專利名稱：薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法
技術領域：
本發明屬于精密、超精密切削加工技術領域，具體為一種薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法，主要解決航空發動機薄壁葉片數控銑削精加工變形控制問題。
背景技術：
葉片是航空發動機的核心零件，也是一種典型的薄壁類零件，其制造水平直接影響著航空發動機的氣動性能。隨著氣動設計技術、結構技術和材料技術的不斷發展，航空發動機葉片出現了彎、扭、薄、掠、輕等新的結構特點，同時也給其制造精度提出了更高的要求。航空發動機葉片高質量精密加工技術是發動機葉片制造面臨的挑戰性課題，也是當前國內航空發動機制造的關鍵技術之一。

在實際的銑削加工過程中，由于受到切削力、切削熱和金屬金相撕裂的共同作用，葉片會產生加工變形，導致加工后的葉片精度和輪廓度較差。目前，國內薄壁葉片制造精加工工藝是數控半精加工與手工打磨精加工。這是因為葉片屬于薄壁曲面零件，加工變形難以控制，為避免報廢，必須留下足夠的余量補償數控加工引起的變形，最后依靠人工拋光，用“邊打磨、邊檢驗”的方法將葉片余量逐步去除掉。但由于手工打磨過程無冷卻液，靠樣板控制葉片截面形狀，故加工效率低，勞動強度大，表面精度低，波紋度大，易燒傷，質量不穩定，無法滿足薄壁葉片對壁厚和葉型精度控制的要求。同時，在工程實踐中，為了消除加工變形對薄壁葉片數控加工精度的不利影響，常通過采用工藝措施來減小葉片的加工變形，從而保證加工精度達到設計要求。目前主要采取的手段有優化數控切削參數以減小切削力；通過改進和優化裝夾方案以增加零件的剛性。這些措施可以減小葉片的加工變形，但這就必然要增加很多額外的工序，而且這些工藝措施主要是以定性分析和實際加工經驗為基礎的，缺乏定量分析和操作規范，不僅零件的精度和質量難以保證，而且嚴重影響了加工效率。專利201110185239. 7中公開了一種基于數模重構的整體渦輪葉片加工誤差補償方法，主要針對現有的航空發動機整體渦輪葉片加工精度因彈性恢復量難以控制而造成加工精度超差的問題。這種誤差補償方法適用于懸臂結構的葉片，對于兩端同時夾持的葉片加工效果不明顯，而且未考慮到補償加工后的再變形情況，反復補償的次數多。加工變形是影響薄壁零件數控加工效率、精度和表面質量的關鍵因素。針對現有的薄壁葉片加工工藝存在的不足，很有必要尋找一種新的葉片加工變形補償方法，實現對薄壁葉片加工變形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以滿足相關科技工程領域對改進和完善薄壁、超薄葉片精密銑削加工技術的迫切需求。

發明內容
要解決的技術問題為了解決現有技術中薄壁葉片加工變形大，精度難保證的問題，本發明提出了一種薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法，針對葉片加工變形的特點采用反變形的補償方法，從而提高葉片加工精度和效率，實現薄壁葉片的高效精密切削。技術方案葉片加工過程產生的變形非常復雜，有彈性變形導致的厚度增加，有殘余應力變形產生的彎曲和扭轉，而對于加工完成的葉片零件而言，檢測到的是綜合誤差，經過誤差分析和誤差特征提取，可以將葉片的變形量分解出來，然后與設計數據對比，進而確定變形補償量。最簡單的方法就是將實際測量數據與設計數據的對比結果作為補償量，補償方向為葉片變形的相反方向，即余量加厚的地方減去補償量，余量減少的地方加上補償量。這種方法簡單易操作，雖可以提高葉片的加工精度，但是不能夠完全消除加工誤差，多數情況下很難達到精度要求。因為通過這種變形補償后，零件剛性與各個切觸點處的切削狀態發生了改變，切削力大小也隨之發生非線性變化，從而導致零件變形難以一次性補償到位，形成新的加工變形，即再生變形。在此基礎上，本發明提出一種變形多次誤差補償方法，即對變形補償量進行反復修正迭代的一個過程，直到滿足精度要求，其流程如圖I所示。本發明提出的變形多次誤差補償方法的思想是對變形補償量進行修正，重構葉片實體模型，重新生成加工程序進行加工，經過試切后的零件如果合格則誤差補償成功，否則再次循環，確定合適的補償量。