一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法

一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法
【專利摘要】一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，涉及一種薄壁件加工方法。本發明為解決超級合金薄壁件切削加工效率和加工質量低下的問題。本發明方法：一：獲取待加工工件的CAD三維模型；二：選擇三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元；三：利用激光加工制造定位支撐單元；四：將待加工工件裝配到定位支撐單元中，令裝配后的待加工件和定位支撐單元組成加工狀態單元；五：確定加工狀態單元中的加工基點；六：根據待加工工件允差條件，加權處理激光加工路徑參數，通過仿真模擬加工路徑確定最優加工路徑；七：調試工件加工程序，按照最優加工路徑對待加工工件進行加工，完成對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制。
【專利說明】一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種薄壁件加工方法。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機作為大型動力提供裝置廣泛用于電力輸出，艦船動力裝置，遠距離能源管道傳送動力和應急臨時電力供應等場合。國外已經在民用、軍用內的諸多行業廣泛的研發并使用燃氣輪機這種大型動力提供裝置，功率從100MW到500MW不等。例如美國GE公司從上世紀50年代開始，從航天型燃氣輪機起步到陸基大型燃機，經過幾代燃機的研發和制造，已經形成自己的燃機品牌體系，從最初的6A系列到上世紀90年代的9A、9FA、9FB系列，目前已經發展到9H系列燃機，其功率和壓比已經達到了很高的程度，與傳統的汽輪機組成的聯合循環機組效率更是到達了 45%以上。目前我國燃氣輪機的生產剛剛起步，燃氣輪機的能力置于美國上世紀90年代的水平，這極大阻礙了我國能源產業的發展并使艦船動力等海軍國防發展受到了很大的局限，使我國與國際先進水平存在很大的差距。
[0003]作為燃氣輪機區別于傳統汽輪機標志之一的燃燒室，由于抗熱腐蝕高溫合金材質的使用和易變形薄壁群孔筒狀結構特點而使其更難于制造。根本原因是由于材質的抗熱腐蝕、高強度使得道具急速磨損，被加工型面偏離數模尺寸較大，在大幅提高加工刀具成本的同時，極易出現廢品，造成無法補救的原材料浪費。同時薄壁件裝夾時和加工時的變形控制十分困難，傳統的機加和電火花線切割加工方式很難在進行精確加工的同時保證批量加工時的高效率和一致性。
[0004]超級合金薄壁件在金屬切削加工中易變形造成零件形位公差超差，以及熱加工過程中造成薄壁件整體零件過熱產生殘余應力,進而造成加工效率和加工質量低下。
[0005]發明目的
[0006]本發明為了解決超級合金薄壁件在金屬切削加工中易變形造成零件形位公差超差，以及熱加工過程中造成薄壁件整體零件過熱產生殘余應力，進而造成加工效率和加工質量低下的問題，從而提供一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，
[0007]一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，其特征在于它包括如下步驟:
[0008]步驟一:獲取待加工工件的CAD三維模型；
[0009]步驟二:選擇步驟一所述三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元，并對定位支撐單元進行參數化設計和后續處理；
[0010]步驟三:根據步驟二獲得的定位支撐單元，利用激光加工制造定位支撐單元；
[0011]步驟四:將待加工工件裝配到定位支撐單元中，令裝配后的待加工件和定位支撐單元組成加工狀態單元；
[0012]步驟五:確定加工狀態單元中的加工基點；
[0013]步驟六:根據待加工工件允差條件，加權處理激光加工路徑參數，通過仿真模擬加工路徑確定最優加工路徑；[0014]步驟七:調試工件加工程序，按照步驟六確定的最優加工路徑對待加工工件進行加工，完成對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制。
[0015]本發明解決了超級合金薄壁件在金屬切削加工中易變形造成零件形位公差超差，以及熱加工過程中造成薄壁件整體零件過熱產生殘余應力的問題。一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，是以燃氣輪機生產中常見的超級合金薄壁件為例，利用激光切割機高精度、柔性好、熱變形小的特點，通過零件三維圖形建模、設計制備專用工藝裝備以及優化處理激光加工路徑參數等步驟，實現薄壁件的精加工。這種方法在解決變形問題的基礎上，也很好的解決了薄壁件產品批量生產中產品的一致性問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法的流程圖；
