基于误差补偿的叶片铣削加工过程仿真研究

ｍ 、 和 ｍ 为瞬 时切 削厚度 尺寸 影响指 数 ； 、 ｍ， Ｋ和 为切 向 、 向和轴 向铣 削力 系数 。 径
将 利用 有 限元仿 真软件 对航 空发 动机 叶片 的螺旋 铣削 过 程进 行仿 真 ， 析加 工过程 中变 形规 律 ， 到实 时变 分 得
形 数据 。
０／２ ≤ 击 ≤ ｎ Ｉ Ｔ
当 ２ 西＜ 时 ＜ 耵
（） ２ （ ＝２ ２ ３ Ｋ （ ） ９ ． ， （ ） ２ ． ； 咖） ８ ． ， ｒ ＝２ ３ ８ ＝２ １３
ｍ ＝ ０． ５ ２ ｍ ＝ ０ ５ ４ ０ ４， ６ ６ ３ ７， ． ６ ５ ｍ
。
＝ ０ ４８ ９８。 ． １９
Ｔｈ ｎ ｓｒ ｆＥｄ ａ ｉｎ，Ｓ ｈ ｏ ｆＭｅ ｈ ｎ ｃ ｌａ ｄ Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ， ｅ Ｍｉｉｔｙ ｏ ｕｃ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｅ ｔｏ ｉ ｇｎｅ ｒｎ
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差 的增 大 。 因此 ， 控 前 期 的误 差 补 偿 技 术 就 成 为控 数
制 变形 误差 的关 键 环节 。叶 片 的制 造 经过一 系 列复 杂
的工艺 环 节 ， 工误 差影 响 因素众 多 ， 加 主要 因素 包括 以 下 几个 方 面 Ｊ（ ） 件材 料特 性 和 结 构 特 性 ；２ 毛 ：１ 工 （） 坯 初始 残余 应 力 ；３ 切 削力 和切 削热 ；４ 装 夹 因素 ； （） （） （ ） 工 路 径 。且 各 因素 之 间 关 系 相 互 耦 合 ， 难 剥 ５加 很 离 出某 单 个 因素对 叶 片加工 精度 的影 响规 律 。但 随着 数 控技具 变 形 使 误 差成 为 影 响叶片 精度 的 主要 因素 。本文 建立 基 于瞬 时铣 削力 的变 化模 型 ， 通 过误 差 补 偿 已达 到 叶 片 精 并
ｉａ ｃ ｒｃ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ，ｔ ｅ ｅａ ｔｃ ｄ ｆｒ ｔ ｎ ｅ ｃ ｎｆ ｏ ｉ ｏ ｐ ｔｉ ｏｖ ｄ ｏ ｈｅ ｂ ｓｓ ｏ ｔｒ ｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ｎ， ｈ ｌ ｓｉ ｅ ｏ ｍｉｙ ｏ ａ ｈ ｋ ｉ ｐ ｓｔ ｎ ｓ ｏ ｓ ｓ ｌ ｅ ｎ ｔ ａ ｉ ｆｉｅ ａｉ ｏ ｕ ｉ ｅ ｉ ｖ ｏ ｕｓｎ ｈ ｎｔ ｌ ｍｅ ｔｓｍｕｌｔｏ ｎ ｌｉ ｇ ｓｒ ｎ ｔ ｄｅ ． Ｂｙ ｕ ｉ ｇ ＡＮＳ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔｓｍｕ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｉｅ ｅｅ ｎ ｉ ｉ ａｉｎ ａ ｄ ｍｉｌｎ ｔｅ ｇｈ ｍｏ １ ｓｎ ＹＳ ｆ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｉ ｌ － ｉ ｔｏ ｉ ｎ，ｉ ｒ ｃ ｉ ｅ ｈ ｅ ｌ ｉ ｒｏ ｏ ｅ ａ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｌｐ ｔ ｔ ｅ ｅｖ ｓ ｔｅ ｒ ａ —ｔ ｍｅ ｅ ｒ ｒｃ ｍｐ ｎｓ ｔ ｆｔ ｅ ｔ ｏ ａｈ．Ａｎ ｈ ｎ ｔ ｅ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｖ ｎ ｏ ｄ ｔ ｅ ｈ ｘ ｒｍｅ ｔｈ ｓｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ａ ｃ ａ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｕｓ ｂ ｌｔ ｆｔ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｎ ｐｌｎ． ｈ ｃ ｕｒ ｃ ｎ ｈ ａ ｉｉ ｏ ｈ ｏ ｅ ｓ ｔｏ ａ ｙ Ｋｅ ｗｏ ｄｓ：Ｍｉｌ ｇ Ｆ ｒ ｅ Ｍｏ ｅ ；Ｅｒｏ ｍｐ ｎｓ ｔｏ ｙ ｒ ｌｉ ｏ ｃ ｄ ｌ ｒ ｒ Ｃｏ ｅ ａ ｉｎ；Ｉｅ ａｉｅ Ｓ ｌ ｔｏ ｎ ｔｒ ｔｖ ｏｕ ｉ ｎ；ＡＮＳ ＹＳ
