葉盤拋光0519改.doc

開式整體葉盤葉片型面數(shù)控拋光編程技術(shù)研究摘 要：整體葉盤是新一代航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵核心部件，數(shù)控拋光加工是提高整體葉盤葉片型面質(zhì)量的關(guān)鍵工序，本文針對五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)，研究開式整體葉盤葉片型面數(shù)控拋光軌跡規(guī)劃及編程技術(shù)。通過分析多坐標(biāo)數(shù)控拋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開式整體葉盤拋光工藝方法，提出面向拋光加工的路徑規(guī)劃方法，選擇分段直紋面擬合逼近葉片型面，利用分段直紋面的直母線直接生成刀位軌跡，最后進(jìn)行了數(shù)控拋光實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)整體葉盤表面拋光的機(jī)械化和自動化，極大地提高整體葉盤的拋光效率，為航空發(fā)動機(jī)整體葉盤的使用性能和安全可靠性提供保障。關(guān)鍵詞：數(shù)控拋光 柱形磨頭 葉片型面 拋光軌跡規(guī)劃 編程0 引言 整體葉盤是新一代航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵核心部件，其應(yīng)用提高了發(fā)動機(jī)性能、簡化了結(jié)構(gòu)、降低了重量、減少了故障率、提高了耐久性與可靠性。整體葉盤結(jié)構(gòu)分為開式和閉式整體葉盤，葉片型面屬于自由曲面1。對于整體葉盤的加工，目前最有效的方法是數(shù)控加工2，但是在數(shù)控加工后直接裝配發(fā)動機(jī)使用，葉片表面粗糙是無法滿足整體葉盤高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速工作條件，故在銑削加工之后必須對葉片型面進(jìn)行拋光加工，以提高整體葉盤葉片型面質(zhì)量，滿足葉片工作條件。目前我國大力發(fā)展航空事業(yè)，尤其是大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，使得整體葉盤自動化、精密化、高效化拋光成為一個亟需解決的問題。但是，目前整體葉盤拋光方法主要還是手工打磨拋光，靠樣板控制葉片截面形狀，效率低，去除量不均勻，表面粗糙度不一致，波紋度大，易燒傷，質(zhì)量不穩(wěn)定，操作人員勞動強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重，對身體傷害大。多種數(shù)控拋光方法正在研究探索之中，典型的有柔性機(jī)器人拋光3-5、氣囊拋光6-8、磨粒流拋光9、機(jī)械振動拋光10和自動化數(shù)控拋光11等。AXINTE D A等人12研究了不同拋光方法對鈦合金工件表面完整性的影響；北京航空航天大學(xué)的贠超13等人提出了一種砂帶機(jī)器人構(gòu)型，利用旋量理論中的指數(shù)積公式推導(dǎo)了該機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正反解，引入了模擬退火算法，優(yōu)化了接觸輪相對于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位移偏移量，經(jīng)葉片砂帶加工試驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)加工精度滿足設(shè)計要求；重慶大學(xué)黃云14-15等人提出了一種以汽輪機(jī)葉片為典型對象的自由曲面高效精密加工方法，建立了基于砂帶磨削原理的自由曲面六坐標(biāo)聯(lián)動磨削與拋光系統(tǒng)，研究了該機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)；并在研制的砂帶磨床上對鈦合金進(jìn)行了磨削工藝試驗(yàn)，研究了砂帶線速度、工件移動速度、磨削深度等參數(shù)對砂帶壽命和相對金屬去除率的影響情況；Avery