CN112395790A - 一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，包括：Step1：对薄壁叶片进行等参数有限元划分；Step2：建立薄壁叶片的截面刚度待定衡量指标εj；Step3：建立各个等参线处叶尖节点的所述变形量uj与截面刚度待定衡量指标εj的一元非线性回归方程μj；Step4：设定叶尖精加工切削余量范围、所述叶根精加工切削余量范围；Step5：选取若干叶尖精加工切削余量值和所述叶根精加工切削余量值，代入Step3中的余量函数；Step6：求得所述叶尖精加工切削余量、所述叶根精加工切削余量与几何特征的函数表达式；Step7：对所述薄壁叶片的叶尖和叶根曲线b(u，v)进行非均匀预留，获得精加工前的叶尖和叶根驱动曲线b′(u，v)。该方法实现了精加工余量的非均匀预留，使薄壁叶片变形小，减小加工误差。

Description

一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法
技术领域
本发明属于薄壁叶片加工技术领域，尤其涉及一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法。
背景技术
薄壁叶片类零件如涡轮、叶轮，是透平机械中的核心，其制造水平直接影响着整体发动机的能量转换效率。为追求气动性能，叶轮叶片表面常被设计成扭曲度大、几何精度高的复杂曲面，给制造精度提出了更高的要求。
一些直纹面类叶片可利用侧铣方式实现高效率的宽行切削，在实际切削过程中，侧铣由于大轴向切深，产生的大铣削力导致薄壁叶片在加工过程发生弹性变形，造成叶片加工精度较差。为减小加工变形在数控加工过程中产生的不利影响，常采用的策略方法有：优化切削参数以减小切削力来获得较小的叶片变形、恒力切削策略减小颤震发生来获得较好的表面质量、通过二次误差补偿对残余误差进行修正。
上述减小加工变形误差的策略需要额外操作用于获取经验数据，缺乏操作规范且难以保证加工的效率，而通过增强叶片工艺刚度抑制叶片变形来减小加工误差，效率较高且操作相对简单。均匀余量预留方法操作简单，但预留的均匀余量会使不同厚度及高度处的叶片发生的变形相差较大，导致叶面不光滑，叶片误差趋势不统一等缺点，不利用后续的误差修整。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，该方法实现了精加工余量的非均匀预留，使薄壁叶片变形小，减小加工误差。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，包括：
Step1：采用有限元方法对薄壁叶片进行变形分析，对所述薄壁叶片进行等参数有限元划分，沿所述薄壁叶片的V向形成j个等参截面且沿其叶面V向形成j个等参线，在各个所述等参线处施加侧铣铣削力，获得在所述铣削力作用下各个所述等参线处叶尖节点的变形量uj；且定义U向为沿所述薄壁叶片轴向、V向为沿所述薄壁叶片切向；
Step2：建立所述薄壁叶片的截面刚度待定衡量指标εj，且
Figure BDA0002761348110000021
定义εj越大所述薄壁叶片截面越易变形；
其中，hj为所述薄壁叶片高度，tj为所述薄壁叶片截面平均厚度，m、n为截面刚度待定衡量指标εj的待定衡量系数，m、n为整数且m＞0、n＜0；
Step3：建立各个所述等参线处叶尖节点的所述变形量uj与所述截面刚度待定衡量指标εj的一元非线性回归方程：μj＝b2·εj 2+b1·εj+...+b0；建立各个等参线的叶尖精加工切削余量Δ1j、叶根精加工切削余量Δ2j与叶尖节点的变形量uj的余量函数：
Figure BDA0002761348110000022
其中，b2、b1、b0为非线性回归方程的系数与常量，k1、k2、c1、c2为余量函数的系数与常量；
Step4：设定所述叶尖精加工切削余量范围为：[Δmin，(Δmin+Δmax)/2]、所述叶根精加工切削余量范围为：[(Δmin+Δmax)/2，Δmax]；
其中，Δmin为实际精加工切削前余量预留最小值，Δmax为实际精加工切削前余量预留最大值；
