叶盘抛光0519改.doc

开式整体叶盘叶片型面数控抛光编程技术研究摘 要：整体叶盘是新一代航空发动机关键核心部件，数控抛光加工是提高整体叶盘叶片型面质量的关键工序，本文针对五坐标数控抛光机，研究开式整体叶盘叶片型面数控抛光轨迹规划及编程技术。通过分析多坐标数控抛光系统结构及开式整体叶盘抛光工艺方法，提出面向抛光加工的路径规划方法，选择分段直纹面拟合逼近叶片型面，利用分段直纹面的直母线直接生成刀位轨迹，最后进行了数控抛光实验验证，实现整体叶盘表面抛光的机械化和自动化，极大地提高整体叶盘的抛光效率，为航空发动机整体叶盘的使用性能和安全可靠性提供保障。关键词：数控抛光 柱形磨头 叶片型面 抛光轨迹规划 编程0 引言 整体叶盘是新一代航空发动机关键核心部件，其应用提高了发动机性能、简化了结构、降低了重量、减少了故障率、提高了耐久性与可靠性。整体叶盘结构分为开式和闭式整体叶盘，叶片型面属于自由曲面1。对于整体叶盘的加工，目前最有效的方法是数控加工2，但是在数控加工后直接装配发动机使用，叶片表面粗糙是无法满足整体叶盘高温、高压、高转速工作条件，故在铣削加工之后必须对叶片型面进行抛光加工，以提高整体叶盘叶片型面质量，满足叶片工作条件。目前我国大力发展航空事业，尤其是大飞机项目的实施，使得整体叶盘自动化、精密化、高效化抛光成为一个亟需解决的问题。但是，目前整体叶盘抛光方法主要还是手工打磨抛光，靠样板控制叶片截面形状，效率低，去除量不均匀，表面粗糙度不一致，波纹度大，易烧伤，质量不稳定，操作人员劳动强度大，污染严重，对身体伤害大。多种数控抛光方法正在研究探索之中，典型的有柔性机器人抛光3-5、气囊抛光6-8、磨粒流抛光9、机械振动抛光10和自动化数控抛光11等。AXINTE D A等人12研究了不同抛光方法对钛合金工件表面完整性的影响；北京航空航天大学的贠超13等人提出了一种砂带机器人构型，利用旋量理论中的指数积公式推导了该机器人的运动学正反解，引入了模拟退火算法，优化了接触轮相对于机器人基坐标系的位移偏移量，经叶片砂带加工试验，证明了该系统加工精度满足设计要求；重庆大学黄云14-15等人提出了一种以汽轮机叶片为典型对象的自由曲面高效精密加工方法，建立了基于砂带磨削原理的自由曲面六坐标联动磨削与抛光系统，研究了该机的关键技术；并在研制的砂带磨床上对钛合金进行了磨削工艺试验，研究了砂带线速度、工件移动速度、磨削深度等参数对砂带寿命和相对金属去除率的影响情况；Avery Roswell等人16研究了自动化数控抛光过程中抛光质量与抛光压力之间的关系；西北工业大学段继豪17等人提出基于抛光力控制的砂带柔性磨头抛光工艺方法，并对其抛光工艺过程、抛光力控制进行研究，通过对叶片自动化抛光编程及抛光轨迹路径规划技术研究，最终实现发动机叶片高效柔性抛光工艺；西北工业大学杨小芳18等人针对数控抛光机床所涉及的关键部件设计与应用做了深入的研究与探讨，设计出适用于整体叶盘表面抛光的原理样机。本文针对五坐标数控抛光机，研究开式整体叶盘叶片型面数控抛光轨迹规划及编程技术。1 数控抛光机与抛光工艺方法1.1 数控抛光机作者所在的西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室从提高整体叶盘表面抛光质量及效率的角度出发，研制出了用于整体叶盘自动化抛光的五坐标数控抛光机。抛光机床的结构采用传统五坐标铣削机床的形式，不同之处在于传统五坐标机床刀具与工件是近刚性接触，而抛光机床的抛光磨头与工件之间为柔性接触，可以根据叶片型面的变化，做出一定范围内的姿态调节，从而保持抛光过程的一致性，能够获得均匀的抛光效果。数控抛光机采用五轴联动的控制方式，在其摆动轴上附有压力控制机构，可调节抛光时磨头磨削力的大小。抛光机如图1所示，具有以下5个坐标：X、Y、Z方向的移动；绕X轴转动的坐标A，范围为-120度+30度；绕z轴转动的坐标C(工作台转动)。图1 数控抛光机结构1.2 抛光工艺方法抛光过程分为粗抛和精抛，粗抛主要是为了抛掉铣削刀纹痕迹，精抛是在粗抛的基础上通过抛光达到零件表面粗糙度和波纹度要求。抛光机所使用的抛光工具为如图2中所示的圆柱磨头。磨头直径大小根据相邻叶片之间距离选择，在不干涉的条件下选择较大直径；磨头粒度根据粗抛和精抛来选择，粗抛采用较大粒度磨头，精抛采用较小粒度磨头。图2 抛光磨头图根据整体叶盘的结构，抛光路径分为横抛和纵抛，如图3所示。将开式整体叶盘叶片截面线方向记为v，与截面线垂直的方向记为u。抛光路径可分为沿v向的纵抛和沿u向的横抛。