基于特征驱动的薄壁回转体构件自适应壁厚补偿方法

《Machines》：Feature-Driven Adaptive Wall-Thickness Compensation for Large Rotational Thin-Walled Components

　　

加工变形会导致大型薄壁回转体构件局部壁厚产生变化，而内表面难以触及使得测量与补偿困难。本研究利用未受相关工序加工的、可触及参考区域上的原始测量点（raw points, RPs），结合参考厚度，重建局部内轮廓型面。依据工艺特征将构件分区，并将各分区内的偏差整理为轴向序列。选取满足最大残差阈值的最低阶多项式，将由此获得的连续补偿函数映射至加密后的数控（numerical control, NC）刀轨。在一个航空发动机格栅壳体上，将三个自适应补偿区域与三个人工调整区域进行比较。自适应组的平均区域壁厚极差和样本标准差分别降低了67.9%和73.4%。自适应组全部42个检测点均满足1.10–1.40 mm的公差要求，而人工组仅有32个点合格。从完成测量到数据加工及NC程序再生，自适应流程耗时约6分钟，而人工流程至少需要2小时，效率提升约95%。这些结果表明，该方法能够有效改善所测试壳体的壁厚均匀性与加工程序准备效率。

研究背景与问题

大型薄壁回转体构件广泛用于航空发动机，其壁厚均匀性对结构性能和重量控制至关重要。由于构件刚度低，实际加工中的装夹载荷、残余应力释放和热效应会导致工件几何偏离名义设计，若按名义刀轨切削，实际材料去除量会失当，造成局部壁厚超差。同时，这类构件的内表面通常被筋条、凸台等特征遮挡，难以直接接触测量，限制了误差信息的获取。现有研究虽涉及超声测厚、变形预测、误差抑制和补偿策略，但在如何利用有限的可触及外表面参考区域重建内轮廓、将离散测量值转化为连续的区域性修正并映射至已有数控（NC）刀轨方面，仍缺乏系统性方法。为此，研究人员提出一种特征驱动的自适应壁厚补偿方法，旨在解决参考区域受限条件下误差获取与补偿程序生成的衔接问题。

研究内容与结论

研究人员在一台配备SIEMENS 840D sl系统的IBARMIA T16五轴加工中心上开展实验，使用雷尼绍OMP60触发式测头进行机上测量，并开发了基于Python 3.9.16的自研软件用于区域误差处理和刀轨补偿。实验对象为一个钛合金航空发动机混合器格栅壳体，其名义横向包络尺寸约为1036 mm，目标壁厚1.20 mm，允许公差范围1.10–1.40 mm。壳体沿周向划分为28个纵向加工区域，其中相邻的六个区域（R01–R03为自适应补偿组，R04–R06为人工调整组）用于对比验证。所有加工参数在两组的加工过程中保持一致。实验结果显示，自适应组的平均区域壁厚极差为0.117 mm，较人工组的0.363 mm降低67.9%；平均样本标准差为0.033 mm，较人工组的0.1241 mm降低73.4%。自适应组全部42个检测点均在1.13–1.25 mm范围内，完全满足公差要求，而人工组仅有32个点（76.2%）合格。此外，从测量数据可用到生成新的补偿程序，自适应流程耗时约6分钟，而人工流程至少需要2小时，效率提升约95%。这一结果表明，该方法能显著提高壁厚均匀性和程序准备效率，适用于具备合适未加工参考区域的大型薄壁回转体构件。

主要关键技术方法

1. 1.
   参考区域识别与测量路径规划：依据工艺特征区分材料去除区与可触及参考区，将构件沿周向划分为纵向加工分区，并在每个分区内沿轴向采样原始测量点（RPs），采用交替N形遍历路径减少空行程。
2. 2.
   局部内轮廓重建与区域误差建模：利用RPs坐标和参考厚度重建局部内轮廓位置，计算各分区内轴向截面上的法向偏差，并通过截面内多点平均获得轴向偏差序列。
3. 3.
   残差基多项式阶次选择：将轴向坐标归一化后，从一阶开始逐次增加多项式阶次，直至最大拟合残差首次低于预设阈值（本例设为0.075 mm），确定各分区的最优拟合阶次。
4. 4.
   刀轨加密与NC程序生成：将原始刀轨段按最大步长（2 mm）加密，在每个加密刀位点上代入对应分区的拟合函数计算补偿值，沿局部法线方向修正刀位点坐标，最终生成包含补偿指令的NC程序。