Step5：根据Step4中所述叶尖精加工切削余量范围和所述叶根精加工切削余量范围，选取若干所述叶尖精加工切削余量值和所述叶根精加工切削余量值，代入Step3中的所述余量函数，求得k1、k2、c1、c2值；
Step6：将Step3中的所述一元非线性回归方程、Step2中的所述截面刚度待定衡量指标εj代入Step3中的所述余量函数，求得所述叶尖精加工切削余量、所述叶根精加工切削余量与几何特征的函数表达式：
Figure BDA0002761348110000031
其中，Δ1为所述叶尖精加工切削余量函数，Δ2为所述叶根精加工切削余量函数；
Step7：根据Step6中计算得到的余量函数，对所述薄壁叶片的叶尖和叶根曲线b(u，v)进行非均匀预留，获得精加工前的叶尖和叶根驱动曲线b′(u，v)为：
Figure BDA0002761348110000032
其中，bu为叶尖或叶根的U向向量，bv为叶尖或叶根的V向向量。
根据本发明一实施例，Step1中对所述薄壁叶片的第一叶面和与所述第一叶面相对的第二叶面均进行等参数有限元划分，其中沿V向划分形成21条线：j＝1∶1∶21，在V向每条等参线的U向取5个点，i＝1∶1∶5。
根据本发明一实施例，Step2中所述薄壁叶片平均厚度tj计算为两等参线处对应点的距离的平均值：
Figure BDA0002761348110000033
其中，
Figure BDA0002761348110000034
为所述薄壁叶片的第一叶面在U向第i处、V向第j处的点，
Figure BDA0002761348110000035
为所述薄壁叶片的第二叶面在U向第i处、V向第j处的点。
根据本发明一实施例，Step2中，取若干m和n的值进行组合，建立各个所述等参线处叶尖节点的所述变形量uj与任意组合
Figure BDA0002761348110000036
的非线性回归分析，当且仅当非线性回归分析的标准偏差最小时选定该m、n的值。
根据本发明一实施例，Step5中，所述叶尖精加工切削余量值取值与所述截面刚度待定衡量指标εj值呈反比，所述叶根精加工切削余量值取值与所述截面刚度待定衡量指标εj值呈正比。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
(1)通过本发明实施例中Step1-Step7对精加工切削前余量预留，能大幅增强薄壁叶片侧铣时的工艺刚度，有效抑制侧铣过程中薄壁叶片的变形，且能在保证效率的同时实现薄壁叶片变形的最佳抑制，提高薄壁叶片表面的加工质量。
(2)本发明实施例中进一步限定Step5中，叶尖精加工切削余量值取值与截面刚度待定衡量指标εj值呈反比，叶根精加工切削余量值取值与截面刚度待定衡量指标εj值呈正比，使得计算结果更加准确，使薄壁叶片的变形更小。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片等参数有限元划分图；
图2为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片高度与变形结果图；
图3为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片平均厚度与变形结果图；
图4为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片截面刚度待定衡量指标与变形结果图；
图5为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片叶尖节点变形量与变形结果图；
图6为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法薄壁叶片等参线处叶尖节点的变形量与与截面刚度待定衡量指标εj的一元非线性回归方程函数图；
图7为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法叶根精加工切削余量与叶尖节点的变形量的余量函数图；
图8为本发明的一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法精加工前的叶尖和叶根驱动曲线。
附图标记说明：