ｃ ｍｐ ｎ ａｉｎ Ｉ ｒ ｅ ｅ ｉｅ ｔ ｅ ｐ ｉ ｔ ｅ ＮＣ ｔ ｏ ａｈ ｃ ｄ ｎ ｌ ｎ ｔ ｈ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｄ ｓｏ ｔ ｎ ｏ ｅ ｓ ｔ ． ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｒｖ ｓ ｈ ｒ ｉ ｏ ｌｐ ｔ ｏ ｅ ａ ｄ ｅ ｉ ａｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｉｔｒ ｏ ｏ ｏ ｍｉ ｖ ｍｉ ｉ
中 图分类 号 ： Ｈ１ １ ． Ｔ ６＋５ 文献标 识码 ： Ａ
Ｍｉｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓｍｕａ ｉｎ ｏ ａ ａ ｅ ｎ ｅ ｒ ｒｃ ｍｐ ｎ ａ ｉｎ ｌｎ ｒ ｃ ｓ ｉ ｌｔ ｆｌ ｆｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏ ｅ ｏ ｅｓｔ ｏ Ｄ ｎｕ ｎ Ｌ ａ Ｕ Ｍｉｊａ ， Ｉ ｏ Ｈ （ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｉｉ ｌ ａ ｕａｔｒ ｇＴ ｃ ｎｌｇ ｎ ｐ ｌ ａ ｏ ， Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ ｇ ａ Ｍ ｎ ｆｃ ｉ ｅｈ ｏ ｙａ ｄＡ ｐｉ ｔ ｎ ｏ Ｄ ｔ ｕｎ ｏ ｃｉ
０ ≤ 西 ≤ 丌／ ２ ．
（） １
｛ ） ９．８ ２９２ 一 ８． ＋１２８ Ｋ（ ＝ ３９ — １．４ ２１ 咖 ， ３ ４．４ ，
【 咖） ＾ （ ＝一５ ８ ２＋ｌ０ ５ ７ 一７ ６ ９ ＋２ ６ ９ ９． ８． ４ ， ４ ．４ ， ４ ．４ ，
（） ４
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Ａｂｓｒ ｃ ：Ｂｙ ｒ ｓ ａ ｃ ｉ ｇ ｔ ｅ ｅ ｇ ｎ ｌｄ ｓｏ ｅｉ ａ ｌｉ ｇ ｓａｅ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ｅ ｉｔ ｘｕ ｅ，ｔ ｅｌ ａ ｌ ｄ ｅ ｏ ｍ。 ｔａ ｔ ｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ｈ ｎ ｉ ｅ ｂ ａ ｅ ｆｈ ｌｃ ｌｍｉ ｎ ｔｔ ｎ ｅ ｈ ｘ ｓｉ ｆ ｔ ｒ ｌ ｎｇｉ ｈ ｅ ｆｂ ａ ｅｄ ｆｒ ａ ｌ ｄ ｌｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｎｓａ ｔ ｎ ｏ ｓｍｉ ｉ ｇ ｓｒ ｎ ｔ ｓｅ ｔｂ ｉｈ ｄ．Ｍｅ ｎ ｉ ｂｅ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｔｅ ｉ ｔ ｎ ａ ｅ ｕ ｌ ｎ ｔｅ ｇｈ ｗａ ｓａ ｌｓ ｅ ｌ ａ ｗｈ ｌ ｈｅｏ —ｌｎ ｌｉ ｅ，ｔ ｆ ｉ ｅ ｍｕ ｔ－ ｌｖ ｌｅ ｒ ｒ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｉｎ ｐ ａ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｈ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｓ ｒａ ｅ ｔ ｔｃ ｒｏ ｏ ｅ ａ ｔ ｎ ｅ ｅ ｒｏ ｏ ｅ ｓ ｔ ｌｎ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｕ ｆ ｃ ｓａ ｉ ｅ ｒｒ ｆ ｒ ｃ ｓｓ ａ ｄ ｏ
基 于 误 差 补 偿 的 叶 片铣 削 加 工 过 程 仿 真 研究
杜敏 娟 李 昊
