基于Newton插值的薄壁叶片九点控制变余量铣削方法技术

本发明专利技术提出一种基于Newton插值的薄壁叶片九点控制变余量铣削方法，利用三维建模软件进行建模，并构造辅助面和边界面，从而利用截面线放样法确定驱动面。根据驱动面生成刀具加工路线，采用Newton插值方法确定每条加工路径上各刀位点的加工余量。最后按照对称铣规则对叶片进行循环加工。本发明专利技术与传统的纵向固定余量切削和螺旋铣削方法相比较，可解决加工过程中扭转变形大、轮廓精度差、截面位置度误差不易控制等技术问题，采用Newton插值法余量微调方法，可以对表面质量进行更加全面的控制，有效解决加工过程中的弯曲变形大，截面位置度、表面轮廓精度差等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密、超精密数控铣削加工
，是一种难加工材料薄壁叶片9点控制变余量精密对称铣削加工方法，主要解决航空发动机薄壁叶片的数控铣削精加工变形控制问题。该方法特别适用于叶身长度大于70mm以上的航空发动机薄壁导向叶片的精密加工。
技术介绍
航空发动机是飞机的“心脏”，是飞机性能的决定因素之一。而叶片又是航空发动机最核心的部件之一，它是一种典型的薄壁类自由曲面零件，它不仅数量众多，形状复杂，性能要求高，加工难度大，而且又是故障多发的零件，所以叶片一直以来都是各发动机厂生产的关键部件之一，因此对其投入的人力、物力、财力都是相当大的。研究发现，叶片的曲面形状和制造精度直接决定了飞机发动机推进效率的大小。传统的航空发动机叶片加工方法费时费力，形状虽然相似，但精度却难以保证。而随着数控技术的发展，目前的发动机叶片大多采用数控铣床来制造，但因为加工方法的问题，加工精度仍然不够理想。故其加工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率，从而提升航空发动机的整体性能。在国内航空发动机叶片数控加工方面，先后采用的铣削方法有单面铣削、螺旋铣削以及纵向对称铣削等铣削方法。其中单面铣是先加工叶片的其中一个型面，而后再加工另一个型面，这种铣削方法虽然简单易行，但加工后精度以及变形问题严重。而螺旋铣加工时，由于叶片不断旋转，叶背和叶盆同时均匀地去除多余材料，所以相对于单面铣，其加工质量以及加工后变形问题得到了一定程度的控制。但由于螺旋铣加工时连续不断朝一个方向前进，所产生的切削力很容易造成薄壁叶片的加工扭转变形和叶片截面线位置度的偏移。而纵向铣相对于螺旋铣改变了切削力的方向，故纵向铣非常有利于减小螺旋加工时横向切削力造成的扭转变形问题，同时又有利于提高各个叶片截面的位置度。另一方面，从实际检测结果来看，如若采用传统的固定加工余量纵向对称铣方法，加工出的叶片扭转和弯曲变形的确较小，但存在的另一个主要问题是表面轮廓度超差，从叶片进、排气边到叶片中轴线，残留余量逐渐增加。这种情况在加工高温合金等难加工材料的叶片时，问题较为突出，几乎难以满足轮廓度要求。例如专利技术人根据之前的研究申请的专利《叶片双向变余量铣削方法》(申请号：2014101637619，公开号：CN 103990840A)中的方法进行双向变余量对称铣削加工，可以解决中短长度的叶片(叶身长度小于等于70mm)工件变形问题。然而，当叶片叶身长度大于70mm，且加工采用更难切削的高温合金或钛合金材料时，虽然之前的方法在一定程度上能够降低叶片的截面位置度、表面轮廓度和扭转变形误差，但是叶片还会产生一定的变形，而测量该种状态下的精加工叶片会发现叶片位置度、轮廓度等有时还是达不到理想误差要求范围。故为了进一步提高叶片的加工精度及其加工质量，需要对其加工工艺方法做进一步的优化和改进。
技术实现思路
对于之前加工方法在较长叶片加工时出现的问题，本专利技术针对大于70mm长度的叶片加工做了一些改进，从加工工艺方面抑制弯曲和扭转变形对叶片加工精度的影响。本专利技术所述的加工技术方法，是一种难加工材料薄壁叶片双向变余量精密数控铣削方法，即在双向行间变余量数控铣削的基础上，在九个控制点之间采用Newton插值方法进行余量设计，从而控制叶片加工精度。该方法将对三维叶片模型进行辅助面和边界面的划分，在此基础上构造新的驱动面。对驱动面上的每条加工路径使用Newton插值来进行加工余量设置，最后按照确定好的加工余量对每个驱动面循环加工，从而达到控制加工变形的目的。该专利技术能大幅度提高较长叶片加工精度和效率，在一定程度上满足相关科技工程领域对改进和完善薄壁、超薄壁叶片精密铣削加工技术的迫切需求。技术方案为了有效控制薄壁叶片的加工变形，提高加工精度和效率，本专利技术提供了一种精密铣削加工方法。利用三维建模软件进行建模，并构造辅助面和边界面，从而利用截面线放样法确定驱动面。根据驱动面生成刀具加工路线，采用Newton插值方法确定每条加工路径上各刀位点的加工余量。最后按照对称铣规则对叶片进行循环加工。