基于满意度函数和灰关联度的多公差约束配准算法

在近净成形类零件自适应加工的过程中,针对传统配准算法无法有效约束零件形位公差的问题,提出一种基于满意度函数和灰关联度的多公差约束配准算法,将公差间平衡关系转化为多目标协同优化问题进行求解.首先,确定零件各公差的评价方法与表征形式,将测量数据与理论模型偏差量视为轮廓度求解裕度.然后,运用满意度函数对各公差偏差量进行评估,...     

近净成形叶片重构曲面刀具轨迹自适应规划

近净成形叶片作为一种高效低成本的新型工艺方法,越来越广泛地被应用在航空发动机叶片毛坯制造上。航空发动机近净成形叶片其叶型复杂且属于薄壁类零件,无法保证所有区域一次成形且满足设计精度要求,需要对进/排气边区域进行自适应加工。自适应加工中进/排气边曲面通常为重构曲面,因为测量数据、缘头形状约束、毛坯变形等因素影响,重构曲面会出现曲率变化大、边界不齐等问题。针对上述问题,本文通过分析刀心轨迹与加工曲面几何关系,以光顺偏置曲面为基础,建立光顺刀心轨迹规划线规划算法,实现了重构曲面光顺刀心轨迹的高效自动化生成。在某型精锻叶片上进行了数控加工试验,试验结果显示进/排气边曲面轮廓公差控制在（–0.02～+0.039） mm范围内,满足图纸设计公差（–0.03～+0.05） mm的要求,证明了所提算法的有效性和实用性。     

航空发动机叶片型面加工误差可视化方法研究

叶片型面加工质量的科学检测是保证航空发动机叶片高气动性能的关键技术之一,针对目前叶片型面检测结果可视化程度低,且常规的数模比对方法难以对复杂扭曲叶片型面加工质量进行准确分析的现状,本文基于叶身型面的定义提出了具有节点层特征的自适应三角网格模型以及叶片型面主要加工误差的可视化分析方法,并以叶片型面为检测对象进行了验证分析。结果表明:该方法及其对应的软件系统能够对叶片截面型线轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差、弯变形误差以及截面型线轮廓超差量进行直观、准确的可视化分析,减少了原有截面特征检测报告中近30%的文字数据,提高了检测结果的可视化程度,能够有效地协助检测人员完成叶片型面加工质量的分析和评定工作。     

基于刀轨调整的叶片前后缘几何自适应加工

航空发动机压气机叶片在前期净近成形工艺中,其前后缘曲率变化剧烈,形状特殊,无法直接成形,需要进行二次加工。然而,前期工艺会使叶片产生变形,理论数模已经无法适用于其二次加工。因此,为了解决因变形带来的前后缘加工问题,实现前后缘与叶身的光滑转接加工,提出了一种基于刀轨修改的叶片前后缘几何自适应的加工方法。首先,在前后缘附近的已成形区域上提取特征测量点并对其进行实测;然后,通过特征点实测数据分析叶片前期工艺变形情况,并基于变形数据建立叶片截面Z坐标值与变形规律的映射关系函数;最后,根据变形映射函数,相应地调整原始理论刀位文件,以调整完的刀轨实现叶片前后缘的自适应加工。以某型号航空发动机精锻叶片为例进行仿真试验验证,试验结果表明该方法优化效果显著,原理论刀位文件与调整后的刀位文件的加工误差相比,后者偏差基本在0.01 mm以内,极大程度地减少了加工误差。该方法能有效解决精锻叶片进排气边的光滑转接加工问题。     

复杂薄壁构件自适应加工工艺几何模型重构

随着制造理念和制造水平的不断提高,大量复合制造工艺背景下的近净成形叶片被应用到现役或在研的航空发动机中。该类叶片是典型的复杂薄壁结构零件,无精确定位基准,且成形一致性差。采用传统叶身定位,加工后的前/后缘、榫齿形状和位置精度均难以保证,从而导致产品一致性差,易超差与合格率低。针对以上问题,提出一种面向自适应加工的复杂薄壁结构零件工艺几何模型重构方法。首先,建立复杂曲面的采样点分布模型,快速获取叶片精确成型区域的位置和形状;其次,提出基于特征曲线相似变形的模型重构算法,精确重构前/后缘非精确成型区域的工艺几何模型;最后,通过精锻叶片自适应加工试验进行验证。试验结果表明：该方法可有效满足以精锻叶片为代表的复杂薄壁构件自适应加工要求。     

一种叶片截面线光顺及等距面生成方法

采用等距面生成球头刀加工刀具轨迹是曲面加工中一种常用的方法。但是,在对叶身曲面进行等距偏置时,经常出现无法偏置的问题。针对该问题,分析了曲面偏置自相交原因,并根据叶片类零件叶身曲面的特点,提出了一种叶身截面线光顺及等距面生成方法。该方法首先采用Kjellander方法将原始截面线进行自动光顺,然后根据光顺后的原始截面线和数据采样法构造偏置截面线,最后通过截面线放样法构造叶身曲面等距面。实例表明,采用Kjellander方法可以实现叶片曲面的自动光顺和叶片曲面等距面的构造。     