1：叶尖；2：叶根；3：等参线；4：叶尖驱动曲线；5：叶根驱动曲线；6：薄壁叶片的第一叶面；7：薄壁叶片的第二叶面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
参看图1至8，本发明的核心是提供一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，包括如下步骤：
Step1：采用有限元方法对薄壁叶片进行变形分析，对薄壁叶片进行等参数有限元划分，沿薄壁叶片的V向形成j个等参截面且沿其叶面V向形成j个等参线3，在各个等参线3处施加侧铣铣削力，获得在铣削力作用下各个等参线3处叶尖1节点的变形量uj；且定义U向为沿薄壁叶片轴向、V向为沿薄壁叶片切向；
具体的，通过有限元分析软件对薄壁叶片进行有限元受力变形分析。
Step2：建立所述薄壁叶片的截面刚度待定衡量指标εj，且
Figure BDA0002761348110000051
定义εj越大所述薄壁叶片截面越易变形；
其中，hj为所述薄壁叶片高度，tj为所述薄壁叶片截面平均厚度，m、n为截面刚度待定衡量指标εj的待定衡量系数，m、n为整数且m＞0、n＜0；
叶片高度为等参截面的截面长度，也就是等参线3长度。薄壁叶片平均厚度tj计算为两等参线3处对应点的距离的平均值：
Figure BDA0002761348110000061
其中，
Figure BDA0002761348110000062
为薄壁叶片的第一叶面6在U向第i处、V向第j处的点，
Figure BDA0002761348110000063
为薄壁叶片的第二叶面7在U向第i处、V向第j处的点。
优选的，为了使m、n的取值更加合理，先试取若干m和n的值进行组合，建立各个等参线3处叶尖1节点的变形量uj与任意组合
Figure BDA0002761348110000064
的非线性回归分析，当且仅当非线性回归分析的标准偏差最小时选定该m、n的值。
Step3：建立各个等参线3处叶尖1节点的变形量uj与截面刚度待定衡量指标εj的一元非线性回归方程：μj＝b2·εj 2+b1·εj+...+b0；建立各个等参线3的叶尖1精加工切削余量Δ1j、叶根2精加工切削余量Δ2j与叶尖1节点的变形量uj的余量函数：
Figure BDA0002761348110000065
其中，b2、b1、b0为非线性回归方程的系数与常量，k1、k2、c1、c2为余量函数的系数与常量；
Step4：设定叶尖1精加工切削余量范围为：[Δmin，(Δmin+Δmax)/2]、叶根2精加工切削余量范围为：[(Δmin+Δmax)/2，Δmax]；
其中，Δmin为实际精加工切削前余量预留最小值，Δmax为实际精加工切削前余量预留最大值；
Step5：根据Step4中叶尖1精加工切削余量范围和叶根2精加工切削余量范围，选取若干叶尖1精加工切削余量值和叶根2精加工切削余量值，代入Step3中的余量函数，求得k1、k2、c1、c2值；
在对叶尖1精加工切削余量值和叶根2精加工切削余量值取值时，叶尖1精加工切削余量值取值与截面刚度待定衡量指标εj值呈反比，叶根2精加工切削余量值取值与截面刚度待定衡量指标εj值呈正比。
也就是说，截面刚度待定衡量指标εj值较大时，取较小的叶尖1精加工切削余量值和较大的叶根2精加工切削余量值；截面刚度待定衡量指标εj值较小时，取较大的叶尖1精加工切削余量值和较小的叶根2精加工切削余量值。
因为截面刚度待定衡量指标εj值越大，薄壁叶片在此位置越容易变形，所以就要取较小的叶尖1精加工切削余量值和较大的叶根2精加工切削余量值以抑制变形；相对的，截面刚度待定衡量指标εj值越小，说明薄壁叶片在此位置的变形受几何参数的影响小，可以取较大的叶尖1精加工切削余量值和较小的叶根2精加工切削余量值。当截面刚度待定衡量指标εj值最大时，取叶尖1精加工切削余量为最小值，叶根2精加工切削余量为最大值；当截面刚度待定衡量指标εj值最小时，取叶尖1精加工切削余量为最大值，叶根2精加工切削余量为最小值。
Step6：将Step3中的一元非线性回归方程、Step2中的截面刚度待定衡量指标εj代入Step3中的余量函数，求得叶尖1精加工切削余量、叶根2精加工切削余量与几何特征的函数表达式：
Figure BDA0002761348110000071