本专利技术的技术方案为：所述一种基于Newton插值的薄壁叶片九点控制变余量铣削方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型，并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面；步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端内橼板面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工所用刀具不与叶片两端橼板面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)；步骤3：利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶背曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶背曲面(2)；提取叶背曲面(2)的等u参数线，叶背曲面(2)的等u参数线数量为2N，利用叶背曲面(2)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅱ驱动面(B)；利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶盆曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶盆曲面(4)，提取叶盆曲面(4)的等u参数线，叶盆曲面(4)的等u参数线数量为2N，利用叶盆曲面(4)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅲ驱动面(C)和第Ⅳ驱动面(D)；第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅳ驱动面(D)在叶身中轴线沿v向同一侧；步骤4：将每个驱动面上的N条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动面上每条加工路径的切削加工余量：以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，在其上取3个点，分别记为vs(1)、vs(2)、vs(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vs)、d(2)(vs)、d(3)(vs)；最中间的一条加工路径为第N/2条加工路径，在其上也取3个点，分别记为vm(1)、vm(2)、vm(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vm)、d(2)(vm)、d(3)(vm)；以最靠近叶片中轴线的一条加工路径为第N-1条加工路径，在其上也取3个点，分别记为ve(1)、ve(2)、ve(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(ve)、d(2)(ve)、d(3)(ve)，然后对v向加工余量进行Newton插值得第i条路径上的对应3点切削余量d(j)(vi)，j＝1,2,3，d(j)(vi)＝d(j)(vs)+d[vs(j),vm(j)](vi(j)-vs(j))+d[vs(j),vm(j),ve(j)](vi(j)-vs(j))(vi(j)-vm(j)) vi∈(0,1)j＝1,2,3其中：使用Newton插值法确定第i条加工路径上的u向加工余量：由v向加工余量Newton插值公式得到第i条加工路径ui上的第1个插值点的切削余量为d(1)(vi)，此点记为P1(uis,d(1)(vi))；同样由v向加工余量Newton插值公式得到的第i条加工路径ui上的第2个插值点和第3个插值点的切削余量为d(2)(vi)、d(3)(vi)，分别记为P2(uim,d(2)(vi))，P3(uie,d(3)(vi))，然后使用Newton插值法确定第i条加工路径的各点切削余量，d(ui)＝d(1)(vi)+d[vi(1),vi(2)](ui本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Newton插值的薄壁叶片九点控制变余量铣削方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型，并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面；步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端内橼板面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工所用刀具不与叶片两端橼板面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)；步骤3：利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶背曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶背曲面(2)；提取叶背曲面(2)的等u参数线，叶背曲面(2)的等u参数线数量为2N，利用叶背曲面(2)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅱ驱动面(B)；利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶盆曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶盆曲面(4)，提取叶盆曲面(4)的等u参数线，叶盆曲面(4)的等u参数线数量为2N，利用叶盆曲面(4)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅲ驱动面(C)和第Ⅳ驱动面(D)；第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅳ驱动面(D)在叶身中轴线沿v向同一侧；步骤4：将每个驱动面上的N条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