基于控制线的开式整体叶盘叶片四轴数控加工刀轴控制方法

针对开式整体叶盘叶片数控加工中存在的干涉及刀轴变化稳定性问题,提出了一种基于刀轴控制线的四轴刀轴矢量控制方法。阐述了基于刀轴控制线的四轴刀轴控制基本原理,通过对四轴无干涉刀轴摆动区间的计算,建立了四轴无干涉刀轴控制面;根据控制线生成准则,给出了在刀轴控制面上生成刀轴控制线的具体算法。实验验证表明,该方法不仅可解决开式整体叶盘叶片加工中的刀具干涉问题,而且有效避免了刀轴突变引起的叶片啃伤现象,明显提高了叶片表面的加工质量。     

复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

 针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题,提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先,构造了给定切触点处所有可行摆刀平面,并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量,在获得临界刀轴矢量的基础上,对其进行平面映射,建立了刀轴摆动的初始可行域;其次,通过对初始可行域进行均匀离散,根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵,并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴,从而构造了新的刀轴摆动可行域;最后,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明,采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能,避免了刀具干涉的产生,可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。     

闭式整体叶盘通道五坐标分行定轴加工刀轴矢量规划方法

闭式整体叶盘是新一代航空发动机实现减重增效的关键零件,其通道结构属于典型多约束复杂通道结构。针对闭式整体叶盘通道精加工,提出了一种基于五坐标分行定轴加工的刀轴矢量规划方法。从加工原理上给出了分行定轴加工方法的基本概念,并分析了闭式整体叶盘通道五坐标加工的特征;在刀具预定义和建立检查面球体包围盒层次树结构的基础上,给出了刀轴矢量无干涉区域的计算方法;基于刀位点最短刀长的计算与分析,进行了叶盘通道加工区域划分,建立了分行定轴加工刀轴矢量规划方法。实验验证表明:分行定轴相对五轴联动加工方法不仅可明显提高加工过程中的稳定性和叶片加工表面质量,还可提高叶片精加工效率。     

基于压缩量偏差约束的整体叶盘砂布轮数控抛光路径规划

数控抛光是实现整体叶盘叶片表面光整加工自动化、高效化的关键技术,而抛光路径规划对表面质量有着显著的影响。在抛光曲面时,砂布轮沿接触曲线上的径向压缩量偏差导致材料去除量一致性较差。针对该问题,提出一种基于压缩量偏差约束的路径规划方法。通过对砂布轮受曲面挤压变形几何分析,建立了自由曲面抛光接触线上砂布轮压缩变形量分布模型。在给定刀触点处,以接触曲线上最大压缩量偏差最小化为评价指标构建了刀轴矢量优化模型,并利用改进的粒子群优化（PSO）算法进行求解。基于最优刀轴矢量,完成自由曲面上等参数相邻刀触轨迹曲线的计算。最后,通过数据对比和试验,验证了所提方法的正确性和有效性。结果表明,抛光区域的轮廓度、粗糙度均得到明显的改善。     

基于可行图的五轴在机测量探针轴向优化方法

针对不同探针轴向下红宝石球上触碰点会引入不同预行程误差导致标定精度和效率低的问题，提出了一种用于优化在机测量探针轴向的可行图构建方法。首先，根据包围盒算法计算各个测量点处免干涉的探针轴向。接着，利用机床运动学链建立红宝石球上触碰点与机床旋转轴的关系，进而构建机床转台旋转角度的可行图。为了提升检测精度，以减少红宝石球上触碰点和机床旋转轴方向变化为原则，优化测量路径上探针轴向，满足无干涉且红宝石球触碰点最少的条件。最后，以离心式叶轮为例进行验证，采用此方法不仅能保证红宝石球上触碰点个数最少而大幅度缩短标定时间，还能减少引入的机床误差量而提升测量精度，实验结果证明该方法重复性好、可行度高。     