多目标约束的精锻叶片几何重构优化算法

新型航空发动机已部分采用精密锻造工艺提高叶片的制造精度和效率。然而,精锻后的叶身型面与设计模型存在几何偏差,导致依据设计模型加工后的进/排气边与精锻的叶身型面不能很好地匹配。为了解决该问题,提出一种面向精锻叶片自适应加工的几何重构方法。首先,建立基于公差约束配准的目标函数,并采用粒子群优化（PSO）算法求解目标函数。其次,提出基于叶身变形趋势预测进/排气边轮廓的光顺重构算法。最后,通过精锻叶片自适应数控加工实验对提出的方案和算法进行验证。实验结果表明,该方案可以有效重构出合格的工艺模型,满足精锻叶片的精密数控加工要求。     

线性摩擦焊后叶片数控加工技术研究

针对线性摩擦焊后风扇叶片的结构特点及加工工艺难点，制定了焊后叶片的加工工艺路线，通过预留非均匀余量和采用同步半精铣-精铣加工方法，减少了加工过程中的让刀；采用前后缘-叶身一体对称加工方法，解决了单面铣削加工中存在的变形过大问题；最后对线性摩擦焊后叶片进行了数控加工试验。结果表明，精铣后叶片表面粗糙度可以达到R_a0.54μm，叶片轮廓度、位置度和扭转度等满足图纸要求，可有效提高线性摩擦焊后叶片加工精度和表面质量。     

一种薄壁悬臂叶片数控加工非均匀余量刚度补偿方法

 在数控加工过程中,因受到切削力的影响,薄壁悬臂叶片容易出现弯曲、扭转变形等问题而导致被加工曲面误差较大。针对该问题,提出了一种非均匀余量刚度补偿方法,将非均匀余量偏置面作为粗加工/半精加工零件面以提高叶片精加工时的抗弯刚度。首先,分析了集中力载荷下截面厚度对薄壁工件变形的影响;然后,对叶片径向和截面线方向分别采用线性变化和正弦函数变化两种方法进行叶片曲面非均匀余量刚度补偿设计;最后,基于叶片原始截面线,采用放样法构造出叶片曲面的非均匀余量偏置面。试验结果表明,采用非均匀余量刚度补偿方法可以提高被加工叶片精加工时的刚度,加工出的叶片满足了设计误差要求。     

具有误差修正功能的叶片变预压量抛光技术

针对目前部分叶片铣削后具有较大轮廓度误差以及微小进排气边,采用力控抛光方法难以达到预定要求的状况,提出了一种利用柔性金刚石抛光轮的变预压量误差修正抛光方法。首先,利用在机快速测量装置测量获取叶片待加工余量情况,然后通过分析测量数据确定叶片抛光轨迹和抛光预压量,从而达到对抛光去除量大小的控制,实现叶片型面自适应抛光的结果。最后,利用常规3轴机床对某型号叶片进行了包含叶根过渡圆弧的全型面抛光试验,试验结果表明,用该方法抛光后,叶片型面轮廓度由抛光前的0.02~0.12mm改变为–0.04~–0.005mm,余量稳定控制到了公差带内。与传统的方法相比,采用高精度超硬磨料复杂母线弹性抛光轮可以实现叶片非均匀去量,有效地改善了叶片型面轮廓度。该技术可以广泛用于中小叶片的低成本高精度抛光加工。     

随形固定自适应夹具加工变形控制方法

叶片的加工精度及其稳定性对航空发动机的性能有直接的影响,由于叶片的薄壁和曲率多变特点,易受装夹、切削力和残余应力的影响而产生弯曲、扭转变形。针对该问题,本文提出了一种随形固定自适应夹具加工变形控制方法,可以将叶片无应力装夹,并将加工过程中产生的变形逐层消除。实验结果表明,采用随性固定自适应夹具加工变形控制方法,可以有效控制叶片加工过程中产生的变形,提高加工精度。     

双臂自适应夹具加工变形控制方法

在叶片加工过程中,由于叶片的薄壁和曲率多变特点,易受装夹、切削力和残余应力的影响而产生弯曲、扭转变形。针对该问题,本文提出了一种双臂自适应夹具加工变形控制方法,将加工过程中产生的变形逐层消除。首先,对叶片的变形成因进行分析;然后,通过对无应力装夹和加工应力释放原理进行研究,设计了一种可提供6个自由度的自适应装夹机构,并对该机构进行了工程设计和机构分析;最后,基于这种6自由度双臂自适应装夹机构,形成了本文提出的加工变形控制工艺,不需多次修复基准和更换机床,就可以逐层消除新产生的变形。实验结果表明,采用双臂夹具自适应加工变形控制方法,可以有效控制叶片加工过程中产生的变形,使叶片的轮廓误差降为原来的50%,提高了其加工精度。     

