CN112296766A - 一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，包括选择柔性抛光轮、确定编程刀具半径、确定抛光路径方向和编制程序方法。数控编程包含曲面偏置、曲面重新参数化、离散点刀轴矢量控制、确定抛光行距和生成抛光轨迹的实施步骤。曲面偏置的距离为编程刀具半径。扫掠等参数线进行曲面重新参数化。采取固定前倾角，调整侧倾角的方式得到刀轴线段与曲面最大偏差最小的刀轴矢量。根据前倾角和接触行宽度控制最大抛光行距。最后在重参的偏置曲面上通过刀轴矢量插补生成抛光轨迹。本发明在考虑抛光轮进给方向与刀轴方向夹角的前提下通过调整刀轴侧倾角的方式保证柔性抛光轮与叶片型面良好接触，在提高抛光质量的同时保障了整体叶盘叶片型面精度。

Description

一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法
技术领域
本发明属于航空发动机整体叶盘光整加工技术领域，涉及一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法。
背景技术
整体叶盘是航空发动机的关键部件，其加工制造质量很大程度上影响整个航空发动机的整体质量。整体叶盘的典型精加工工艺为数控铣削，在整体叶盘数控铣削环节，采用球头铣刀多坐标数控加工叶片型面，由于铣削刀痕的存在及铣削过程中刀具与切屑之间、刀具与工件之间接触区产生的高切削温度和高接触压力对工件表面产生的挤压、撕裂效应，表面质量还远远达不到使用要求。必须进行后续光整加工去除铣削刀痕，降低表面粗糙度，提高表面质量，从而提高其耐腐蚀和耐磨损的能力，进而提高其疲劳强度，延长零件使用寿命。
整体叶盘的复杂结构和难加工的材料特性给抛光加工带来了困难，国外先进的自动化抛光技术对我国实行严密封锁，目前国内仍采用人工手持电动、气动工具或油石、砂纸对整体叶盘进行打磨抛光。人工抛光难以保证材料除量的均匀性，难以控制截面形状，很容易引起“过抛”或“欠抛”现象的产生，导致抛光表面质量一致性差；同时人工抛光劳动强度大、产生的粉尘对身体有害、效率低，限制了整体叶盘的制造周期。
中国专利201110237499.4中公开了一种用于整体叶盘表面抛光的柔性磨头，在抛光过程中，通过对柔性驱动机构气缸的控制，避免刚性冲击引起的叶盘表面变形及损坏，降低零件抛光报废率，实现整体叶盘复杂曲面型面的自适应柔性抛光效果。中国专利201110257777.2中公开了一种整体叶盘叶片型面的数控抛光方法。该抛光方法采用了直纹面拟合逼近叶片型面的数控编程方法，通过连接相邻分割线上的点，找到与叶片型面距离误差最小的直线段作为拟合直纹面的母线。将拟合的直纹面偏置抛光轮半径并离散成直线，通过直线上的分割点确定抛光轨迹。该编程方法充分拟合了叶片型面的特征，保证了抛光轮与叶片型面间的良好接触，但该方法无法控制刀轴方向与进给方向所成角度，且刀轴方向易产生突变，导致实际抛光效果不佳。
现有技术及上述专利所涉及内容重点在于实现抛光轮与整体叶盘叶片型面的良好接触，提出的抛光编程方法对复杂结构的整体叶盘适用性较低，无法满足各类整体叶盘数控抛光编程需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了改善整体叶盘人工抛光不受控制、抛光质量难以保证，数控抛光方法技术较为单一，无法满足整体叶盘自动化抛光需求的现状。本发明提供一种用于整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，采用固定前倾角，调整侧倾角的刀轴控制方法，在待加工曲面的等距偏置面上生成抛光轨迹，使柔性抛光轮与叶片型面良好接触，同时满足整体叶盘复杂结构对刀轴方向的控制要求，以适应航空发动机各级整体叶盘的数控抛光编程。
本发明的技术方案是：一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，包括以下步骤：