复杂通道类零件五坐标加工全局干涉处理方法

 针对复杂通道类零件五坐标端铣加工中全局干涉问题,提出一种基于临界约束与临界位置精细化的干涉处理方法。通过分析刀杆碰撞干涉特点,以切触点处垂直于走刀方向平面与被加工曲面交线为基础,计算刀具的初始临界位置。在零件坐标系下,建立自动编程刀具轮廓函数,基于初始临界位置,选定与刀具临近点集。在刀具坐标系下,采用距离监视的方法计算点集到临界刀轴的距离,判断干涉点集,计算与之对应的刀具旋转角度集,选取最大的旋转角,从而确定出无干涉刀轴矢量。算例结果表明,该方法能够快速确定干涉检测范围,准确生成无干涉刀位轨迹。     

A novel method for solving shortest tool length based on compressing 3D check surfaces relative to tool postures

Solving the shortest tool length quickly under a known tool trajectory in multi-axis machining of complex channel parts is an urgent problem in industrial production. To solve this problem, a novel and efficient method is proposed which is featured by extracting only a few necessary curves from the check surface instead of sampling the entire surface. By rotating and compressing the 3D check surface relative to all tool postures, the boundaries of the area occupied by the 2D compressed surfaces are the essential elements for determining the shortest tool length. A tracking-based numerical algorithm is introduced to efficiently solve the silhouette curves which are formed in compressing. To define the multi-taper shaped tool holding system (THS) which is commonly used in production, a characterization model for THS profile is established. A model for solving the shortest tool length is finally constructed based on the critical interference relationship between the THS profile and all compressed boundary curves. For acceleration, the boundary splines are segmented according to their knot vectors. Then a new concept called the axis-aligned tool length box (AATB) is introduced, which can provide a conservative range of tool length for a spline segment. By scanning the AATBs of all spline segments, the very few effective spline segments that may ultimately determine the shortest tool length are filtered out. This acceleration method makes the solution for the shortest tool length more focused and efficient. The results of experimental examples are also reported to validate the efficiency and accuracy of the proposed algorithm.     

闭式叶盘叶身加工切触点规划算法研究与实现

在对闭式整体叶盘叶身造型方法分析的基础上,提出基于叶片防扭曲高质量造型的等误差切触点规划算法,详细描述了算法中边界参数点确定、切削行参数划分、走刀步长确定和型值点网格化四个步骤,给出了该算法在UGCAD系统中的实现及工程应用实例。     

5坐标加工中干涉检测的凸包算法研究

提出了运用凸包法解决在五坐标中加工干涉的算法.在干涉检测中用了一种算法,即快速检测法,快速检测法通过使用曲面的控制网格获得刀具的可行位置.在快速检测中,根据参数曲面的凸包特性粗检现行的刀具方向与凸包之间是否存在干涉,若不存在,则刀具方向是可行的;否则,则不可行.     

基于不规则障碍物环境下无人机的改进几何路径规划算法

随着无人机应用环境的多样化,在复杂环境中寻找无碰撞路径是非常重要的。传统的路径规划算法可以找到可行的路径,但它们在时间效率和路径长度之间没有很好的平衡,传统的几何算法只能避免特殊形状的障碍物。提出了一种改进的几何路径规划算法,使无人机能够在复杂的环境中避开任意形状的障碍物,找到较短的路径。首先,针对不规则障碍物,建立了凸多边形覆盖模型。然后解决了传统几何算法陷入局部最优解的缺点。提出了从相邻路径段生成无碰撞路径的二次规划思想,并针对该方法提出了一种新的安全阀值策略。最后,为了验证算法的性能,在不同的复杂环境下进行了仿真,并从几个方面对所提出的算法与A*算法进行了对比分析。     

闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹规划

针对闭式整体叶盘通道开槽工艺问题,研究了叶盘通道五坐标开槽插铣加工方法。进行了闭式叶盘通道可加工性分析,给出了通道加工区域划分方法;基于最小面积原理研究了叶盘插铣通道边界最佳直母线求解算法,分别针对叶片曲面及叶盘内外环面,提出了通道偏置直纹包络面的生成方法,给出了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹。研究结果表明:该方法能解决闭式整体叶盘通道插铣区域划分和直纹包络面生成问题,可有效实现闭式整体叶盘的五坐标开槽粗加工。     

