一种针对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法

摘要

一种针对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，涉及一种薄壁件加工方法。本发明为解决超级合金薄壁件切削加工效率和加工质量低下的问题。本发明方法：一：获取待加工工件的CAD三维模型；二：选择三维模型中用于定位的型面，确定定位支撑单元；三：利用激光加工制造定位支撑单元；四：将待加工工件装配到定位支撑单元中，令装配后的待加工件和定位支撑单元组成加工状态单元；五：确定加工状态单元中的加工基点；六：根据待加工工件允差条件，加权处理激光加工路径参数，通过仿真模拟加工路径确定最优加工路径；七：调试工件加工程序，按照最优加工路径对待加工工件进行加工，完成对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄壁件加工方法。

背景技术

燃气轮机作为大型动力提供装置广泛用于电力输出，舰船动力装置，远距离能源管道 传送动力和应急临时电力供应等场合。国外已经在民用、军用内的诸多行业广泛的研发并 使用燃气轮机这种大型动力提供装置，功率从100MW到500MW不等。例如美国GE公 司从上世纪50年代开始，从航天型燃气轮机起步到陆基大型燃机，经过几代燃机的研发 和制造，已经形成自己的燃机品牌体系，从最初的6A系列到上世纪90年代的9A、9FA、 9FB系列，目前已经发展到9H系列燃机，其功率和压比已经达到了很高的程度，与传统 的汽轮机组成的联合循环机组效率更是到达了45%以上。目前我国燃气轮机的生产刚刚 起步，燃气轮机的能力置于美国上世纪90年代的水平，这极大阻碍了我国能源产业的发 展并使舰船动力等海军国防发展受到了很大的局限，使我国与国际先进水平存在很大的差 距。

作为燃气轮机区别于传统汽轮机标志之一的燃烧室，由于抗热腐蚀高温合金材质的使 用和易变形薄壁群孔筒状结构特点而使其更难于制造。根本原因是由于材质的抗热腐蚀、 高强度使得道具急速磨损，被加工型面偏离数模尺寸较大，在大幅提高加工刀具成本的同 时，极易出现废品，造成无法补救的原材料浪费。同时薄壁件装夹时和加工时的变形控制 十分困难，传统的机加和电火花线切割加工方式很难在进行精确加工的同时保证批量加工 时的高效率和一致性。

超级合金薄壁件在金属切削加工中易变形造成零件形位公差超差，以及热加工过程中 造成薄壁件整体零件过热产生残余应力，进而造成加工效率和加工质量低下。

发明目的

本发明为了解决超级合金薄壁件在金属切削加工中易变形造成零件形位公差超差，以 及热加工过程中造成薄壁件整体零件过热产生残余应力，进而造成加工效率和加工质量低 下的问题，从而提供一种针对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法，

一种针对超级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骤：

步骤一：获取待加工工件的CAD三维模型；

步骤二：选择步骤一所述三维模型中用于定位的型面，确定定位支撑单元，并对定位 支撑单元进行参数化设计和后续处理；

步骤三：根据步骤二获得的定位支撑单元，利用激光加工制造定位支撑单元；

步骤四：将待加工工件装配到定位支撑单元中，令装配后的待加工件和定位支撑单元 组成加工状态单元；

步骤五：确定加工状态单元中的加工基点；

步骤六：根据待加工工件允差条件，加权处理激光加工路径参数，通过仿真模拟加工 路径确定最优加工路径；

步骤七：调试工件加工程序，按照步骤六确定的最优加工路径对待加工工件进行加工， 完成对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制。

本发明解决了超级合金薄壁件在金属切削加工中易变形造成零件形位公差超差，以及 热加工过程中造成薄壁件整体零件过热产生残余应力的问题。一种针对超级合金薄壁成型 件尺寸精度的控制方法，是以燃气轮机生产中常见的超级合金薄壁件为例，利用激光切割 机高精度、柔性好、热变形小的特点，通过零件三维图形建模、设计制备专用工艺装备以 及优化处理激光加工路径参数等步骤，实现薄壁件的精加工。这种方法在解决变形问题的 基础上，也很好的解决了薄壁件产品批量生产中产品的一致性问题。

附图说明

图1为本发明一种针对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制方法的流程图；

图2为具体实施例所述三维模型图；

图3为具体实施例所述定位支撑单元图；

图4为具体实施例所述定位支撑单元筋板和基板装配图；

图5为具体实施例所述加工状态模型单元与基点选择示意图；

图6为具体实施例所述参数化路径优化模拟图；

图7为具体实施例实际切割截面质量围观图谱。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图说明本具体实施方式。一种针对超级合金薄壁成型件尺寸精 度的控制方法，它包括如下步骤：