Roswell等人16研究了自動化數(shù)控拋光過程中拋光質(zhì)量與拋光壓力之間的關(guān)系；西北工業(yè)大學(xué)段繼豪17等人提出基于拋光力控制的砂帶柔性磨頭拋光工藝方法，并對其拋光工藝過程、拋光力控制進(jìn)行研究，通過對葉片自動化拋光編程及拋光軌跡路徑規(guī)劃技術(shù)研究，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉片高效柔性拋光工藝；西北工業(yè)大學(xué)楊小芳18等人針對數(shù)控拋光機(jī)床所涉及的關(guān)鍵部件設(shè)計與應(yīng)用做了深入的研究與探討，設(shè)計出適用于整體葉盤表面拋光的原理樣機(jī)。本文針對五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)，研究開式整體葉盤葉片型面數(shù)控拋光軌跡規(guī)劃及編程技術(shù)。1 數(shù)控拋光機(jī)與拋光工藝方法1.1 數(shù)控拋光機(jī)作者所在的西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從提高整體葉盤表面拋光質(zhì)量及效率的角度出發(fā)，研制出了用于整體葉盤自動化拋光的五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)。拋光機(jī)床的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)五坐標(biāo)銑削機(jī)床的形式，不同之處在于傳統(tǒng)五坐標(biāo)機(jī)床刀具與工件是近剛性接觸，而拋光機(jī)床的拋光磨頭與工件之間為柔性接觸，可以根據(jù)葉片型面的變化，做出一定范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)節(jié)，從而保持拋光過程的一致性，能夠獲得均勻的拋光效果。數(shù)控拋光機(jī)采用五軸聯(lián)動的控制方式，在其擺動軸上附有壓力控制機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)拋光時磨頭磨削力的大小。拋光機(jī)如圖1所示，具有以下5個坐標(biāo)：X、Y、Z方向的移動；繞X軸轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)A，范圍為-120度+30度；繞z軸轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)C(工作臺轉(zhuǎn)動)。圖1 數(shù)控拋光機(jī)結(jié)構(gòu)1.2 拋光工藝方法拋光過程分為粗拋和精拋，粗拋主要是為了拋掉銑削刀紋痕跡，精拋是在粗拋的基礎(chǔ)上通過拋光達(dá)到零件表面粗糙度和波紋度要求。拋光機(jī)所使用的拋光工具為如圖2中所示的圓柱磨頭。磨頭直徑大小根據(jù)相鄰葉片之間距離選擇，在不干涉的條件下選擇較大直徑；磨頭粒度根據(jù)粗拋和精拋來選擇，粗拋采用較大粒度磨頭，精拋采用較小粒度磨頭。圖2 拋光磨頭圖根據(jù)整體葉盤的結(jié)構(gòu)，拋光路徑分為橫拋和縱拋，如圖3所示。將開式整體葉盤葉片截面線方向記為v，與截面線垂直的方向記為u。拋光路徑可分為沿v向的縱拋和沿u向的橫拋。整體葉盤葉片型面弓形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，縱拋相對橫拋更能較好地貼合葉片型面，另外由于開式整體葉盤無外輪轂，采用縱拋方法磨頭桿不會與葉盤發(fā)生干涉，如圖4所示，所以對開式整體葉盤采用縱拋的拋光路徑。圖3 拋光方向劃分圖4 縱拋葉片型面2葉片型面拋光路徑規(guī)劃在拋光過程中拋光磨頭柱面與葉片型面接觸，理論上是柱面母線與葉片型面接觸，柱面母線與葉片型面接觸程度越好，拋光效果越好。整體葉盤葉片型面為自由曲面，為了保證拋光過程中拋光磨頭與葉片型面保持良好的接觸，本文采用直紋面擬合逼近葉片型面的方法，即先對葉片型面進(jìn)行偏置，偏置距離為刀具半徑與加工余量之和，然后對偏置葉片型面進(jìn)行直紋面包絡(luò)逼近，從而利用其直母線直接生成刀位軌跡。2.1 直紋面幾何特征由CAGD的知識得知19，給定兩條一般的NUBRS曲線分別定義在節(jié)點(diǎn)矢量U1與U2上, 可在該兩曲線之間生成一張直紋面其中這里v 向節(jié)點(diǎn)矢量V = 0 , 0 , 1 , 1?