壁厚与外形耦合约束下空心叶片加工余量优化方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28191

Abstract

Abstract:

To address the problem of non-uniform and negative allowance distribution of wild-chord hollow fan blades， a multi-level allowance optimization method which considers the coupling constraint of wall thickness and profile is proposed. Firstly， in term of the profile measurement result by on-machine measurement， the blade blank surface is reconstructed by the Laplace mesh deformation to obtain the accurate normal vectors of wall thickness measurement in a short time. To make the machining allowance distribution meet the design requirements of the wall thickness and profile， the optimization constraint which couples the wall thickness and profile are established， and the multi-level allowance optimization variables with different solution spaces are achieved， so as to construct allowance optimization models with different priorities. Furthermore， different optimization models are used to get the optimal hollow blade allowance distribution. Finally， the proposed method is verified by the experiment which takes a certain type of hollow blade as the object， and the experiment ensures the tolerance constraints of machining allowance， wall thickness and profile coupling， providing a new method for intelligent allowance optimization of wide-chord hollow blades.

Key words: allowance optimization, hollow blade, Laplace mesh deformation, constraint coupling, adaptive machining

CLC Number:

V260.5

Haolin YIN, Neng WAN, Xiaogang SHEN, Dao WANG, Hu QIAO. Allowance optimization method of hollow blade machining under coupling constraint of wall thickness and profile[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(17): 428191-428191.

Figures/Tables 24

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Table 1

Table 2

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Table 3

Fig.11

Table 4

Fig.12

Table 5

Spatial displacement and rotation values of 22 designed section curves

序号	$Δ y$ /mm	$Δ z$ /mm	$α$ /（°）
1	0.117 7	-0.006 0	-0.013 2
2	-0.100 9	0.119 7	0.056 5
3	0.089 3	0.046 9	0.022 3
$⋮$	$⋮$	$⋮$	$⋮$
20	0.321 4	0.026 6	-0.027 6
21	0.527 7	0.025 8	0.014 7
22	0.275 0	0.506 1	0.083 2

Table 5

Fig.13

Fig.14

Fig.15

Fig.16

Fig.17

Fig.18

Fig.19

References 23

1	高庆峰. 宽弦空心风扇叶片超塑成形的数值仿真研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2008： 1-2.
	GAO Q F. Research and application of numerical simulation of superplastic forming hollow fan blades［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2008： 1-2 （in Chinese）.
2	侯冠群，尚波生. 宽弦风扇叶片技术的发展［J］. 国际航空， 2002（12）： 45-47.
	HOU G Q， SHANG B S. Development of wide-chord fan blade ［J］. International Aviation， 2002（12）： 45-47 （in Chinese）.
3	王大刚，陈明和，王宁，等. 基于激光预焊芯板夹层的超塑成形/扩散连接先进工艺［J］. 中国有色金属学报， 2013， 23（6）： 1536-1541.
	WANG D G， CHEN M H， WANG N， et al. Advanced technology of superplastic forming and diffusion bonding with laser pre-welding core sheets［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2013， 23（6）： 1536-1541 （in Chinese）.
4	ZHAO Z C， DING D W， FU Y C， et al. A hybrid approach for measurement thickness of complex structural parts using ultrasonic inspection and on-machine probing［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 103（9）： 4777-4785.
5	史恩秀，郭俊杰，周宏菊，等. 大型薄板曲面件在机测量技术的研究［J］. 仪器仪表学报， 2009， 30（9）： 1795-1800.
	SHI E X， GUO J J， ZHOU H J， et al. Study on on-line measurement technology for large-scale sheet parts with free-form surface［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2009， 30（9）： 1795-1800 （in Chinese）.
6	岳晶. 整体叶轮在机检测与加工余量优化技术研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2016.
	YUE J. Research on on-machine measuring and allowance optimization technology of the integral impeller［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2016 （in Chinese）.
7	程云勇，张定华，卜昆，等. 基于工业CT测量数据的空心涡轮叶片三维壁厚分析［J］. 机械强度， 2009， 31（5）： 791-796.
	CHENG Y Y， ZHANG D H， BU K， et al. Hollow turbine blade 3d wall-thickness analysis based on its ict measurement data［J］. Journal of Mechanical Strength， 2009， 31（5）： 791-796 （in Chinese）.
8	ZHOU B， TIAN T T， ZHU G， et al. An ultrasonic testing method for wall thickness of turbine blades［J］. Measurement， 2022， 198： 111357.
9	王辉，周明星，郑维珍，等. 高速飞行器薄壁异形零件加工余量的数字化分析与优化［J］. 计算机集成制造系统， 2016， 22（6）： 1456-1464.
	WANG H， ZHOU M X， ZHENG W Z， et al. Machining allowance analysis and optimization of irregular shaped component in high speed aero-vehicle［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2016， 22（6）： 1456-1464 （in Chinese）.
10	ZHAO Z C， XU T R， LI Y， et al. Profile and thickness constrained adaptive localization for manufacturing curved thin-walled parts based on on-machine measurement［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2020， 110（1）： 113-123.
11	张莹，刘敏，张定华，等. 基于在线检测的叶片加工余量自适应优化方法［J］. 计算机技术与发展， 2014， 24（11）： 226-229， 233.
	ZHANG Y， LIU M， ZHANG D H， et al. An adaptive approach for machining allowance balancing for blade based on online measurement［J］. Computer Technology and Development， 2014， 24（11）： 226-229， 233 （in Chinese）.
12	侯斐茹，万能，常智勇，等. 轮廓度约束下近净成形叶片余量优化方法［J］. 航空学报， 2017， 38（7）： 421069.
	HOU F R， WAN N， CHANG Z Y， et al. An allowance optimization method for near-net shape blade under profile tolerance constraints［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（7）： 421069 （in Chinese）.
13	HOU L， GUO J， CHEN Y， et al. Post-machining allowance optimization of directed energy deposited impeller blades using point cloud registration［J］. Manufacturing Letters， 2022， 33：593-601.
14	吴心晨. 宽弦空心风扇叶片超塑成形/扩散连接工艺研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015.
	WU X C. Research on superplastic forming and diffusion bonding technology of hollow wide-chord fan blade［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2015 （in Chinese）.
15	于洋，张力，战鹏，等. 宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析［J］. 航空发动机， 2010， 36（1）： 24-26.
	YU Y， ZHANG L， ZHAN P， et al. Analysis of design parameters of wide chord hollow fan blade structure［J］. Aeroengine， 2010， 36（1）： 24-26 （in Chinese）.
16	刚铁. 宽弦空心风扇叶片结构设计及强度分析研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2005.
	GANG T. Research on structural design and stress analysis of hollow fan blades［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2005 （in Chinese）.
17	赵辉，顾险峰，雷娜. 三维模型变形算法：理论和实践［M］. 北京：电子工业出版社， 2017： 60-65.
	ZHAO H， GU X F， LEI N. Algorithm of 3D model deformation： theory and practice ［M］. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2017： 60-65 （in Chinese）.
18	敬石开，程云勇，张定华，等. 一种区域公差约束的叶片模型配准方法［J］. 计算机集成制造系统， 2010， 16（4）： 883-886.
	JING S K， CHENG Y Y， ZHANG D H， et al. Tolerance zone constrained alignment method for turbine blade model［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2010， 16（4）： 883-886 （in Chinese）.
19	王海宁. 宽弦风扇叶片外形在机测量及模型重构技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2016.
	WANG H N. Research on in-machine measurement and CAD model reconstruction for wide-chord fan blade contour［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2016 （in Chinese）.
20	曾艳，李斌，彭芳瑜，等. 面向数控加工的大型螺旋桨桨叶的余量估算问题研究［J］. 中国机械工程， 2006， 17（6）： 566-569.
	ZENG Y， LI B， PENG F Y， et al. Research on the estimation of the propeller allowance in NC machining［J］. China Mechanical Engineering， 2006， 17（6）： 566-569 （in Chinese）.
21	郑刚，阮胜，吴雁，等. 基于在机测量的复杂曲面侧铣加工误差补偿研究［J］. 科学技术与工程， 2016， 16（21）： 295-298.
	ZHENG G， RUAN S， WU Y， et al. Research on the machining error compensation for flank milling complex surface based on on-machine measurement［J］. Science Technology and Engineering， 2016， 16（21）： 295-298 （in Chinese）.
22	庄其鑫，莫蓉，万能，等. 基于可行图的五轴在机测量探针轴向优化方法［J］. 航空学报， 2020， 41（5）： 423403.
	ZHUANG Q X， MO R， WAN N， et al. Stylus orientation optimization method in five-axis on-machine measurement based on feasible graph［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（5）： 423403 （in Chinese）.
23	万能，庄其鑫，郭彦亨，等. 拟合精度约束下航发叶片在机测量采样策略［J］. 航空学报， 2022，44（7）：427151.
	WAN N， ZHUANG Q X， GUO Y H， et al. Sampling strategy for on-machine measurement of aero-engine blade under the constraint of fitting accuracy［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022，44（7）：427151 （in Chinese）.