步骤一：获取待加工工件的CAD三维模型；

步骤二：选择步骤一所述三维模型中用于定位的型面，确定定位支撑单元，并对定位 支撑单元进行参数化设计和后续处理；

步骤三：根据步骤二获得的定位支撑单元，利用激光加工制造定位支撑单元；

步骤四：将待加工工件装配到定位支撑单元中，令装配后的待加工件和定位支撑单元 组成加工状态单元；

步骤五：确定加工状态单元中的加工基点；

步骤六：根据待加工工件允差条件，加权处理激光加工路径参数，通过仿真模拟加工 路径确定最优加工路径；

步骤七：调试工件加工程序，按照步骤六确定的最优加工路径对待加工工件进行加工， 完成对超级合金薄壁成型件尺寸精度的控制。

本发明的详细步骤为：

步骤一：获取待加工件的CAD三维模型；

使用常见的三维模型软件进行三维绘图，可用的三维软件包括UG、Pro-E、 SOLIDWORKS等。根据图纸绘制出准确的三维模型，并将模型文件转化成IGES文件。

步骤二：选择步骤一所述三维模型中用于定位的型面，确定定位支撑单元，并对定位 支撑单元进行参数化设计，并对支撑定位单元进行后续处理；

步骤二A：选择三维模型中用于定位的型面；

三维模型中的定位型面型线将作为定位支撑单元定位型面的型线。所述定位型面应满 足如下条件：预选为定位型面的表面拉伸方向应呈现水平向下延展，以型面的受压表面作 为定位面；待切割表面不存在较小二面角或尖点，在切割路径区域存在的成型面其与激光 切割路径距离应满足大于激光头喷嘴直径3倍以上（成型后毛坯件的飞边对切割路径上的 激光头不形成干涉）；预选定位型面俯视（Z方向）投影面积大于该件其余二向（X向、 Y向）投影面积中较小值；

步骤二B：参数化设计定位支撑单元；

所述定位支撑单元包括基板、筋板和支撑单元的定位型面；

步骤三C：利用步骤二B所述参数生成筋板和基板的二维单元图，并转化成ICON 文件。

利用上述参数设计筋板和基板各尺寸以后生成DWG/DXF格式的二维CAD筋板基板 单元图。此步骤的后续处理是指对筋板与基板装配部位CAD图进行处理，包括筋板地脚 宽度型线、筋板地脚深度型线；筋板与零件接触定位部位CAD图进行处理，包括筋板在 接触部位锐角的圆角处理；逐一生成筋板件和基板件的CAD模型图并转化成ICON文件。

步骤三：根据步骤二参数化设计获得的定位支撑单元，利用激光加工制造定位支撑单 元；

步骤三A：获取步骤二C所述筋板和基板的二维单元的ICON文件；

步骤三B：对步骤三A获取的文件进行筋板和基板定位，在软件中设置程序原点；

步骤三C：根据切割路径选取切割喷嘴策略；

根据切割路径的不同选取不同的切割喷嘴策略。如切割单边曲线选择单条切割；切割 多条单边曲线选择多条切割、切割闭环曲线选择连续切割等等；在选择切割喷嘴策略中直 接选取起始点、终止点和过切值，起始点和终止点应与零件切割表面有一定的距离，该距 离即定义为过切值，一般为板厚的1.5-2.5倍。

步骤三D：生成用于机床加工的G代码程序文件并加载至机床，设置加工零件原点， 进行实物模拟程序并切割基板和筋板，所述加工零件是指筋板和基板；

设置加工零件原点：使用机床手持盒，用G01指令和SET_Z_TABLE指令设定零件 程序原点，零件程序原点设置在机床程序原点一侧；

步骤三E：将获得基板和筋板的实物进行拼装，完成定位支撑单元的装配。

步骤四：定位产品到支撑单元中；

将产品装配到定位支撑单元中，依靠产品定位型面和支撑单元定位型面进行装配定 位，装配后的产品、定位支撑单元组成加工状态单元。

步骤五：选择定位支撑单元中的加工基点；

加工基点是将加工状态单元几何状态和位置关系映像到实际切割机床上的控制点，通 过选择基点使得加工状态单元准确得反映实际机床上待加工件的位置情况。（见附图说明 中的P1点、P2点、P3点）选择基点时应考虑如下几点：

A、基点应为直线与直线的交点，不能选择直线圆弧切点及圆弧圆弧切点；

B、基点应选已精加工的点，不能选择本序待加工路径上的点；

C、待选择的基点上方（Z方向）不能与定位激光头干涉，否则无法准确取点；

步骤六：根据待加工件允差条件，加权处理激光加工路径参数，并仿真模拟加工路径， 确定最优加工路径；

加工件允差条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、 厚度等影响参数；激光加工路径参数是指光斑补偿值、圆弧补偿值、插补公差值、喷嘴过 切参数、喷嘴切割方法选择等；路径参数的选择是以加工件允差条件为标准，根据激光功 率、速度、喷嘴焦距和待加工件材质、厚度和结构共同决定的。在加工路径确定以后，可 以进行程序模拟，在软件中检查有无干涉及碰撞情况存在，然后可以生成用于实际加工的 ISO文件，加载至切割机床中。