，F(xiàn)在必須決定u參數(shù)的次數(shù)k、u向節(jié)點(diǎn)矢量、控制頂點(diǎn)di,j與權(quán)因子i,j，以致使因此,必須找到c1(u)與c2(u)的k次有理基函數(shù)表示,兩者都用公共的節(jié)點(diǎn)矢量U和都具有相同數(shù)量m+1個控制頂點(diǎn)。一般而言,欲在c1(u)與c2(u)兩條曲線之間生成直紋面p(u,v),可取k1=k2=k。只要確定c1(u)與c2(u)兩條曲線相同數(shù)量的m+1個控制頂點(diǎn)，然后采用積累弦長參數(shù)法或向心參數(shù)法求出節(jié)點(diǎn)矢量U，即可構(gòu)造出c1(u)與c2(u),最終生成直紋面。2.2葉片型面偏置面生成(1) 選擇通道區(qū)域內(nèi)的葉盆/背面S1，找出其沿葉盤軸向的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，記為點(diǎn)Pz和Pb。將S1沿通道內(nèi)部方向偏置一距離：刀具半徑+加工余量，生成葉盆/背偏置面S2。(2) 由于曲面S2在兩個緣頭附近的曲率較大(如圖5(a)，導(dǎo)致在緣頭附近截取曲面S2時會得到多條截面線，因此必須對曲面S2進(jìn)行邊界處理。曲面S2的邊界處理采取先縮短后切線延長的方法：將S2縮短至葉片面與緣頭連接處，去掉緣頭部分；沿切線延長曲面直到曲面的上邊界線所有點(diǎn)高于Pz，下邊界線所有點(diǎn)低于Pb。記邊界處理后的曲面為S3，如圖5(b)。 (a) 葉背偏置面S2 (b) 曲面S3圖5 偏置面邊界處理示意圖2.3葉片型面偏置面包絡(luò)直紋面生成本文采用最小平均距離法擬合葉片偏置面直紋面，具體算法如下：（1）將葉片型面偏置面沿u向按照等參數(shù)原則分為n段，獲得曲面Si（i=0,1,2.）；（2）記曲面Si的兩條v向邊界線為曲線c1(u)和c2(u)。將曲線c1(u) 和c2(u)分別按照等參數(shù)原則離散為m+1個點(diǎn)，每組參數(shù)點(diǎn)分別記為Ai (i=0,1,m)和Bi (i=0,1,m)；（3）以點(diǎn)Bi為節(jié)點(diǎn)，等分線c2(u)為m段，在每一小段中均勻插值得到點(diǎn)Cij (i=0,1,m；j=0,1，m)；（4）依次連接Ai與C（i+1）j，得到一簇直線lij，如圖6（a）所示；（5）計算直線lij到葉片偏置面的平均距離D，求使D達(dá)到最小值的直線lij，記做Li；（6）當(dāng)D大于加工誤差值時，返回第1步，加密段數(shù)n繼續(xù)計算；（7）重復(fù)步驟（3）（5），求出m+1條直母線Li(i=0,1,m)。這m+1條直母線的端點(diǎn)就構(gòu)成兩條直紋面準(zhǔn)線通過的相同數(shù)量的型值點(diǎn)，根據(jù)這些型值點(diǎn)就可構(gòu)造出兩條直紋面準(zhǔn)線。（8）根據(jù)兩條直紋面準(zhǔn)線構(gòu)造一張直紋面Sr，該直紋面即可作為曲面Si的最佳逼近直紋面，如圖6（b）所示。(a) (b) 圖6 偏置面直紋面求取示意圖3 直紋面驅(qū)動編程采取包絡(luò)直紋面逼近葉型自由曲面，生成的直紋面可直接用于開式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光編程過程中。開式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光編程采用直紋面驅(qū)動的編程方法，用直紋面的直母線來定義拋光軸矢量。具體算法是首先根據(jù)走刀步長和誤差要求在直紋面上抽取的一系列直母線作為拋光軸控制直母線，從而獲得拋光軸矢量。再通過求取拋光軸控制直母線與加工底面的交點(diǎn)來確定刀位點(diǎn)。由刀位點(diǎn)和拋光軸矢量共同來確定直紋面驅(qū)動的加工方式。3.1走刀行距3.1拋光行距拋光行距是指兩條拋光軌跡之間的線間距。拋光行距的合理選擇是影響加工精度和效率的重要因素。由于采用直紋面驅(qū)動編程方法，直紋面片Si即為拋光驅(qū)動面，如圖XX所示（該圖中有直紋面片Si）所以。直紋面片Si的寬度由拋光磨頭高度H決定，而拋光行距應(yīng)該不大于為拋光磨頭高度H。