步骤一：根据整体叶盘通道最小尺寸确定柔性抛光轮规格，定义原始半径为R1，高度为H，同时测得工作转速下的展开半径为R2；同时定义柔性抛光轮工作时的前倾角为αq，侧倾角为αc；
步骤二：确定抛光编程刀具半径，根据柔性抛光轮原始半径和最大展开半径确定抛光编程刀具半径R3＝(R1+R2)/2；
步骤三：确定抛光路径方向，抛光路径分为沿流道线方向的u向抛光和沿垂直流道线方向的v向抛光；v向抛光垂直于铣削纹路方向进行，且利于避免前后缘损伤，采用v向的抛光路径方向；
步骤四：编制数控抛光程序，采用固定前倾角，调整侧倾角的刀轴控制方法，在待加工曲面的等距偏置面上生成抛光轨迹，包括以下子步骤：
子步骤1：对整体叶盘叶片叶盆/叶背曲面进行偏置，偏置距离为编程刀具半径R3；
子步骤2：以偏置曲面为原始曲面，沿u向和v向分别进行两次生成等参数线并扫掠形成新曲面的操作，完成偏置曲面的重新参数化；
子步骤3：在重新参数化的曲面上生成i条u向参数线和j条v向参数线，将其交点作为离散刀轴控制点；在每个控制点处建立由v向参数线切矢和曲面法矢确定的局部坐标系；
子步骤4：在每个局部坐标系内，通过固定前倾角αq，调整侧倾角αc的方法，使长度为H的刀轴线段与曲面的最大距离偏差最小，从而确定离散控制点处的刀轴方向；
子步骤5：根据设置的前倾角计算砂布页轮抛光平面时的接触行宽度，根据接触行宽度控制最大抛光行距；
子步骤6：在重参的偏置曲面上，根据抛光行距确定n条参数线作为抛光轨迹线，轨迹线上各点的刀轴方向由子步骤四得到的离散点刀轴矢量插补确定；
步骤五：对数控抛光程序后置处理，进行整体叶盘叶片型面的抛光。
本发明进一步的技术方案是：所述子步骤5中，据设置的前倾角αq计算砂布页轮抛光平面时的接触行宽度，计算公式为
Figure BDA0002748056060000031
为保证抛光行之间良好的叠加效果，确定抛光行距不大于接触行宽度的四分之一。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，根据整体叶盘通道最小尺寸选择柔性抛光轮，测量展开半径；根据柔性抛光轮原始半径和展开半径确定编程刀具半径；采用v向的抛光路径方向；采用固定前倾角，调整侧倾角的刀轴控制方法，在待加工曲面的等距偏置面上生成抛光轨迹。本发明在保证柔性抛光轮与叶片型面良好接触的同时，满足整体叶盘复杂结构对刀轴方向的控制要求，适应航空发动机各级整体叶盘的数控抛光编程，提高了整体叶盘抛光加工精度和质量。
附图说明
图1为砂布页轮与平面切触时的三种半径示意图。
图2为连接刀杆的砂布页轮俯视图。
图3为本发明的一个实施例的离散刀轴控制点及其局部坐标系。
图4为本发明的一个实施例的局部坐标系内刀轴控制方法示意图。
图5为本发明的一个实施例的刀轴线段与曲面偏差最小条件示意图。
附图标记说明：1.重参后的偏置曲面 2.待加工曲面 3.抛光轨迹线 4.刀杆 5.柔性砂布页轮
具体实施方式
参见图1—图5，本实施例是一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法。应用该方法对某型航空发动机整体叶盘叶片型面进行抛光加工，具体步骤为：
步骤一：确定柔性抛光轮规格，根据整体叶盘通道最小尺寸选择原始半径R1、高度H的柔性砂布页轮，测量工作转速下的展开半径R2，所选择砂布页轮的展开直径应小于整体叶盘通道最小尺寸；
步骤二：确定抛光编程刀具半径，根据柔性抛光轮原始半径和展开半径确定抛光编程刀具半径R3＝(R1+R2)/2，柔性抛光轮结构尺寸及编程半径如图1、图2所示；
步骤三：确定抛光路径方向，采用沿垂直流道线方向的v向抛光路径方向，v向抛光垂直于铣削纹路方向进行，将抛光轨迹边界控制在前后缘附近，避免前后缘损伤；
步骤四：编制数控抛光程序，采用固定前倾角，调整侧倾角的刀轴控制方法，在待加工曲面的等距偏置面上生成抛光轨迹，以某整体叶盘叶片为例，基于NX三维软件环境，包括以下子步骤：
子步骤1：对整体叶盘叶片叶盆/叶背曲面进行偏置，偏置距离为编程刀具半径R3；
子步骤2：以偏置曲面为原始曲面，沿u向和v向分别进行两次生成等参数线并扫掠形成新曲面的操作，完成偏置曲面的重新参数化；