[0017]圖2為具體實施例所述三維模型圖；
[0018]圖3為具體實施例所述定位支撐單元圖；
[0019]圖4為具體實施例所述定位支撐單元筋板和基板裝配圖；
[0020]圖5為具體實施例所述加工狀態模型單元與基點選擇示意圖；
[0021]圖6為具體實施例所述參數化路徑優化模擬圖；
[0022]圖7為具體實施例實際切割截面質量圍觀圖譜。
【具體實施方式】
[0023]【具體實施方式】一、結合圖說明本【具體實施方式】。一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，它包括如下步驟:
[0024]步驟一:獲取待加工工件的CAD三維模型；
[0025]步驟二:選擇步驟一所述三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元，并對定位支撐單元進行參數化設計和后續處理；
[0026]步驟三:根據步驟二獲得的定位支撐單元，利用激光加工制造定位支撐單元；
[0027]步驟四:將待加工工件裝配到定位支撐單元中，令裝配后的待加工件和定位支撐單元組成加工狀態單元；
[0028]步驟五:確定加工狀態單元中的加工基點；
[0029]步驟六:根據待加工工件允差條件，加權處理激光加工路徑參數，通過仿真模擬加工路徑確定最優加工路徑；
[0030]步驟七:調試工件加工程序，按照步驟六確定的最優加工路徑對待加工工件進行加工，完成對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制。
[0031]本發明的詳細步驟為:
[0032]步驟一:獲取待加工件的CAD三維模型；
[0033]使用常見的三維模型軟件進行三維繪圖，可用的三維軟件包括UG、Pio-E、SOLIDffORKS等。根據圖紙繪制出準確的三維模型，并將模型文件轉化成IGES文件。
[0034]步驟二:選擇步驟一所述三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元，并對定位支撐單元進行參數化設計，并對支撐定位單元進行后續處理；
[0035]步驟二 A:選擇三維模型中用于定位的型面；[0036]三維模型中的定位型面型線將作為定位支撐單元定位型面的型線。所述定位型面應滿足如下條件:預選為定位型面的表面拉伸方向應呈現水平向下延展，以型面的受壓表面作為定位面；待切割表面不存在較小二面角或尖點，在切割路徑區域存在的成型面其與激光切割路徑距離應滿足大于激光頭噴嘴直徑3倍以上(成型后毛坯件的飛邊對切割路徑上的激光頭不形成干涉)；預選定位型面俯視(Z方向)投影面積大于該件其余二向(X向、Y向)投影面積中較小值；
[0037]步驟二 B:參數化設計定位支撐單元；
[0038]所述定位支撐單元包括基板、筋板和支撐單元的定位型面；
[0039]步驟三C:利用步驟二 B所述參數生成筋板和基板的二維單元圖，并轉化成ICON文件。
[0040]利用上述參數設計筋板和基板各尺寸以后生成DWG/DXF格式的二維CAD筋板基板單元圖。此步驟的后續處理是指對筋板與基板裝配部位CAD圖進行處理，包括筋板地腳寬度型線、筋板地腳深度型線；筋板與零件接觸定位部位CAD圖進行處理，包括筋板在接觸部位銳角的圓角處理；逐一生成筋板件和基板件的CAD模型圖并轉化成ICON文件。
[0041]步驟三:根據步驟二參數化設計獲得的定位支撐單元，利用激光加工制造定位支撐單兀；
[0042]步驟三A:獲取步驟二 C所述筋板和基板的二維單元的ICON文件；
[0043]步驟三B:對步驟三A獲取的文件進行筋板和基板定位，在軟件中設置程序原點；
[0044]步驟三C:根據切割路徑選取切割噴嘴策略；
[0045]根據切割路徑的不同選取不同的切割噴嘴策略。如切割單邊曲線選擇單條切割；切割多條單邊曲線選擇多條切割、切割閉環曲線選擇連續切割等等；在選擇切割噴嘴策略中直接選取起始點、終止點和過切值，起始點和終止點應與零件切割表面有一定的距離，該距離即定義為過切值，一般為板厚的1.5-2.5倍。
[0046]步驟三D:生成用于機床加工的G代碼程序文件并加載至機床，設置加工零件原點，進行實物模擬程序并切割基板和筋板，所述加工零件是指筋板和基板；
[0047]設置加工零件原點:使用機床手持盒，用GOl指令和SET_Z_TABLE指令設定零件程序原點，零件程序原點設置在機床程序原點一側；
[0048]步驟三E:將獲得基板和筋板的實物進行拼裝，完成定位支撐單元的裝配。
[0049]步驟四:定位產品到支撐單元中；
[0050]將產品裝配到定位支撐單元中，依靠產品定位型面和支撐單元定位型面進行裝配定位，裝配后的產品、定位支撐單元組成加工狀態單元。
[0051]步驟五:選擇定位支撐單元中的加工基點；