3.2 拋光軸矢量與拋光磨頭位點(diǎn)計算(1) 根據(jù)上文最小平均距離法找出葉背第Si段偏置直紋包絡(luò)面上m+1條直母線Li (i=0,1,n)； (2) 分別直線連接相鄰直母線的兩端點(diǎn)，記為直線L1i和L2i，如圖所示。采用等弧長方法將直線L1i離散為m+1個點(diǎn)，記為 (i=0,1,m)。同理，將交線L2i也離散為m+1個點(diǎn)，記為(i=0,1,m)。(3) 連接和，得到刀軸方向，并以為刀位點(diǎn)，如圖7所示；(4) 重復(fù)步驟(1)到(3)，將刀位點(diǎn)按順序進(jìn)行排序，形成以第Si段直紋面為驅(qū)動的拋光加工刀位軌跡。圖7 刀軸方向示意圖4拋光實(shí)例運(yùn)用所設(shè)計數(shù)控拋光軌跡規(guī)劃方法，進(jìn)行整體葉盤葉片型面拋光試驗(yàn)（如圖8所示），拋光后的整體葉盤如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用整體葉盤數(shù)控柔性拋光力控制技術(shù)后，整體葉盤型面尺寸精度可達(dá)0.06mm，粗糙度不超過Ra0.4，一致性好，無過拋、欠拋和灼傷等現(xiàn)象。圖 8 拋光整體葉盤圖 9 柔性拋光后的整體葉盤5結(jié)論開式整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片之間相互遮掩，自動化數(shù)控拋光機(jī)是實(shí)現(xiàn)整體葉盤拋光的理想方法。本文分析了形式整體葉盤數(shù)控拋光的重要性，闡述了五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，提出了一種基于葉片偏置面包絡(luò)直紋面的葉片型面數(shù)控拋光的五軸刀軸控制原理及生成方法，實(shí)現(xiàn)了對開式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光，有效的解決了開式整體葉盤葉片葉型多坐標(biāo)數(shù)控拋光的難點(diǎn)，該方法經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用證明其正確性與算法的實(shí)用性。 參考文獻(xiàn)1 黃春峰.現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)整體葉盤及其制造技術(shù)J.航空與航天, 2004,2 2 黃維, 黃春峰, 王永明, 等. 先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)研究J. 國防制造技術(shù), 2009, (3): 42-52. 3 彭偉, 贠超, 王留呆, 等. 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的力控制系統(tǒng)的建模與辨識J. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2007, 20(6): 105-106. 4 張憲, 張國斌, 王揚(yáng)渝, 等. 基于姿態(tài)控制的模具自由曲面柔性拋光過程研究J. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 38(3): 238-240.5 鄭曉斌. 用于復(fù)雜空間曲面加工的柔性拋光機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計J. 遼東學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 16(3): 215-218. 6 計時鳴, 張利, 金明生, 等. 氣囊拋光技術(shù)及其研究現(xiàn)狀J. 機(jī)電工程, 2010, 27(5): 1-12. 7 龔金成, 謝大綱, 宋劍鋒, 等. 氣囊拋光曲面光學(xué)零件工藝參數(shù)對拋光區(qū)特征影響的研究J. 燕山大學(xué)學(xué)報, 2008, 32(3): 197-200. 8 宋劍鋒. 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