航空发动机叶片三坐标测量优化采样方法

针对航空发动机叶片三坐标检测测量效率低的问题,提出了一种适用于翼型曲面三坐标测量优化采样算法。基于杠杆平衡系统,对现有采样算法做了统一的数学描述;并通过引入挠率信息,使得曲率-弧长采样算法适用于空间曲线,并在此基础上研究了基于前、后缘线选取叶片被测截面的算法;研究了弧长分量与曲率分量的比例系数的优化方法。最后,对多个叶片模型进行采样实验,计算重构误差并与等参数采样、等弧长采样、曲率采样、等弦公差采样、加权曲率采样算法对比,结果表明优化采样算法精度提高11.2%以上,与等步长采样方法对比,测点数减少92.3%。      

整体叶盘抛光技术的研究现状及发展趋势

整体叶盘的表面质量和型面精度对航空发动机的气流动力性和使用性能影响巨大,而抛光是保证整体叶盘最终表面质量及型面精度的关键技术。针对目前国外对整体叶盘抛光技术及装备的严格保密、国内整体叶盘的抛光仍然广泛采用人工打磨的现状,对整体叶盘的抛光技术研究现状及发展趋势进行归纳总结,为整体叶盘的抛光及其自动化的发展提供参考。首先,概述了整体叶盘抛光加工的必要性及其重要性,分别从整体叶盘结构特性、材料特性和曲面特性等方面分析了整体叶盘的抛光工艺,并介绍了整体叶盘抛光工艺要求。然后,就整体叶盘磨料流加工、电解加工、砂带抛光等方面概述了国内外整体叶盘抛光技术及装备的研究现状,在此基础上提出了制约整体叶盘型面抛光技术发展的关键问题及其研究内容和解决方案。最后,根据整体叶盘的技术现状及核心关键问题指出了整体叶盘抛光技术的发展趋势。     

整体叶盘数控砂带磨削技术及其试验

针对航空发动机整体叶盘结构复杂、材料难加工,铣削加工后粗糙度无法达到设计要求,铣削纹理明显,目前的手工抛光难以满足整体叶盘表面质量和型面精度要求的现状,提出了整体叶盘数控砂带磨削技术及其工艺试验。概述了整体叶盘砂带磨削研究进展,分别从新型砂带磨削技术和自适应砂带磨削技术等方面阐述了整体叶盘全型面数控砂带磨削技术。介绍了整体叶盘全型面数控砂带磨削试验装置及其数控磨削加工软件,利用该装置完成了4种不同级别的整体叶盘精密磨削加工试验。结果表明:整体叶盘磨削后,表面粗糙度小于0.4μm,型线精度小于0.05mm,同时型面精度一致性显著提高。     

整体叶盘叶片自动化抛光颤振抑制技术

基于研制的自动化抛光系统,针对整体叶盘叶片抛光加工的颤振问题,分析了颤振后叶片表面的几何形貌。结合整体叶盘叶片自动化抛光系统,阐述了抛光颤振机理。基于颤振机理确定了编程技术优化、抛光参数优化、提高系统刚性等3种抛光颤振抑制技术,获得了优化后的刀轴方向、抛光轨迹、抛光参数及工艺填充方法。经试验验证,颤振现象,叶片波纹度、平均误差、表面粗糙度等减小,表面质量得到较大提升,颤振痕迹明显消除。     

面向型面精度一致性的整体叶盘砂带磨削新方法及实验研究

由于整体叶盘由多个叶片组成,根据"木桶定律",整体叶盘的性能和寿命取决于型面精度(型线精度和表面质量)最差的叶片。因此,在满足整体叶盘型面精度的前提下,提高各叶片型面精度一致性对其性能和寿命具有重要的影响。提出一种面向型面精度一致性的砂带磨削新方法,一方面通过砂带周期性的往复运动结合自锐式磨削原理,实现型面铣削残差层的高效去除;另一方面通过砂带周期性的自动更新,保证各叶片的型面精度在同一截面具有高一致性。阐述并建立了面向型面精度一致性的砂带磨削新方法及其磨削控制方程。在此基础上,对某航空发动机整体叶盘的11个叶片进行了砂带磨削实验,并且运用标准差对整体叶盘型面精度一致性进行定量分析。研究结果表明:整体叶盘磨削后,表面粗糙度小于0.25 μm,型线精度小于0.05 mm,同时型面精度一致性显著提高,证明了该方法的有效性。     