（ 兰州理 工大 学机 电工 程 学院 ， 字制造技 术 与应用 省部 数 共 建教 育部 重 点实验 室 ， 甘肃 兰州 ７ ０ ５ ） ３００ 摘 要 ： 发动 机叶 片在 现有 夹具 定位 下 的螺旋 铣削 加工 状态 进行 了研 究 ， 立 了基于 瞬时铣 削 力的叶 片变 对 建
工过程的模型难 以建立 ； ２ 仿 真模型 的通用 性差 ； （） （） ３ 与几何仿真未充分结合。本文基于 Ｚ ｍ ｐ — ａ 仿真模 型 ， 合考 虑刀 具偏 心 和刀 具 变形 对 瞬 时 切 削厚 度 综
的影 响 ， 建立 了球 头铣 刀 铣 削 力仿 真模 型 并 通过 了实
验 验证 。
ｒ 咖） Ｋ（ ＝一２ ９ ５—１ ７ ４ ＋１７ ６ ８ 一３ ５ ９ １． ９ ４ ， ６ ．４ ， ９ ．４ ，
ｄ ｉ ） （ ｔ ｉ 咖） ｓ （ ｄ Ｆ（， ， ＝ 咖）（ ， ， Ｒ ｉ 咖） ｎ ｄ ，ｉ 咖） ｒ咖）（ ， 咖） ｓ （ ｄ Ｆ（ ， ， ＝Ｋ （ ｔ ｉ ， Ｒ ｉ ） ｎ ｄ ｉ ｑ ＝Ｋ （ｂ ｔｉ 咖） Ｆ （， ｂ ， ） ａｑ）（ ， ， Ｒｓ （ ｄ ｉ 咖） 咖 ｎ
形模 型 。 出 了基 于加 工表 面静 态误 差预 测 、 提 补偿 的离 线 多层次 误差 补偿 方案 ， 利用有 限元模 拟 技术 结 合铣 削 力模型 ， 迭代 求解 各个 刀位 点 处 的弹性让 刀变形量 ， 此修 正原始 的数 控 刀具轨 迹代码 ， 据 达
到 消 除加工 变形 误差 的 目的 ； 并通 过有 限元 Ａ ＹＳ仿 真 ， ＮＳ 得到 实 时误 差 补偿 刀位 轨 迹 ， 通过 实 验验 证 补偿 方案 的正 确性 和 实用性 。 关 键 词 ： 削 力模型 铣 误 差 补偿 迭代 求解 ＡＮ Ｙ ＳＳ
航空 发动 机薄 壁 叶片 作 为 典 型 的薄 壁 结 构 零 件 ，
一
度 要求 。
般 都具 有壁 薄 、 弦 、 扭 和 刚性 差 等 特 点 ， 就 使 宽 弯 这
得 叶片在 数控 加工 时极 易 产 生 加 工变 形 ， 成 加 工 误 造
１ 瞬 时 铣 削 力 建 模
近 年来 ， 由于 数控加 工几 何仿 真得 到 了一 些应用 ， 叶片加 工精度 有所 改 善 ， 数 控 加工 物 理 仿 真 的研 究 但 和应 用 却远远 落 后于 发 展 的 实 际需 要 ， 而 引起 人 们 从 的高度 重视 ， 也使 得作 为物 理 仿 真研 究 基 础 的铣 削 力 建模备受关 注。主要存在 问题有 ： １ 适应于高速加 （）
成 立
１ ０ ｍｎ 无冷却液情况下 ， ０ｒ ｉ， ０ ／ 选用铝合金 Ｌ １ ， Ｙ ２ 通过 水平 半 槽 切 （ ａ —ｓ ｔ 试 验 确 定 偏 心 参 数 为 Ｐ＝ ｈｌ ｌ ） ｆ ｏ
０ ０９ ＝ ０ 。采 用 不 同 的进 给 率 进 行 ３ ．０ ， ６ 。 ０组 槽 切 （ｌｔ铣 削试验 ， ｓ ） ｏ 计算 的铣 削力 系数 为 当０ ≤西≤丌 ２时 ／
２ １ 有 限元 变形分 析模 型 的建立 ．
在航 空 发动机 叶 片铣 削加 工 的 有 限元 分 析 中 ， 建
立 铣削加 工 的有 限元 分 析模型 的原则 就 是要使 所建 立 的有 限元 模 型 能 在 力 学 上 合 理 地 模 拟 实 际 的加 工 过
程。
（ ） 何 模 型 的建 立 ： 取 叶 片 尺 寸 为 ： ９０ １几 选 长 ８
２ 铣削力引起 航空发 动机 叶片变形分析
铣 削力 的 瞬时变化 及刀 位轨 迹 的复杂性 使得 叶片
在 加工 过程 中变形 难 以通过 实验 直观准 确得 出 。本文
式（） １ 与式 （ ） ： 刀具 转角 ；为 切削 刃序 号 ； 为 ２ 中 为
切削 刃离散 单元 的位 置角 ；（， ） 瞬 时切 削厚 度 ； ｉ ， 为
矿 Ｊ ｌ幕朋 牛等
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Ｉ 主题 ：数控与朴偿技术
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：
如图 １ 所示 ， 球 头铣 刀 沿 轴 向划 分 成 许 多很 小 将 的 离散单 元 ， 用在 刀 刃单 元 上 的空 间铣 削 力 可 以分 作 解 为单元 径 向力 ｄ 单 元 切 向 力 ｄ Ｆ、 Ｆ 和单 元 轴 向力 ｄ。 Ｆ 。切 削力 与 切 削 负 载 的 内在 关 系 ， 下 面 的公 式 有