·本發明的技術方案為所述一種薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法，其特征在于包括以下步驟步驟I :在葉片三維模型中提取η條垂直于參數V向的葉片截面，并提取每個葉片截面的截面線；在每條截面線上按照等弧長設定m個測量點；步驟2 :按照步驟I中葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，取每個截面上所有測量點的誤差均值，作為該截面上截面線的初次補償量；步驟3 :根據各個截面線的初次補償量，在葉片三維模型中對各個截面線進行補償，補償方向為葉片變形的相反方向；利用補償后得到的各個截面線，采用截面線放樣法重新構造葉片三維模型；步驟4 :按照步驟3中重新構造的葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，在每個截面上取各自所有測量點的誤差最大值，計算各自截面的變形系數Ki =~-~其中，Iii為第i條葉片截面的變形系數，δ i為第i條葉片截面上截面線的初次補償量， 為步驟4得到的第i條葉片截面上所有測量點的誤差最大值；根據公式
I _丁 d計算第i條葉片截面上截面線的精確變形補償量Si ；步驟5 :按照步驟4得到的各個葉片截面上截面線的精確變形補償量，在步驟I中的葉片三維模型中對各個截面線進行補償，補償方向為葉片變形的相反方向；利用本次補償后得到的各個截面線，采用截面線放樣法二次重構葉片三維模型；步驟6 :按照步驟5中二次重構的葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，在每個截面上取各自所有測量點的誤差最大值，將本步驟中每個截面的誤差最大值與葉片設計要求的最大誤差值進行比較，若所有截面均滿足設計要求，則完成葉片的加工補償過程，若存在截面不滿足設計要求，則重復步驟3至步驟6，再次進行補償，其中已滿足設計要求的截面保持補償量不變，不滿足設計要求的截面以前次得到的精確變形補償量作為下次補償的初次補償量。有益效果工程實用上，對于批量生產的情形，在形成相對穩定的制造工藝規范之后，工況及其它切削條件保持不變，則零件的加工彈性變形誤差分布具有很強的規律性和可重復性。因此，通過實際測量一定數量加工樣件的誤差分布狀況，進而確定修正補償方案不失為一種較為可行的途徑。
本發明的直接效果非常明顯，具體體現在以下幾個方面I.有利于提高葉片的加工精度。充分考慮葉片加工過程中變形對加工精度的影響，采用反變形的思想，補償加工變形帶來的加工誤差，從而減小了葉片加工變形對加工精度的影響。2.有利于提高葉片的表面輪廓度。采用多次補償方法，可抑制變形對葉片表面輪廓度的影響，從而實現表面輪廓度的精確控制，有利于提高葉片的表面輪廓度。3.有利于減少補償加工的次數。考慮到加工補償量的再生變形，引入變形系數匕來計算葉片截面的變形補償量Sitj可減少模型重構一補償加工一再模型重構一再補償加工的次數，大大減少了工作量。4.有利于減少后續工序的工作量。采用誤差補償方法數控加工后的葉片，葉片型面留有很少的拋光余量，有利于減少拋光工序的工作量，從而提高葉片加工的效率。


圖I是葉片變形多次誤差補償流程圖；圖2是常見葉片結構示意圖；圖中1_榫根；2-櫞板；3_葉背型面；4_排氣邊；5_葉盆型面；6_進氣邊圖3是葉片實體模型重構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明本實施例中以附圖2所示的某航空發動機薄壁葉片為例，圖2所示葉片尺寸約為303mmX115mmX I. 8mm,葉片材料為航空鈦合金TC4 ;刀具直徑為IOmm的球頭刀。該葉片采用J0HNF0RD VM850C四軸數控加工中心進行加工，葉片的軸向與機床X軸重合，并可繞X軸旋轉360°。測量設備為三坐標測量機GLOBAL STATUS 121510，測頭半徑為1mm。具體的補償方法步驟為步驟I :在葉片三維模型中提取8條垂直于參數V向的葉片截面，并提取每個葉片截面的截面線，各截面線獲取補償量的方法一樣；靠近葉根的截面是第一個截面，靠近葉尖的截面是第八個截面；在每條截面線上按照等弧長設定30個測量點。
