序和精加工工序；
基于精加工成型程序完成量产产品的精加工工序；精加工成型程序中，调整刀轴参数，将单面切削余量从0.05~0.1毫米改为0，作最后一次精加工，得到合格的叶根。
使用本发明的技术方案后，通过三坐标计算，在CAM软件中进行补偿，不再需要人工在机床上调整，避免了人为计算出错造成的产品报废。通过参数逆向计算，得出偏差角度，迭代至数控程序中进行精准补偿，实际加工出的工作面的角度与理论相贴合，实现叶根的尺寸合格。本申请提供的航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其能解决叶片工作面精加工时，由于成型刀具侧刃接触叶片面积大、悬伸较长等特点，结合机床主轴功率、刀柄等引起的切削刚性不足，易造成的切削让刀现象引起的产品尺寸超差的问题。解决了因工作面角度偏差导致叶片过切的问题，解决了工作面尺寸超差后不好调节的问题，通过本发明，可以快速的进行调节，提高了技术人员的工作效率及质量。其包括对前期叶根形状进行预判断、分析叶根尺寸、软件中的参数设置、参数调节、加工刀轴参数设置、偏差计算、偏差修正、最终实现对叶根工作面角度尺寸的补偿，调试出合格的叶根。由于解决了工作面角度偏差的补偿问题，产品合格率、加工效率和刀具寿命显著提高。同时减少了换刀频次，大批量加工质量的稳定性得到了保障。
Claims (7)
1.一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：确定待加工叶片的叶片形状、尺寸、公差要求；
计算叶根截面线长度，建立理论模型；
S2：以叶根工作面为基础延伸曲面，构建待加工叶根仿形曲面；
所述待加工叶根仿形曲面完全覆盖所述待加工叶根工作面、根部转接圆角和根部转接圆角下方的台阶面；
S3：根据叶根形状尺寸、加工材料特点和刀具加工特性设计精加工成型刀具；
所述精加工成型刀具的侧刃形状与所述待加工叶根仿形曲面形状适应；
S4：设计叶根加工程序；
所述加工程序包括：依次执行的开粗程序、粗加工程序和精加工试切程序；
所述开粗程序为：对叶根四周开放区域进行加工；
所述粗加工程序为：对所述待加工叶根工作面和根部转接圆角的粗加工；
所述精加工试切程序为：基于所述精加工成型刀具完成所述待加工叶根工作面和根部转接圆角的精加工试切；所述精加工试切程序中只包括一条刀具轨迹；
S5：执行所述叶根加工程序后，使用三坐标测量仪器对试切后的叶根进行测量，得到精加工试切后的工作面实际轨迹；
S6：基于理论模型中的工作面和精加工试切后的工作面实际轨迹，计算工作面角度偏差，得到加工补偿角；具体包括以下步骤：
a1：将理论模型中的工作面的截面线，记作：工作面理论截面线；
将工作面实际轨迹的截面线，记作：工作面实际截面线；
所述加工补偿角为所述面理论截面线和所述工作面实际截面线之间的夹角；
a2：找到所述工作面理论截面线和所述工作面实际截面线的交点，在所述工作面实际截面线上位于所述交点两侧，分别向所述工作面理论截面线的两个端点做垂线，构建三角形关系；
a3：将垂线的长度记作：偏差，两个偏差绝对值之和记作：总偏差；
基于三坐标测量仪器获得所述总偏差的测量值；
a4：计算所述加工补偿角a的大小：
a = Arctan (DE/L)；
其中，L为工作面理论截面线的长度，DE为总偏差的测量值；
S7：获取精加工试切程序中所述精加工成型刀具的刀轴与三坐标系中参考坐标平面的夹角当前值，记作：刀轴角度值；
将所述加工补偿角a补偿到当前的所述刀轴角度值中，得到刀轴角度修正值；
S8：基于所述精加工试切程序，将所述刀轴角度修正值控制所述精加工成型刀具的刀轴的角度，得到精加工成型程序，完成航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿。
2.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：其还包括以下步骤；
S9：量产产品的叶根工作面加工包括：依次执行的开粗工序、粗加工工序和精加工工序；
基于所述精加工成型程序完成量产产品的精加工工序。
3.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：所述开粗程序基于立式圆角铣刀完成，所述粗加工程序基于锥度球头铣刀完成。
4.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：步骤S2中，以叶根工作面为基础，在入刀和出刀两个方向，分别扩大1mm延伸曲面，构建待加工叶根仿形曲面。
5.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：所述精加工成型刀为一体式成型刀具。
6.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：所述精加工试切程序中，精加工前留余量0.05~0.1毫米。
7.根据权利要求1所述一种航空精锻叶片工作面角度偏差的补偿方法，其特征在于：所述精加工成型程序中，单面切削余量从0.05~0.1毫米改为0。
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Cited By (1)
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| CN117943887A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-30 | 格致汽车科技股份有限公司 | 汽车冷冲压大型模具局部整改的自适应接刀方法 |
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2023
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|---|---|---|---|---|
| CN117943887A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-30 | 格致汽车科技股份有限公司 | 汽车冷冲压大型模具局部整改的自适应接刀方法 |
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