整体叶盘叶片型面弓形结构的特点，纵抛相对横抛更能较好地贴合叶片型面，另外由于开式整体叶盘无外轮毂，采用纵抛方法磨头杆不会与叶盘发生干涉，如图4所示，所以对开式整体叶盘采用纵抛的抛光路径。图3 抛光方向划分图4 纵抛叶片型面2叶片型面抛光路径规划在抛光过程中抛光磨头柱面与叶片型面接触，理论上是柱面母线与叶片型面接触，柱面母线与叶片型面接触程度越好，抛光效果越好。整体叶盘叶片型面为自由曲面，为了保证抛光过程中抛光磨头与叶片型面保持良好的接触，本文采用直纹面拟合逼近叶片型面的方法，即先对叶片型面进行偏置，偏置距离为刀具半径与加工余量之和，然后对偏置叶片型面进行直纹面包络逼近，从而利用其直母线直接生成刀位轨迹。2.1 直纹面几何特征由CAGD的知识得知19，给定两条一般的NUBRS曲线分别定义在节点矢量U1与U2上, 可在该两曲线之间生成一张直纹面其中这里v 向节点矢量V = 0 , 0 , 1 , 1。现在必须决定u参数的次数k、u向节点矢量、控制顶点di,j与权因子i,j，以致使因此,必须找到c1(u)与c2(u)的k次有理基函数表示,两者都用公共的节点矢量U和都具有相同数量m+1个控制顶点。一般而言,欲在c1(u)与c2(u)两条曲线之间生成直纹面p(u,v),可取k1=k2=k。只要确定c1(u)与c2(u)两条曲线相同数量的m+1个控制顶点，然后采用积累弦长参数法或向心参数法求出节点矢量U，即可构造出c1(u)与c2(u),最终生成直纹面。2.2叶片型面偏置面生成(1) 选择通道区域内的叶盆/背面S1，找出其沿叶盘轴向的最高点和最低点，记为点Pz和Pb。将S1沿通道内部方向偏置一距离：刀具半径+加工余量，生成叶盆/背偏置面S2。(2) 由于曲面S2在两个缘头附近的曲率较大(如图5(a)，导致在缘头附近截取曲面S2时会得到多条截面线，因此必须对曲面S2进行边界处理。曲面S2的边界处理采取先缩短后切线延长的方法：将S2缩短至叶片面与缘头连接处，去掉缘头部分；沿切线延长曲面直到曲面的上边界线所有点高于Pz，下边界线所有点低于Pb。记边界处理后的曲面为S3，如图5(b)。 (a) 叶背偏置面S2 (b) 曲面S3图5 偏置面边界处理示意图2.3叶片型面偏置面包络直纹面生成本文采用最小平均距离法拟合叶片偏置面直纹面，具体算法如下：（1）将叶片型面偏置面沿u向按照等参数原则分为n段，获得曲面Si（i=0,1,2.）；（2）记曲面Si的两条v向边界线为曲线c1(u)和c2(u)。将曲线c1(u) 和c2(u)分别按照等参数原则离散为m+1个点，每组参数点分别记为Ai (i=0,1,m)和Bi (i=0,1,m)；（3）以点Bi为节点，等分线c2(u)为m段，在每一小段中均匀插值得到点Cij (i=0,1,m；j=0,1，m)；（4）依次连接Ai与C（i+1）j，得到一簇直线lij，如图6（a）所示；（5）计算直线lij到叶片偏置面的平均距离D，求使D达到最小值的直线lij，记做Li；（6）当D大于加工误差值时，返回第1步，加密段数n继续计算；（7）重复步骤（3）（5），求出m+1条直母线Li(i=0,1,m)。这m+1条直母线的端点就构成两条直纹面准线通过的相同数量的型值点，根据这些型值点就可构造出两条直纹面准线。（8）根据两条直纹面准线构造一张直纹面Sr，该直纹面即可作为曲面Si的最佳逼近直纹面，如图6（b）所示。(a) (b) 图6 偏置面直纹面求取示意图3 直纹面驱动编程采取包络直纹面逼近叶型自由曲面，生成的直纹面可直接用于开式整体叶盘叶片型面的数控抛光编程过程中。开式整体叶盘叶片型面的数控抛光编程采用直纹面驱动的编程方法，用直纹面的直母线来定义抛光轴矢量。具体算法是首先根据走刀步长和误差要求在直纹面上抽取的一系列直母线作为抛光轴控制直母线，从而获得抛光轴矢量。再通过求取抛光轴控制直母线与加工底面的交点来确定刀位点。由刀位点和抛光轴矢量共同来确定直纹面驱动的加工方式。3.1走刀行距3.1抛光行距抛光行距是指两条抛光轨迹之间的线间距。抛光行距的合理选择是影响加工精度和效率的重要因素。由于采用直纹面驱动编程方法，直纹面片Si即为抛光驱动面，如图XX所示（该图中有直纹面片Si）所以。直纹面片Si的宽度由抛光磨头高度H决定，而抛光行距应该不大于为抛光磨头高度H。3.2 抛光轴矢量与抛光磨头位点计算(1) 根据上文最小平均距离法找出叶背第Si段偏置直纹包络面上m+1条直母线Li (i=0,1,n)； (2) 分别直线连接相邻直母线的两端点，记为直线L1i和L2i，如图所示。