子步骤3：在重新参数化的曲面上生成i条u向参数线和j条v向参数线，将其交点作为离散刀轴控制点。在每个控制点处建立由v向参数线切矢和曲面法矢确定的局部坐标系，i＝5，j＝4时曲面参数线及控制点处的局部坐标系如图3所示。
子步骤4：如图4所示，在局部坐标系OA-xyz内，线段OAOB表示砂布页轮的刀轴线段，其长度为砂布页轮高度H。侧倾角αc为x-OA-z平面内OAOB与z轴所成夹角，前倾角αq为OAOB与x-OA-z平面所成夹角。局部坐标系内OB点的坐标为(Hsinαccosαq,Hsinαq,Hcosαccosαq)。考虑抛光质量和整体叶盘通道结构，在30～60°大小范围内给定前倾角αq使砂布页轮刀轴方向与进给方向成一定夹角，以90°大小为初值调整侧倾角αc使刀轴线段OAOB与曲面的最大距离偏差最小，如图5所示，δ+max和δ-max为直线段与曲面位于两侧的最大偏差，最大距离偏差达到最小的条件为|δ+max|＝|δ-max|。通过上述方法确定离散点处的刀轴方向为
Figure BDA0002748056060000051
保证了砂布页轮与曲面良好贴合；
子步骤5：根据设置的前倾角αq计算砂布页轮抛光平面时的接触行宽度，计算公式为
Figure BDA0002748056060000052
为保证抛光行之间良好的叠加效果，确定抛光行距不大于接触行宽度的四分之一；
子步骤6：在重参的偏置曲面上，根据抛光行距确定n条参数线作为抛光轨迹线，轨迹线上各点的刀轴方向由子步骤四得到的离散点刀轴矢量光顺插补确定。
步骤五：对数控抛光程序后置处理，进行整体叶盘叶片型面的抛光。
基于整体叶盘叶片型面的抛光工艺要求。应用上述数控柔性抛光方法实施步骤，编制数控抛光程序，经对某型发动机整体叶盘的抛光试验，验证了该方法完全能够保证整体叶盘叶片型面的加工质量和加工精度，实现了自动化抛光。

Claims (2)

1.一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据整体叶盘通道最小尺寸确定柔性抛光轮规格，定义原始半径为R1，高度为H，同时测得工作转速下的展开半径为R2；同时定义柔性抛光轮工作时的前倾角为αq，侧倾角为αc；
步骤二：确定抛光编程刀具半径，根据柔性抛光轮原始半径和展开半径确定抛光编程刀具半径R3＝(R1+R2)/2；
步骤三：确定抛光路径方向，抛光路径分为沿流道线方向的u向抛光和沿垂直流道线方向的v向抛光；v向抛光垂直于铣削纹路方向进行，且利于避免前后缘损伤，采用v向的抛光路径方向；
步骤四：编制数控抛光程序，采用固定前倾角，调整侧倾角的刀轴控制方法，在待加工曲面的等距偏置面上生成抛光轨迹，包括以下子步骤：
子步骤1：对整体叶盘叶片叶盆/叶背曲面进行偏置，偏置距离为编程刀具半径R3；
子步骤2：以偏置曲面为原始曲面，沿u向和v向分别进行两次生成等参数线并扫掠形成新曲面的操作，完成偏置曲面的重新参数化；
子步骤3：在重新参数化的曲面上生成i条u向参数线和j条v向参数线，将其交点作为离散刀轴控制点；在每个控制点处建立由v向参数线切矢和曲面法矢确定的局部坐标系；
子步骤4：在每个局部坐标系内，通过固定前倾角αq，调整侧倾角αc的方法，使长度为H的刀轴线段与曲面的最大距离偏差最小，从而确定离散控制点处的刀轴方向；
子步骤5：根据设置的前倾角计算砂布页轮抛光平面时的接触行宽度，根据接触行宽度控制最大抛光行距；
子步骤6：在重参的偏置曲面上，根据抛光行距确定n条参数线作为抛光轨迹线，轨迹线上各点的刀轴方向由子步骤四得到的离散点刀轴矢量插补确定；
步骤五：对数控抛光程序后置处理，进行整体叶盘叶片型面的抛光。
2.如权利要求1所述的一种整体叶盘叶片型面的数控柔性抛光方法，其特征在于，所述子步骤5中，根据设置的前倾角αq计算砂布页轮抛光平面时的接触行宽度，计算公式为
Figure FDA0002748056050000021
为保证抛光行之间良好的叠加效果，确定抛光行距不大于接触行宽度的四分之一。
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