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。     

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。     

整体叶盘超硬磨料砂轮数控磨削加工技术

针对航空发动机整体叶盘进排气边曲率半径小、材料加工难度大、工具磨损快、编程难度大、加工周期长和容易产生加工变形等问题,对多种整体叶盘的磨削加工技术进行了系统的研究,总结了一系列整体叶盘的CBN砂轮数控磨削加工技术,开发了专用的整体叶盘编程模块。利用鼓形砂轮插磨方法和宽行周磨方法实现了整体叶盘叶片的全型面高精度磨削,加工面轮廓精度提高到15-20μm,最小进排气边圆弧半径达到28.7μm。利用几何自适应磨削加工方法实现整体叶盘进排气边的局部磨削加工,接刀痕迹低于10μm。提出了整体叶盘的三轴圆柱坐标磨削方法和圆周阵列磨削方法,可望将叶片长度不大于60mm整体叶盘的加工时间从数十乃至数百小时缩短到3h以内。     

多曲面岛屿五轴螺旋刀位轨迹规划

针对复杂拓扑关系的多曲面岛屿加工,以叶片阻尼台为研究对象,提出基于清根刀心轨迹的五轴球头刀螺旋刀位轨迹生成算法。首先建立局部坐标系,定义并确定中轴线,然后按层逐点创建投影射线,利用实体求交构造初始刀心螺旋轨迹;通过变步长迭代算法修正,使得刀心点距实体最短距离在加工精度范围内等于刀具半径。最后根据实体结构控制刀轴矢量,规划出无干涉的螺旋刀位轨迹。算例表明,本文算法统一了阻尼台加工与清根加工,避免了复杂偏置曲面片的构造,保证在加工过程中没有冗余进退刀的同时刀具不会过切叶身曲面,实现了阻尼台多曲面岛屿五轴球头刀高效精密加工。     

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。     

发动机叶片椭圆进排气边智能磨削加工检测一体化技术

本文论述了航空发动机叶片进排气边的先进制造技术。首先介绍了椭圆叶片进排气边的重要性,然后描述了叶片进排气边加工的特点和制造技术现状,进而讨论了叶片进排气边智能加工检测一体化技术,最后对其中的关键技术和解决方案进行了分析。     

基于模型重构的变形叶片配准定位技术

叶片毛坯的精确定位是叶片数控加工的核心问题,为了提高叶片数控加工质量,保证叶片各处余量分配均匀,本文以叶片进排气边的自适应数控加工中的检测定位为研究对象,提出了一种基于模型重构的配准定位方法.该方法利用偏置模型的叶片测量方式提高了测量精度,对基于重构的测量模型进行变形与定位分析,得出较优的定位参数.通过仿真试验和对比分析,论证了本文方法的正确性.     

轮廓度约束下近净成形叶片余量优化方法

针对近净成形的叶片在自适应精加工中余量不均这一问题,提出了考虑叶型截面线轮廓度公差约束的余量优化方法。在设计基准与加工基准配准的条件下,改变工件做刚性位移的余量优化思路,建立一种新的叶身优化模型,避免优化后叶片检测处的截面线超出轮廓度公差,提升叶片余量优化阶段寻找到目标加工曲面的能力。最后以某压气机叶片为例进行验证,此方法不仅能够保证叶身加工余量,还能同时满足型面检测处的轮廓度公差,为近净成形的叶片在自适应加工中提供一种新的余量优化方法。     

非接触式白光测量机在叶片检测中的研究与应用

<正>随着先进航空发动机的不断更新设计,叶片的结构形式变得越来越复杂,加工精度要求也越来越高,我们对于叶片检测技术与检测仪器提出了更高的要求。坐标测量机矢量检测功能在自由曲面测量中起着重要的作用。航空发动机叶片型面做为一种拥有微小进排气边圆弧的自由曲面,它的检测精度与批量检测效率一直是制约叶片制造能力的瓶颈问题。与其他航空零部件相比,叶片具有许多鲜明的特点:形状与结构十分复杂、尺寸极化现象十分严重、叶     

基于精密电解工艺的叶片进排气边形状控制方法

针对高温合金复杂曲面叶片进排气边尺寸和形状的高精度要求,开展了精密电解加工试验研究。结果表明,利用振动进给电解机床与优化电极设计方法可以有效提高电解加工叶片进排气边尺寸形状精度。使用电导率85~90m S/cm,温度25℃的Na NO3电解液,叶盆和叶背电极振幅0.4mm,振频40Hz可加工出中心型面进气边形状满足设计要求,排气边接近设计要求的试件。在此基础上,探索采用振动光饰工艺作为精密电解加工技术的辅助手段解决叶片进排气边形状控制难题的方法。     

