整體葉輪銑削加工彈性變形預(yù)測及誤差補(bǔ)償研究.pdf

1、整體葉輪采用一體式結(jié)構(gòu)，不僅可以減少發(fā)動機(jī)的零件數(shù)量，而且在很大程度上提高了發(fā)動機(jī)的性能，因此在航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。整體葉輪通常是利用多軸聯(lián)動數(shù)控銑削方法加工成型。由于整體葉輪的葉片多為薄壁結(jié)構(gòu)，所以在數(shù)控銑削過程中易受到切削力作用發(fā)生彈性變形，進(jìn)而產(chǎn)生加工誤差。薄壁葉片加工誤差控制一直以來都是實(shí)現(xiàn)整體葉輪精密加工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。加工過程物理仿真技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展為解決上述問題提供了有效手段，但尚有許多研究工作亟待開展。為此，

2、本文圍繞提高整體葉輪薄壁葉片加工精度問題，對整體葉輪幾何造型實(shí)現(xiàn)、無干涉刀位軌跡生成、多軸變工況條件下銑削力預(yù)測、自由曲面薄壁葉片彈性變形量計(jì)算以及加工誤差補(bǔ)償方法等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究和探討。
　　對整體葉輪幾何造型實(shí)現(xiàn)以及刀位軌跡生成方法進(jìn)行了研究，為后續(xù)研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)?；贐樣條技術(shù)給出了曲面延伸、曲面偏置、曲面裁剪、曲面間圓角過渡的實(shí)現(xiàn)算法，用于完成整體葉輪的幾何造型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了半開式整體葉輪數(shù)控銑削加工工

3、藝流程設(shè)計(jì)，給出了粗加工刀具尺寸選擇、過切現(xiàn)象避免以及粗加工分層實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵問題的解決方法。建立了相鄰刀觸點(diǎn)間弦高誤差計(jì)算模型，提出了一種自適應(yīng)步長法完成了刀位軌跡規(guī)劃工作，利用直接距離法實(shí)現(xiàn)了刀位干涉檢查與修正，并針對雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機(jī)床討論了后置處理算法。
　　對整體葉輪自由曲面薄壁葉片點(diǎn)銑加工過程中銑削力預(yù)測方法進(jìn)行了研究。提出了一種瞬時(shí)參與切削刀刃微元的判定算法，用于確定瞬時(shí)銑削力模型中積分公式上下限，完成了瞬時(shí)銑削力的預(yù)測

4、。該判定算法涉及到兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是數(shù)控銑削加工過程中刀具掃描體的求解;二是工件曲面Z-map模型的建立與更新。提出了一種五軸數(shù)控銑削加工過程中刀具掃描體的求解方法:先根據(jù)包絡(luò)理論在刀位點(diǎn)處推導(dǎo)出包絡(luò)輪廓線方程，然后再用B樣條方法對刀位軌跡上所有刀位點(diǎn)處的包絡(luò)輪廓線進(jìn)行曲面擬合，進(jìn)而獲得刀具掃描體曲面。利用直線與自由曲面的求交算法實(shí)現(xiàn)了工件曲面和刀具掃描體曲面Z-map模型的建立，將兩個(gè)Z-map模型進(jìn)行布爾運(yùn)算完成了工件曲面Z-map

5、模型的更新。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)自由曲面薄壁葉片點(diǎn)銑加工刀位特點(diǎn)，建立了一個(gè)考慮刀具傾角因素的平均銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)了多因素正交試驗(yàn)，進(jìn)而對經(jīng)驗(yàn)公式中的銑削力系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，并對葉片五軸數(shù)控銑削加工過程中的銑削力預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　對整體葉輪自由曲面薄壁葉片點(diǎn)銑加工過程中彈性變形量計(jì)算及誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究?？紤]了銑削力與彈性變形之間的耦合效應(yīng)，將切削深度，切削寬度和刀軸傾角三個(gè)切削因素作為迭代計(jì)算的反饋?zhàn)兞?，建立了自由曲?/p>

6、薄壁葉片點(diǎn)銑加工過程中銑削力與彈性變形量之間的迭代格式，利用Matlab和Ansys軟件集成實(shí)現(xiàn)了自由曲面薄壁葉片實(shí)例在各個(gè)刀觸點(diǎn)處彈性變形量的計(jì)算，預(yù)測了薄壁葉片實(shí)例的彈性變形規(guī)律。在獲得各刀觸點(diǎn)處彈性變形量的基礎(chǔ)上，對自由曲面薄壁葉片加工誤差離線補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究。首先給出了單次補(bǔ)償情況下殘余誤差的計(jì)算方法，然后應(yīng)用鏡面補(bǔ)償法對自由曲面薄壁葉片實(shí)例進(jìn)行了加工誤差補(bǔ)償量的迭代計(jì)算。
　　為了驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性，開展了整

7、體葉輪加工實(shí)驗(yàn)、葉片測量實(shí)驗(yàn)以及葉片加工誤差分析等工作。首先在雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上完成了自由曲面葉型整體葉輪的加工實(shí)驗(yàn)，選定兩個(gè)相鄰葉片作為實(shí)驗(yàn)樣件，一個(gè)葉片是未進(jìn)行補(bǔ)償情況下加工獲得的，另一個(gè)葉片是應(yīng)用本文提出的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償后加工獲得的;然后進(jìn)行了整體葉輪葉片數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)，并利用逆向工程軟件Geomagic完成了葉片曲面的重構(gòu);最后通過對兩個(gè)葉片樣件曲面加工誤差進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了本文自由曲面薄壁葉片銑削加工彈性變形預(yù)測及誤