[0052]加工基點是將加工狀態單元幾何狀態和位置關系映像到實際切割機床上的控制點，通過選擇基點使得加工狀態單元準確得反映實際機床上待加工件的位置情況。(見【專利附圖】

【附圖說明】中的Pl點、P2點、P3點)選擇基點時應考慮如下幾點:
[0053]A、基點應為直線與直線的交點，不能選擇直線圓弧切點及圓弧圓弧切點；
[0054]B、基點應選已精加工的點，不能選擇本序待加工路徑上的點；
[0055]C、待選擇的基點上方(Z方向)不能與定位激光頭干涉，否則無法準確取點；
[0056]步驟六:根據待加工件允差條件，加權處理激光加工路徑參數,并仿真模擬加工路徑，確定最優加工路徑；
[0057]加工件允差條件是指零件的尺寸公差和形位公差要求，以及待切割板材材料的成分、厚度等影響參數；激光加工路徑參數是指光斑補償值、圓弧補償值、插補公差值、噴嘴過切參數、噴嘴切割方法選擇等；路徑參數的選擇是以加工件允差條件為標準，根據激光功率、速度、噴嘴焦距和待加工件材質、厚度和結構共同決定的。在加工路徑確定以后，可以進行程序模擬，在軟件中檢查有無干涉及碰撞情況存在，然后可以生成用于實際加工的ISO文件，加載至切割機床中。
[0058]板材厚度為D，尺寸公差為H，則光斑補償值Λ ^ (0.1-1) DH ;圓弧補償值和插補公差值應小于H，一般取(0.2-0.5) H ;
[0059]噴嘴的焦距為F，則一般對于不銹鋼材質F= (0.5-0.67) D ；
[0060]步驟七:按照步驟六確定的最優加工路徑對待加工工件進行加工，完成對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制。
[0061]此處零件是指超級合金薄壁產品。
[0062]步驟六中的允差條件:加工件允差條件是指零件的尺寸公差和形位公差要求，這與激光切割機的切割精度緊密相關。影響切割機精度的主要有激光透鏡的焦距、功率、速度以及噴嘴焦距等。型號為Prima Rapido CP4000的激光設備對于常規材料的切割參數見下表1 (部分):
[0063]表1激光推薦切割參數
【權利要求】
1.一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，其特征在于它包括如下步驟: 步驟一:獲取待加工工件的CAD三維模型； 步驟二:選擇步驟一所述三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元，并對定位支撐單元進行參數化設計和后續處理； 步驟三:根據步驟二獲得的定位支撐單元，利用激光加工制造定位支撐單元； 步驟四:將待加工工件裝配到定位支撐單元中，令裝配后的待加工件和定位支撐單元組成加工狀態單元； 步驟五:確定加工狀態單元中的加工基點； 步驟六:根據待加工工件允差條件，加權處理激光加工路徑參數，通過仿真模擬加工路徑確定最優加工路徑； 步驟七:調試工件加工程序，按照步驟六確定的最優加工路徑對待加工工件進行加工，完成對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制。
2.根據權利要求1所述的一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，其特征在于所述步驟二:選擇步驟一所述三維模型中用于定位的型面，確定定位支撐單元，并對定位支撐單元進行參數化設計和后續處理的過程為: 步驟二 A:選擇三維模型中用于定位的型面； 所述定位型面應滿足如下條件:預選為定位型面的表面拉伸方向應呈現水平向下延展，以型面的受壓表面作為定位面；待切割表面不存在較小二面角或尖點，在切割路徑區域存在的成型面其與激光切割路徑距離應滿足大于激光頭噴嘴直徑3倍以上；預選定位型面俯視投影面積大于該件其余二向投影面積中較小值； 步驟二 B:參數化設計定位支撐單元； 所述定位支撐單元包括基板、筋板和支撐單元的定位型面； 步驟三C:利用步驟二 B所述參數生成筋板和基板的二維單元圖，并轉化成ICON文件。
3.根據權利要求2所述的一種針對超級合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，其特征在于所述步驟三:根據步驟二參數化設計獲得的定位支撐單元，利用激光加工制造定位支撐單元的過程為: 步驟三A:獲取步驟二 C所述筋板和基板的二維單元的ICON文件； 步驟三B:對步驟三A獲取的文件進行筋板和基板定位，在軟件中設置程序原點； 步驟三C:根據切割路徑選取切割噴嘴策略； 步驟三D:生成用于機床加工的G代碼程序文件并加載至機床，設置加工零件原點，進行實物模擬程序并切割基板和筋板； 步驟三E:將獲得基板和筋板的實物進行拼裝，完成定位支撐單元的裝配。
【文檔編號】B23K26/00GK103464898SQ201310388911
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】付志剛, 季東軍, 董生權, 王曉東, 王石磊, 康彥文 申請人:哈爾濱汽輪機廠有限責任公司