其中，Δ1为叶尖1精加工切削余量函数，Δ2为叶根2精加工切削余量函数；
Step7：根据Step6中计算得到的余量函数，对薄壁叶片的叶尖1和叶根2曲线b(u，v)进行非均匀预留，获得精加工前的叶尖驱动曲线4和叶根驱动曲线5b′(u，v)为：
Figure BDA0002761348110000072
其中，bu为叶尖1或叶根2的U向向量，bv为叶尖1或叶根2的V向向量。
下面举一具体计算实施例：
Step1中对薄壁叶片的第一叶面6和与第一叶面相对的第二叶面均进行等参数有限元划分，其中沿V向划分形成21条线：j＝1∶1∶21，在V向每条等参线3的U向取5个点，i＝1∶1∶5。
根据划分结果计算出薄壁叶片高度，结合公式：
Figure BDA0002761348110000081
计算出薄壁叶片平均厚度，根据叶尖1变形分布状态及Step2的优选实施例确定m＝1，n＝-1，截面刚度待定衡量指标
Figure BDA0002761348110000082
结合图4、图5，当截面刚度待定衡量指标εj越大时，薄壁叶片等参截面越容易发生变形。
根据21个等参线3处的叶尖1节点变形量μj与截面刚性待定衡量指标εj的分布状态建立的一元非线性回归方程，当回归方程的次数为2次时，获得的回归函数效果最好，此时最小标准偏差为0.71％，建立的一元非线性回归方程为：μj＝(0.1009·εj 2+0.2492·εj+2.6176)·10-3，如图6所示。
根据实际精加工前的余量允许范围0.05-0.2mm设定精加工余量的允许预留范围：叶尖1精加工切削余量范围：0.05-0.12mm，叶根2精加工切削余量允许范围：0.13-0.2；根据截面刚度待定衡量指标的定义，在εj＝5.1523的最小处，该处薄壁叶片截面处刚度指标较好，薄壁叶片变形受叶片结构特征影响较小，因此，赋予叶尖1精加工切削余量最大允许余量0.12mm，赋予叶根2精加工切削余量最小允许余量0.13mm；在εj＝24.1790的最大的薄壁叶片截面处，薄壁叶片变形受叶片结构特征影响较大，该处刚性指标较差，因此，赋予叶根2精加工切削余量最大允许余量0.2mm，叶尖1精加工切削余量最小允许余量0.05mm。
建立各个等参线3的叶尖1精加工切削余量Δ1j、叶根2精加工切削余量Δ2j与叶尖1节点的变形量uj的余量函数为：
Figure BDA0002761348110000083
将截面刚度待定衡量指标以薄壁叶片几何参数表达：ε＝h1t-1，并将一元非线性回归方程带入余量函数，求得如图7所示的函数为：
叶尖1精加工切削余量函数为：Δ1＝-0.0001h2a-2+0.0003ha-1+0.119。
叶根2精加工切削余量函数为：Δ2＝0.0001h2a-2+0.00029ha-1+0.131。
根据计算得到的叶尖1精加工切削余量函数和叶根2精加工切削余量函数，求得薄壁叶片任意V向处的余量并对叶尖1精加工切削余量和叶根2精加工切削余量进行预留，对薄壁叶片曲面的其中一面的叶尖1或叶根2曲线b(u，v)在叶面法向进行非均匀偏置，获得如图8所示的精加工前的叶尖驱动曲线4及叶根驱动曲线5。
本发明针对现有侧铣加工工艺方法的不足，对精加工前的余量预留进行改进，根据薄壁叶片实际几何特征，在精加工余量允许范围内实现叶尖1及叶根2的连续的非均匀余量预留，对叶片变形实现最佳的抑制效果，尽可能减小变形带来的加工误差。
由于薄壁叶片的自身几何特征，侧铣时产生的铣削力易使薄壁叶片在铣削接触区法向发生弹性变形，对薄壁叶片进行参数划分并通过赋值径向铣削力获得叶片各参数划分位置的变形，计算该位置的截面刚度衡量待定指标并建立叶尖1节点变形与截面刚度衡量待定指标的联系，在上述基础上利用截面刚度衡量待定指标的定义对精加工的叶尖1及叶根2余量进行非均匀余量预留，获得预留余量与薄壁叶片几何特征参数的函数方程。按照本方法对半精加工后的余量进行计算并预留，能大幅增强侧铣薄壁叶片侧铣时的工艺刚度，有效抑制侧铣过程中薄壁叶片的变形，减小变形误差。该方法能在精加工过程中保证效率的同时实现叶片变形的最佳抑制，提高叶片表面的加工质量。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，其特征在于，包括：