条件	公式选择
目标函数	式（13）
约束条件	式（14）、式（15）、式（16）
优化变量	式（17）

条件	公式选择
目标函数	式（13）
约束条件	式（14）、式（15）、式（16）
优化变量	式（18）、式（19）

测量点序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
壁厚上限	7.61	7.41	7.47	8.00	4.12	4.22	4.25	2.29	2.18	2.22
壁厚下限	6.87	6.67	6.73	7.26	3.38	3.48	3.51	1.87	1.76	1.80
测量点序号	11	12	13	14	15	16	17	18	19
壁厚上限	2.32	1.85	1.79	1.82	1.79	1.82	1.78	1.78	1.82
壁厚下限	1.90	1.43	1.37	1.40	1.37	1.40	1.36	1.36	1.40

测量点序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
法矢夹角/（°）	0.368 0	0.280 4	0.142 0	0.205 6	0.087 7	0.053 2	0.254 7	0.167 8	0.079 0	0.326 0
测量点序号	11	12	13	14	15	16	17	18	19
法矢夹角/（°）	0.023 5	0.126 2	0.246 6	0.180 0	0.126 8	0.120 2	0.127 4	0.135 2	0.078 6

[1]	FENG Yazhou, REN Junxue, LIU Zhanfeng, HAN Xiaolan. Model construction of complex thin-wall structure parts for adaptive machining [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2021, 42(10): 524820-524820.
[2]	FENG Yazhou, REN Junxue, LIANG Yongshou, LIU Mingshan. Multi-objective optimization algorithm for geometric reconstruction of precision forged blade [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2018, 39(7): 421844-421844.
[3]	HOU Feiru, WAN Neng, CHANG Zhiyong, CHEN Zezhong. Anallowance optimization method for near-net shape blade under profile tolerance constraints [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2017, 38(7): 421069-421069.
[4]	LIN Xiaojun, CHEN Yue, WANG Zhiwei, GUO Yan, GAO Yuan, ZHANG Xin'ge. Model restructuring about leading edge and tailing edge of precision forging blade for adaptive machining [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2015, 36(5): 1695-1703.

Allowance optimization method of hollow blade machining under coupling constraint of wall thickness and profile

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