基于测量数据的雕塑曲面数控粗加工

提出一种新的雕塑曲面数控粗加工刀位规划方法。被加工曲面用多面体模型来描述 ,采用分层切削方法加工。在各切削层分别用一个参考平面与毛坯和曲面模型求交 ,根据各相交环之间的拓扑关系 ,求出有效加工区域 ,利用数控编程自动生成粗加工刀具轨迹 ,并进行干涉检查和修正。该方法成功地解决了层切法加工雕塑曲面时不能处理岛中岛的难题。     

Zernike自由曲面加工轨迹规划研究

Zernike自由曲面光学元件加工复杂,采用单点金刚石慢刀伺服车削方法可以实现自由曲面光学元件的高效、高精度制造。本文针对慢刀伺服车削Zernike自由曲面刀具等角度法和等弧长法两种车削轨迹划分方法进行研究,并选择等角度法轨迹划分进行车削工艺实验,获得了口径50mm的Zernike自由曲面光学元件,面形精度PV0.9506μm。     

环面工具加工叶根过渡曲面的刀位可行域

利用环面工具加工过渡曲面时经常发生整体干涉,主要原因是缺乏对复杂环面工具加工复杂曲面时刀位可行域的研究。虽然采用常规的优化方法在大范围内对可行刀位进行搜索是可行的,但是需要耗费大量时间。为了避免刀具与过渡曲面的干涉并同时提高加工效率,研究了一种更加符合此区域结构特点的刀位优化算法,使得叶根过渡曲面得以无干涉地整体宽行加工。通过对典型叶根过渡曲面的可行刀位进行研究,发现其可行域形状为盾形,且行宽最大的刀位位于该盾形区域的两个底部边界上,有时位于该边界的端点上。根据该原理提出一种最优刀位搜索方法——沿着盾形区域底部边界搜索,应用最优化的刀位可行域以获得高的加工效率。以某航空发动机叶片的叶根过渡曲面为例进行了刀位优化计算、仿真和加工实验,验证了该方法在叶根过渡曲面加工中的有效性。     

航空发动机机匣五轴插铣加工

针对航空发动机机匣结构特征提出一种插铣粗加工轨迹生成算法,根据机匣零件结构进行加工区域划分,规划插铣走刀路径,插铣刀轴计算,加工干涉判断与处理,最终生成插铣加工轨迹。航空发动机是飞机的核心部件,而机匣是航空发动机的主要零件之一。目前航空发动机机匣多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料;结构上以回转轮毂面为主体周向分布柱状岛屿凸台,零件最薄处仅2～3mm厚,属多岛屿复杂薄壁结构件,如图1所示。机匣铣削前的过渡     

自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法

针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题，提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时，充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题，实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先，通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达，并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差，以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性，建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型；其次，为实现对同步优化模型的求解，给出了基于序列逼近法的求解策略，以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法；最后，分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验，验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。     

复合材料自动铺带技术研究——曲面铺带轨迹算法

为满足自动铺带成型工艺要求,在自由曲面上规划预浸带轨迹。采用三角形网格划分逼近自由曲面方法,将商业CAD软件导出曲面的表面三角化数据格式（STL）文件用于曲面分析,对网格信息重构,建立点、边、面之间的关联信息。算法中应用“自然路径”原理在曲面上规划预浸带轨迹,研究了曲面边界处轨迹计算问题,提出了过三角形顶点出现“奇异性”问题的解决方法。通过在曲面上求解预浸带轨迹,证明了该算法的可行性。     

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。     

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。     

航空发动机叶片精密自适应砂带磨削技术及试验研究

叶片的型面精度和表面完整性直接制约着航空发动机的工作性能及使用寿命。由于叶片具有薄壁易变形、材料难加工及砂带磨削柔性接触等特征而难以实现精密磨削,由此提出了一种基于检测—加工一体化的自适应砂带磨削加工方法。首先根据叶片结构特点,设计了边缘磨削工位磨头和圆角磨削工位磨头,分别用于磨削叶片型面及进排气边缘、阻尼台及根部转角等部位;其次基于模型重构的几何误差进行了自适应软件的研制;最后通过双工位集成的七轴联动数控砂带磨削中心进行了叶片磨削试验。试验结果表明,磨削后的叶片表面粗糙度Ra≤0.4μm,加工误差保持在±0.05mm范围内,叶片型面磨削加工周期仅为3.5h,满足叶片加工要求。因此,自适应砂带磨削技术是实现叶片精密磨削加工的有效技术手段。     

面向螺旋铣削的叶身曲面重构的参数化方法

针对螺旋铣削中普通造型方法得到的叶身型面往往出现扭曲,严重影响螺旋铣削刀位轨迹的问题,提出了一种针对螺旋铣削的叶身曲面重构的参数化方法。该方法首先根据单条叶片截面线的特征,采用累加弦长参数化和等弧长参数化离散的方法,实现单条截面线的参数化,从而得到高质量的截面线。然后在此基础上,从叶身曲面的V向和U向对叶身曲面重新参数化。最后对截面线进行放样,实现叶身曲面的重构。试验结果表明叶身曲面质量较高,能够较好地满足螺旋铣削刀位轨迹的规划要求。