Four-axis trochoidal toolpath planning for rough milling of aero-engine blisks

The Blade Integrated Disk (Blisk) is one of the key components in the aero-engine, it is generally manufactured by the multi-axis milling and almost 90% raw materials are removed. To avoid the full immersion of a cutter in the rough machining of a blisk channel, the trochoidal milling is a promising strategy since it can keep a small immersion angle in the rough milling process while maintaining the high machining efficiency. However, while toolpaths are being planned for the trochoidal milling process, the conventional methods are mainly for the planar machining area with fixed tool orientations, which cannot be used for complex channels where the multi-axis machining should be employed. To this end, this paper presents a four-axis trochoidal toolpath planning method with a ball-end cutter, and thus the blisk channel can be machined efficiently. For this to happen, the trochoidal paths are planned in the parametric domain and then mapped into the physical domain, with tool orientations controlled by the quaternion interpolation method to have smooth tool movement along the toolpaths. Both geometric simulation and physical milling experiments of the proposed method have convincingly demonstrated the validation of the proposed method.     

具有半主动压电阻尼的叶盘结构动力学特性研究

针对航空发动机整体叶盘结构的失谐响应放大问题,在叶盘结构中引入半主动压电阻尼技术,并利用基于非线性模态分析的非线性系统频域响应快速算法-非线性部件模态综合(NCMS)法对具有基于负电容的同步开关阻尼(SSDNC)的叶盘结构动力学特性进行理论探究。分析结果表明NCMS法相比于Newmark法具有很高的计算效率,并能保证较高计算精度;SSDNC能够同时对叶盘结构的多阶振动模态都产生较好的抑制效果,并对多谐波激励下叶盘结构的所有振动峰值都产生较好的抑制效果(对于本文所用模型,振动峰值下降可达到73%);统计分析表明,SSDNC的振动抑制效果对叶盘结构机械失谐以及电路参数失谐均不敏感。     

Advanced multiple response surface method of sensitivity analysis for turbine blisk reliability with multi-physics coupling

To reasonably implement the reliability analysis and describe the significance of influencing parameters for the multi-failure modes of turbine blisk, advanced multiple response surface method(AMRSM) was proposed for multi-failure mode sensitivity analysis for reliability. The mathematical model of AMRSM was established and the basic principle of multi-failure mode sensitivity analysis for reliability with AMRSM was given. The important parameters of turbine blisk failures are obtained by the multi-failure mode sensitivity analysis of turbine blisk. Through the reliability sensitivity analyses of multiple failure modes(deformation, stress and strain) with the proposed method considering fluid–thermal–solid interaction, it is shown that the comprehensive reliability of turbine blisk is 0.9931 when the allowable deformation, stress and strain are3.7*10~(-3)m, 1.0023*10~9 Pa and 1.05*10~(-2)m/m, respectively; the main impact factors of turbine blisk failure are gas velocity, gas temperature and rotational speed. As demonstrated in the comparison of methods(Monte Carlo(MC) method, traditional response surface method(RSM), multiple response surface method(MRSM) and AMRSM), the proposed AMRSM improves computational efficiency with acceptable computational accuracy. The efforts of this study provide the AMRSM with high precision and efficiency for multi-failure mode reliability analysis, and offer a useful insight for the reliability optimization design of multi-failure mode structure.     

涂敷硬涂层的失谐整体叶盘减缩建模及振动分析

为了提高整体叶盘的服役寿命,提出一种对叶片涂敷硬涂层的减振方法。同时,针对失谐叶盘-硬涂层复合结构的运算规模庞大的难题,提出了一种双重减缩建模方法。利用一种改进的混合界面子结构(HISCMS)法对复合结构进行第一重的自由度减缩。利用一种模态密集判别准则与经典模态减缩(SNM)法的思想对综合后的模型进行第二重的模态减缩。选取了对叶片双面涂敷NiCoCrAlY+YSZ(yttria-stabilized zirconia,氧化锆) 硬涂层的失谐叶盘进行仿真分析及试验测试,以探究失谐叶盘的振动情况以及硬涂层厚度对失谐叶盘的影响。结果表明:双重减缩建模方法能够在保证计算精度的前提下提高25.86%~42.05%的计算效率;而且硬涂层表现出较强的阻尼作用,能够在共振区显著抑制失谐叶盘的共振响应。