采用等弧长方法将直线L1i离散为m+1个点，记为 (i=0,1,m)。同理，将交线L2i也离散为m+1个点，记为(i=0,1,m)。(3) 连接和，得到刀轴方向，并以为刀位点，如图7所示；(4) 重复步骤(1)到(3)，将刀位点按顺序进行排序，形成以第Si段直纹面为驱动的抛光加工刀位轨迹。图7 刀轴方向示意图4抛光实例运用所设计数控抛光轨迹规划方法，进行整体叶盘叶片型面抛光试验（如图8所示），抛光后的整体叶盘如图9所示。实验结果表明，采用整体叶盘数控柔性抛光力控制技术后，整体叶盘型面尺寸精度可达0.06mm，粗糙度不超过Ra0.4，一致性好，无过抛、欠抛和灼伤等现象。图 8 抛光整体叶盘图 9 柔性抛光后的整体叶盘5结论开式整体叶盘结构复杂，叶片之间相互遮掩，自动化数控抛光机是实现整体叶盘抛光的理想方法。本文分析了形式整体叶盘数控抛光的重要性，阐述了五坐标数控抛光机的基本结构，提出了一种基于叶片偏置面包络直纹面的叶片型面数控抛光的五轴刀轴控制原理及生成方法，实现了对开式整体叶盘叶片型面的数控抛光，有效的解决了开式整体叶盘叶片叶型多坐标数控抛光的难点，该方法经过实际运用证明其正确性与算法的实用性。 参考文献1 黄春峰.现代航空发动机整体叶盘及其制造技术J.航空与航天, 2004,2 2 黄维, 黄春峰, 王永明, 等. 先进航空发动机关键制造技术研究J. 国防制造技术, 2009, (3): 42-52. 3 彭伟, 贠超, 王留呆, 等. 机器人柔性抛光机床的力控制系统的建模与辨识J. 机械研究与应用, 2007, 20(6): 105-106. 4 张宪, 张国斌, 王扬渝, 等. 基于姿态控制的模具自由曲面柔性抛光过程研究J. 浙江工业大学学报, 2010, 38(3): 238-240.5 郑晓斌. 用于复杂空间曲面加工的柔性抛光机控制系统设计J. 辽东学院学报(自然科学版), 2009, 16(3): 215-218. 6 计时鸣, 张利, 金明生, 等. 气囊抛光技术及其研究现状J. 机电工程, 2010, 27(5): 1-12. 7 龚金成, 谢大纲, 宋剑锋, 等. 气囊抛光曲面光学零件工艺参数对抛光区特征影响的研究J. 燕山大学学报, 2008, 32(3): 197-200. 8 宋剑锋. 曲面光学零件气囊抛光工艺参数优化及其相关技术研究D. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学机电工程学院, 2009.9 H. Liu, J. Wang, C.Z. Huang. Abrasive Liquid Jet as a Flexible Polishing ToolC/Advances in Abrasive Machining and Surfacing Technologies-Proceedings of the International Conference on Surface Finishing Technology and Surface Engineering. 2006: 191-200.10 刘随建, 吴伟东. 整体叶盘叶片光饰抛光试验及发展应用探析J. 航空制造技术, 2010, 5: 84-86. 11 刘志超. 5-DOF并联机器人抛光加工建模与轨迹规划研究D. 深圳: 哈尔滨工业大学深圳研究生院, 2011. 12 AXINTE D A, KWONG J, KONG M C. Workpiece surface integrity of Ti-6-4 heat-resistant alloy when employing different polishing methodsJ. Journal of Materials Processing Technology. 2009, 209(4): 18431852.13 李成群，贠超，张习加等. 机器人柔性磨削机床的恒磨削力补偿机构及其动力学分析J. 机械科学与技术, 2008,27(6): 701-705.14 黄云, 杨春强, 黄智. 304不锈钢砂带磨削试验研究J. 中国机械工程, 2011, 22(3): 291-294.15 肖贵坚, 黄云, 黄智等. 基于单因素实验的钛合金砂带磨削砂带寿命研究及分析J. 机械设计与制造, 2010(8): 175-177.16 Avery Roswell, Fengfeng(Jeff) Xi, Guangjun Liu. Modeling and analy