动面上每条加工路径的切削加工余量：以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，在其上取3个点，分别记为vs(1)、vs(2)、vs(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vs)、d(2)(vs)、d(3)(vs)；最中间的一条加工路径为第N/2条加工路径，在其上也取3个点，分别记为vm(1)、vm(2)、vm(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vm)、d(2)(vm)、d(3)(vm)；以最靠近叶片中轴线的一条加工路径为第N‑1条加工路径，在其上也取3个点，分别记为ve(1)、ve(2)、ve(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(ve)、d(2)(ve)、d(3)(ve)，然后对v向加工余量进行Newton插值得第i条路径上的对应3点切削余量d(j)(vi)，j＝1,2,3，d(j)(vi)＝d(j)(vs)+d[vs(j),vm(j)](vi(j)‑vs(j))+d[vs(j),vm(j),ve(j)](vi(j)‑vs(j))(vi(j)‑vm(j))vi∈(0,1)j＝1,2,3其中：i∈[0,N‑1]；使用Newton插值法确定第i条加工路径上的u向加工余量：由v向加工余量Newton插值公式得到第i条加工路径ui上的第1个插值点的切削余量为d(1)(vi)，此点记为P1(uis,d(1)(vi))；同样由v向加工余量Newton插值公式得到的第i条加工路径ui上的第2个插值点和第3个插值点的切削余量为d(2)(vi)、d(3)(vi)，分别记为P2(uim,d(2)(vi))，P3(uie,d(3)(vi))，然后使用Newton插值法确定第i条加工路径的各点切削余量，d(ui)＝d(1)(vi)+d[vi(1),vi(2)](ui‑uis)+d[vi(1),vi(2),vi(3)](ui‑uis)(ui‑uim) i∈(0,N‑1)步骤5：按照步骤4确定的各个驱动曲面上各条加工路径的切削加工余量对叶片进行切削加工，从第0条加工路径依次加工至第N‑1条加工路径，其中加工第i条加工路径时各个驱动曲面切削加工顺序为：首先加工第Ⅰ驱动面(A)上第i条加工路径，之后加工第Ⅳ驱动面(D)上第i条加工路径，再加工第Ⅲ驱动面(C)上第i条加工路径，最后加工第Ⅱ驱动面(B)上第i条加工路径，完成一个加工循环。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Newton插值的薄壁叶片九点控制变余量铣削方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型，并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面；步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端内橼板面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工所用刀具不与叶片两端橼板面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)；步骤3：利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶背曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶背曲面(2)；提取叶背曲面(2)的等u参数线，叶背曲面(2)的等u参数线数量为2N，利用叶背曲面(2)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅱ驱动面(B)；利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶盆曲面，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶盆曲面(4)，提取叶盆曲面(4)的等u参数线，叶盆曲面(4)的等u参数线数量为2N，利用叶盆曲面(4)等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线，分别通过截面线放样法构造第Ⅲ驱动面(C)和第Ⅳ驱动面(D)；第Ⅰ驱动面(A)和第Ⅳ驱动面(D)在叶身中轴线沿v向同一侧；步骤4：将每个驱动面上的N条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动面上每条加工路径的切削加工余量：以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，在其上取3个点，分别记为vs(1)、vs(2)、vs(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vs)、d(2)(vs)、d(3)(vs)；最中间的一条加工路径为第N/2条加工路径，在其上也取3个点，分别记为vm(1)、vm(2)、vm(3)，设其所对应的切削余量为d(1)(vm)、d(2)(vm)、d(...

【专利技术属性】
技术研发人员：单晨伟，党捷，张旭，任军学，刘维伟，田荣鑫，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61