步驟2 :按照步驟I中葉片三維模型對葉片進行加工后，在三坐標測量機上測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，取每個截面上所有測量點的誤差均值，作為該截面上截面線的初次補償量；本實施例中得到葉片第四個截面上所有測量點的誤差均值為O. 24mm，則葉片第四個截面上截面線的初次補償量δ 4 = O. 24mm。步驟3 :根據各個截面線的初次補償量，在葉片三維模型中對各個截面線進行補償，補償方向為葉片變形的相反方向；利用補償后得到的各個截面線，采用截面線放樣法重新構造葉片三維模型，如圖3所示。由于重構后的葉片模型光順性差，需要對其進行光順處
理。 步驟4 :按照步驟3中重新構造的葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，在每個截面上取各自所有測量點的誤差最大值，計算各自截面的變形系數
7 4+4*kt = ~~其中，Iii為第i條葉片截面的變形系數，δ i為第i條葉片截面上截面線的初次補償量，€為步驟4得到的第i條葉片截面上所有測量點的誤差最大值；根據公式
I ,· /= — ·
K計算第i條葉片截面上截面線的精確變形補償量Si ；本實施例中葉片第四個截面上所有測量點的誤差最大值< =OJ^mn，則變形系數k4 = I. 625，精確變形補償量S4 O. 148 (mm)。步驟5 :按照步驟4得到的各個葉片截面上截面線的精確變形補償量，在步驟I中的葉片三維模型中對各個截面線進行補償，補償方向為葉片變形的相反方向；利用本次補償后得到的各個截面線，采用截面線放樣法二次重構葉片三維模型；步驟6 :按照步驟5中二次重構的葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，在每個截面上取各自所有測量點的誤差最大值，將本步驟中每個截面的誤差最大值與葉片設計要求的最大誤差值進行比較，若所有截面均滿足設計要求，則完成葉片的加工補償過程，若存在截面不滿足設計要求，則重復步驟3至步驟6，再次進行補償，其中已滿足設計要求的截面保持補償量不變，不滿足設計要求的截面以前次得到的精確變形補償量作為下次補償的初次補償量。本實施例中，在三坐標測量機上對葉片進行檢測，從測量數據可以得到葉片曲面平均誤差不超過O. 1_，最大誤差出現在第二、第五截面，葉片的扭轉誤差經過多次補償后，不到圖紙設計的1/3，完全滿足圖紙設計要求，達到變形補償的目的。
權利要求
1.一種薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I :在葉片三維模型中提取η條垂直于參數V向的葉片截面，并提取每個葉片截面的截面線；在每條截面線上按照等弧長設定m個測量點； 步驟2 :按照步驟I中葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標，計算每個測量點的誤差，取每個截面上所有測量點的誤差均值，作為該截面上截面線的初次補償量； 步驟3 :根據各個截面線的初次補償量，在葉片三維模型中對各個截面線進行補償，補償方向為葉片變形的相反方向；利用補償后得到的各個截面線，采用截面線放樣法重新構造葉片三維模型； 步驟4 :按照步驟3中重新構造的葉片三維模型對葉片進行加工后，測量葉片每個截面上各測量點的坐標；根據測量得到的測量點坐標與測量點的理論坐標,計算每個測量點的誤差，在每個截面上取各自所有測量點的誤差最大值，計算各自截面的變形系數
全文摘要
本發明提出了一種薄壁葉片精密銑削加工變形補償方法，首先提取垂直于參數v向的葉片截面，按照初始三維模型對葉片進行加工后，測量各個截面上的誤差均值，作為該截面的初次補償量，對各個截面進行初次補償后，重構葉片三維模型，并按照重構后的葉片三維模型對葉片進行加工，測量各個截面上的誤差最大值，計算各個截面精確變形補償量，再以精確變形補償量對各個截面進行補償后，二次重構葉片三維模型，按照二次重構后的葉片三維模型對葉片進行加工，測量各個截面上的誤差是否滿足設計要求。本發明有利于提高葉片的加工精度，有利于提高葉片的表面輪廓度，有利于減少補償加工的次數，有利于減少后續工序的工作量。
文檔編號G06F17/50GK102880756SQ20121036406
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者劉維偉, 單晨偉, 成宏軍, 李曉燕, 蔡元元 申請人:西北工業大學