A new localization theory of adaptive machining of near-net-shape blades

In the fabrication of aero-engine blades, a great deal is gained when massive material removal is avoided at the end of the process, and as little as possible material is left on the blade billet. Due to the uncertainty of pre-process, the billet shapes are inconsistent. Sometimes, the near-net-shape billet doesn’t cover the blade design surface to be cut. Therefore, blade localization is necessary for these billets before the machining. In conventional localization methods, the design surface’s location focused on guaranteeing enough material to be cut. However, because the to-be-cut surface is in near-net and free-form shape, it is difficult to find a valid localized surface model to generate the tool path. Different from the localized surface is taken as rigid in previous investigation, it is allowed to deviate from the design surface no more than the tolerance band. In term of this principle, the tolerance band is utilized to promote localization ability. A series of optimization models with different priorities is established to avoid the abandonment expensive blade billet. Finally, with the experiments performed on the near-net-shape blades, the blade localization theory and the promotion of localization ability are verified.     

基于检测结果的涡轮叶片精铸型腔反变形优化设计

针对空心涡轮叶片精铸过程中的试错法和数值仿真法难以敏捷反应铸件的真实变形情况,提出一种基于检测结果的精铸零件反变形综合补偿方法.通过对精铸叶片试模样件进行三坐标检测及统计分析,得到叶身截面收缩、扭转和弯曲变形情况,并建立其综合补偿反变形模具型腔优化算法,实现精铸型腔的反变形优化设计.以精铸叶片试模样件叶尖处截面为例,其叶身段型面误差、前缘最大误差、后缘最大误差相对于未补偿前分别减少了50%,68%和31%.实例验证表明:其研究成果能有效提高空心涡轮叶片的精铸成型精度,达到精确控形的目的.      

基于非均匀余量的整体叶轮加工工艺优化策略

针对超薄结构叶片整体叶轮在制造过程中叶片产生较大的变形和切削振动,使用非均匀余量加工工艺方案,减小叶片变形提高加工质量。分析了集中载荷对薄壁结构和加厚结构变形的影响,对生产中的叶轮叶片进行非均匀余量加工工艺设计,依据优化后的工艺对叶轮进行刀具轨迹规划并进行加工试验,结果显示该工艺优化策略能有效减小超薄叶片的铣削振动和铣削变形,最大误差优化率为54.47%,平均误差优化率为52.57%,对类似高度与平均厚度比值较大且叶片扭转曲率较大的复杂零件的实际加工有一定的指导意义。     

航空发动机叶片进排气边缘形状自动评价方法

针对目前对航空发动机叶片进排气边缘形状的评价主要依赖人工目测,主观性强、效率低等问题。提出一种叶片进排气边缘形状自动评价方法,通过非均匀有理B样条（NURBS）曲线拟合、最小二乘椭圆拟合、等半径法等算法拟合叶型并提取相关型面参数,针对5类叶片进排气边缘不合格形状给出了定性的定义,根据叶片进排气边缘在不同形状时的曲率特征以及偏差值变化特征对其形状做出评价。通过实例验证表明：该方法能够实现对尖头、钝头、歪头、缩颈及大小大/小大小（LSL/SLS）5类叶片进排气边缘形状的自动判读,对于不同叶片型号和验收标准的应用场景具有较好的通用性,有效提高了叶片进排气边缘形状评价的效率。     

A trajectory planning method on error compensation of residual height for aero-engine blades of robotic belt grinding

While the traditional trajectory planning methods are used in robotic belt grinding of blades with an uneven machining allowance distribution, it is hard to obtain the preferable profile accuracy and surface quality to meet the high-performance requirements of aero-engine. To solve this problem, a novel trajectory planning method is proposed in this paper by considering the developed interpolation algorithm and the machining allowance threshold. The residual height error obtained from grinding e...     

面向自适应加工的精锻叶片前后缘模型重构

针对精锻叶片前后缘数控加工在加工边界出现"台阶"等问题,提出面向自适应加工的模型重构方法。首先,根据精锻叶片的特点给出前后缘加工工艺方案。其次,根据工艺方案建立在机测量模型并进行路径规划。在此基础上,依据前后缘实际几何型面参数以及理论模型各截面前后缘圆弧圆心和半径允差,提出重构模型圆弧圆心及半径搜索算法;根据各截面的测量点拟合线、理论截面线以及搜索的圆弧圆心和半径,建立重构前后缘模型。最后,通过对比重构模型与理论模型的偏差以及数控加工试验证明该方法能够有效地减小锻造叶片叶身实际型面与前后缘在衔接处的"台阶"缺陷问题,为复合制造工艺背景下精锻叶片前后缘加工成型提供依据。