板材厚度为D，尺寸公差为H，则光斑补偿值Δ≈（0.1-1）DH；圆弧补偿值和插补 公差值应小于H，一般取（0.2-0.5）H；

喷嘴的焦距为F，则一般对于不锈钢材质F=（0.5-0.67）D；

步骤七：按照步骤六确定的最优加工路径对待加工工件进行加工，完成对超级合金薄 壁成型件尺寸精度的控制。

此处零件是指超级合金薄壁产品。

步骤六中的允差条件：加工件允差条件是指零件的尺寸公差和形位公差要求，这与激 光切割机的切割精度紧密相关。影响切割机精度的主要有激光透镜的焦距、功率、速度以 及喷嘴焦距等。型号为Prima Rapido CP4000的激光设备对于常规材料的切割参数见下表 1（部分）：

表1激光推荐切割参数

本实施方式的表2给出型号为Prima Rapido CP4000的激光设备的部分精度允许值， 从中得出在一定的直线长度上使用激光切割机能够达到的极限偏差。其它激光切割设备都 有自身的允许精度值，具体数值根据实际情况而定。

表2长度尺寸偏差(mm)

影响激光切割、加权处理激光加工路径参数有以下因素：

1、光束补正：与激光光斑直径大小相关，对于ZnSe平凸聚焦透镜，其光斑直径d 与焦距f、发散角θ及未聚焦的激光束直径D之间的关系按下式进行计算： 根据激光光斑大小确定激光半径补偿值，对于一般材料厚度 （1mm-3mm），其补正值大约为0.2mm；对于较厚的零件（5mm-10mm），其补正值大约 为0.5mm-0.8mm。

2、平滑路径：指加工圆弧曲线时，数控圆弧插补的精度，这个参数参考零件的允差 条件，该参数过大则加工的圆弧不圆度超差，过小则会产生激光加工“过烧”现象，影响 零件尺寸精度。一般推荐值为0.01-0.05。

3、开始/结束栏：“引入”参数是指激光穿孔位置到目标型线的直线距离。该值与零 件型线尺寸和材料厚度有关，一般不低于零件厚度的1.4-2倍，不大于零件穿孔处宽度值 的1/2，例如对孔来讲不大于该孔的半径值。“引下/引上”参数是指激光头到达零件表面 的距离和加工完成后激光头退出零件表面的距离，此参数主要考虑加工安全距离和空间要 求。

4、喷嘴过切参数：指激光经过封闭曲线加工回到初始点后，继续沿曲线加工的长度， 目的是为了确保完成整个封闭曲线的加工，一般来讲该值取1mm-3mm。

在实际加工中，为了保证零件的质量和取得更快的加工效率，降低热影响区对工件变 形的影响，就会产生最优加工路径的问题。在激光切割加工过程中，切割路径和切割速度 将决定切割加工的时间。在切割速度一定的情况下，激光切割路径的选取将直接影响切割 加工的时间，从而影响切割加工的效率。这一优化的路径不仅要使切割行程尽可能短（含 空行程），而且还应该考虑在该路径下切割的过程中产生的工件热量的影响，而将这两方 面有机的结合行程真正的适合激光切割过程的路径才是最优实用价值的。这与具体产品加 工中零件的定位、装夹、排料方式、材质厚度、切割参数等相关。

具体实施例：

目标产品：燃气轮机燃烧室薄壁件，厚度为1.5mm的高温超级合金材料，

加工内容：空间复杂变截面加工。

步骤一：根据产品设计图纸进行CAD三维建模，如图2；

步骤二：选择步骤一所述三维模型中用于定位的型面，确定定位支撑单元，并对定位 支撑单元进行参数化设计，并对支撑定位单元进行后续处理，如图3和4；

步骤三：根据步骤二获得的定位支撑单元，利用激光加工制造定位支撑单元；

步骤四：将待加工工件装配到定位支撑单元中，令装配后的待加工件和定位支撑单元 组成加工状态单元，如图5；

步骤五：确定加工状态单元中的加工基点，即P1、P2和P3，如图5；

步骤六：根据待加工工件允差条件，加权处理激光加工路径参数，通过仿真模拟加工 路径确定最优加工路径，如图6；

步骤七：调试工件加工程序，进行待加工工件的加工。

经过参数化优化的激光加工路径，较之示教方式形成的加工路径更加准确，可重复性稳定， 保证了批次产品质量合格且状态稳定，如图7所示，一次找正的使用方式也极大提高了加 工效率。