Step1：采用有限元方法对薄壁叶片进行变形分析，对所述薄壁叶片进行等参数有限元划分，沿所述薄壁叶片的V向形成j个等参截面且沿其叶面V向形成j个等参线，在各个所述等参线处施加侧铣铣削力，获得在所述铣削力作用下各个所述等参线处叶尖节点的变形量uj；且定义U向为沿所述薄壁叶片轴向、V向为沿所述薄壁叶片切向；
Step2：建立所述薄壁叶片的截面刚度待定衡量指标εj，且
Figure FDA0002761348100000011
定义εj越大所述薄壁叶片截面越易变形；
其中，hj为所述薄壁叶片高度，tj为所述薄壁叶片截面平均厚度，m、n为截面刚度待定衡量指标εj的待定衡量系数，m、n为整数且m＞0、n＜0；
Step3：建立各个所述等参线处叶尖节点的所述变形量uj与所述截面刚度待定衡量指标εj的一元非线性回归方程：μj＝b2·εj 2+b1·εj+...+b0；建立各个等参线的叶尖精加工切削余量Δ1j、叶根精加工切削余量Δ2j与叶尖节点的变形量uj的余量函数：
Figure FDA0002761348100000012
其中，b2、b1、b0为非线性回归方程的系数与常量，k1、k2、c1、c2为余量函数的系数与常量；
Step4：设定所述叶尖精加工切削余量范围为：[Δmin，(Δmin+Δmax)/2]、所述叶根精加工切削余量范围为：[(Δmin+Δmax)/2，Δmax]；
其中，Δmin为实际精加工切削前余量预留最小值，Δmax为实际精加工切削前余量预留最大值；
Step5：根据Step4中所述叶尖精加工切削余量范围和所述叶根精加工切削余量范围，选取若干所述叶尖精加工切削余量值和所述叶根精加工切削余量值，代入Step3中的所述余量函数，求得k1、k2、c1、c2值；
Step6：将Step3中的所述一元非线性回归方程、Step2中的所述截面刚度待定衡量指标εj代入Step3中的所述余量函数，求得所述叶尖精加工切削余量、所述叶根精加工切削余量与几何特征的函数表达式：
Figure FDA0002761348100000021
其中，Δ1为所述叶尖精加工切削余量函数，Δ2为所述叶根精加工切削余量函数；
Step7：根据Step6中计算得到的余量函数，对所述薄壁叶片的叶尖和叶根曲线b(u，v)进行非均匀预留，获得精加工前的叶尖和叶根驱动曲线b′(u，v)为：
Figure FDA0002761348100000022
其中，bu为叶尖或叶根的U向向量，bv为叶尖或叶根的V向向量。
2.根据权利要求1所述的薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，其特征在于，Step1中对所述薄壁叶片的第一叶面和与所述第一叶面相对的第二叶面均进行等参数有限元划分，其中沿V向划分形成21条线：j＝1∶1∶21，在V向每条等参线的U向取5个点，i＝1∶1∶5。
3.根据权利要求1所述的薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，其特征在于，Step2中所述薄壁叶片平均厚度tj计算为两等参线处对应点的距离的平均值：
Figure FDA0002761348100000023
其中，
Figure FDA0002761348100000024
为所述薄壁叶片的第一叶面在U向第i处、V向第j处的点，
Figure FDA0002761348100000025
为所述薄壁叶片的第二叶面在U向第i处、V向第j处的点。
4.根据权利要求1所述的薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，其特征在于，Step2中，取若干m和n的值进行组合，建立各个所述等参线处叶尖节点的所述变形量uj与任意组合
Figure FDA0002761348100000026
的非线性回归分析，当且仅当非线性回归分析的标准偏差最小时选定该m、n的值。
5.根据权利要求1所述的薄壁叶片侧铣精加工余量预留方法，其特征在于，Step5中，所述叶尖精加工切削余量值取值与所述截面刚度待定衡量指标εj值呈反比，所述叶根精加工切削余量值取值与所述截面刚度待定衡量指标εj值呈正比。
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