研究结果

1. 多项式阶次选择与拟合性能

在R01–R03三个自适应区域中，各有13个轴向偏差输入。R01的三阶模型最大残差为0.08086 mm，超出阈值0.075 mm，四阶模型降至0.03326 mm，故选定阶次为四；R02和R03的三阶模型均满足阈值要求，选定阶次均为三。三区域的留一法内部预测最大误差分别为0.07476、0.06013和0.04376 mm，表明所选阶次具有良好的泛化能力。

2. 壁厚均匀性对比

人工调整组R04–R06的区域壁厚极差分别为0.36、0.36和0.37 mm，平均0.363 mm；样本标准差分别为0.1224、0.1239和0.1260 mm，平均0.1241 mm。自适应组R01–R03的区域壁厚极差分别为0.12、0.11和0.12 mm，平均0.117 mm；样本标准差分别为0.0363、0.0314和0.0312 mm，平均0.033 mm。相较于人工组，自适应组的平均区域极差降低67.9%，平均样本标准差降低73.4%。

3. 公差符合率

人工组42个检测点中32个满足1.10–1.40 mm公差，符合率为76.2%。自适应组全部42个检测点均在1.13–1.25 mm范围内，符合率为100%，提升了23.8个百分点。

4. 效率对比

从获得测量结果到生成新的补偿程序，自适应自动化流程耗时约6分钟（含数据传输处理约4分钟、程序生成约2分钟），而人工流程至少需2小时，效率提升约95%。

5. 误差敏感性分析

参考厚度输入偏差对重建偏差的敏感度系数为1，即|?Δd/?t₀| = 1，意味着微小的参考厚度偏差会直接传递至补偿输入。对于本案例中约10 mm厚的参考肋条，基于代表性Ti–6Al–4V弹性模量110 GPa和泊松比0.34，假设某一面内应力分量变化40–60 MPa，线性弹性估计的参考肋条厚度变化仅为1–2 μm，在总误差预算中可忽略。角度对准偏差的影响为二阶项，即t₀(1-cosΔθ) ≈ t₀(Δθ)²/2，在小角度下影响有限。

总结与讨论

讨论部分指出，该方法将源自原始测量点的偏差直接映射至已有刀轨，而传统表面重构方法则通过更新加工曲面施加修正。对于所测试壳体，可触及参考区域与各分区内的轴向拟合实现了几何测量与补偿程序生成的衔接。该方法的应用前提包括：存在合适的未加工参考区域、参考厚度可靠、有足够有效的测量点、各分区内周向误差变化可控。局限性在于：无法消除后续切削过程中的变形、对已完成区域的影响、采样间隙内的预测未经独立验证，以及本实验仅针对单个钛合金壳体，未涵盖不同毛坯状态或残余应力状态，且未记录刀具磨损（V_B）或对加工顺序进行随机化，因此无法定量排除这些因素的干扰。

研究结论

本研究开发了一种面向大型薄壁回转体构件的特征驱动壁厚补偿方法。利用可触及的未加工参考区域提供原始测量点用于局部内轮廓重建，通过区域平均和残差基多项式阶次选择获得连续的轴向修正，并将其映射至现有数控刀轨。这种组合解决了参考可达性与区域性修正的需求，无需完整的内表面重建。在一个格栅壳体上，自适应组的平均区域壁厚极差和样本标准差较人工组分别降低67.9%和73.4%，全部检测点均满足公差要求，数据处理与程序再生效率提升约95%。该方法适用于具备合适未加工参考区域、参考厚度可靠、有效测量点充足且分区内周向误差变化可控的构件。当构件尺寸、变异尺度或公差要求发生变化时，应重新评估分区角度、采样步长和拟合残差阈值。本单案例研究不能推广至不同毛坯或实验验证的参考厚度不确定性上限，加工顺序和刀具磨损的影响也未排除。未来应在多个毛坯和残余应力状态下开展进一步验证，并纳入阶段性的刀具磨损测量以及交替或随机的策略顺序安排。