某增壓級靜子葉片加工技術(shù)研究

葛術(shù)宇　郭富麗

摘 要：葉片做為影響氣動性能的主要部件，在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)制造過程中占有舉足輕重的地位。葉片的形狀直接影響發(fā)動機(jī)的氣流流動性能，近年來隨著發(fā)動機(jī)性能的提升，葉片形狀越來越復(fù)雜。本文論述了某增壓級靜子葉片的加工、檢測難點(diǎn)及解決辦法。

關(guān)鍵詞：葉片；端彎；加工；檢測

0引言：葉片是航空發(fā)動機(jī)的重要部件，是提供發(fā)動機(jī)動力的重要部件，在航空發(fā)動機(jī)制造中比重約占百分之三十。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，葉片形狀越來越復(fù)雜，這樣給葉片的加工與檢測帶來極大困難。傳統(tǒng)的加工、檢測方法已經(jīng)無法滿足新型葉片的加工需要，為滿足新型發(fā)動機(jī)葉片制造需要探索一種新的加工、檢測方法勢在必行。

1 技術(shù)條件分析

1.1 零件特性

該葉片葉根、葉尖相對于葉型積疊軸分別彎曲約30°和50°屬于端彎偏心葉片。葉片材料為鈦合金屬難加工材料

1.2 零件主要技術(shù)特性

緣板公差分別為0.03和0.04；葉身型面進(jìn)排氣邊緣5mm長度內(nèi)，型面輪廓度分別允許減薄0.02mm以內(nèi)或增厚0.06mm以內(nèi)；中間部位型面輪廓度分別允許減薄0.06mm以內(nèi)或增厚0.06mm以內(nèi)；葉型的允許扭轉(zhuǎn)角度偏差值為±15′；葉身型面相對于積疊軸的位置度為？0.35；葉身型面表面粗糙度為Ra0.4。

1.3 類似葉片加工現(xiàn)狀

傳統(tǒng)類似葉片機(jī)加工藝使用大量專用夾、量具，研制周期長，而且多套夾具與測具裝夾重復(fù)性差，加工精度難以保證；葉身型面依賴兩次手工拋光保證葉型最終設(shè)計(jì)尺寸，加工過程受人為影響較大，葉片加工精度較低；型面測量采用型面測具、樣板和推規(guī)、外卡，無法滿足新一代葉片的檢測需求。

2 緣板葉身一體化加工

2.1毛料形式的選擇

就幾何形狀而言，葉片是由多個(gè)不規(guī)則幾何體構(gòu)成的多邊體。如何在加工和測量過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裝夾和精確定位是精密加工的關(guān)鍵，而葉片本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其自身無法提供出便捷的可供精密加工的定位基準(zhǔn)，需要借助“外來基準(zhǔn)”，通過實(shí)際加工證明毛料預(yù)留工藝臺是一種十分有效的方式。選用工藝臺做為基準(zhǔn)具有裝夾穩(wěn)定、加工基準(zhǔn)統(tǒng)一、定位準(zhǔn)確和節(jié)省工裝數(shù)量、降低工裝設(shè)計(jì)制造難度等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 工藝臺的選擇

在定制毛料工藝臺時(shí)應(yīng)從尺寸和相對位置來考慮。一般來說工藝臺尺寸越大在后續(xù)加工過程中定位越準(zhǔn)確。但工藝臺大小受毛料鍛造工藝、所要求葉身余量和制造成本等因素影響，總體說來工藝臺橫截面積不應(yīng)大于最厚葉身處橫截面積。工藝臺對于葉身榫頭的相對位置對于未來葉片加工尤為重要。因?yàn)槿~片型面在數(shù)控銑削時(shí)為螺旋加工，首先要保證葉片中心線與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心重合，所以要靠慮到工藝臺、夾具和機(jī)床回轉(zhuǎn)中心之間的位置關(guān)系。其次應(yīng)力求工藝臺去除余量較小而且盡量沒有臺階差。但是如果葉片葉尖部相對于榫頭或緣板彎曲過大，那么就不應(yīng)該強(qiáng)求工藝臺之間不允許存在臺階差，否則會造成葉片延長部分過于彎曲而不利于加工。最后通過工藝臺還要盡量保證葉片在旋轉(zhuǎn)過程中的平衡性。

2.3 工藝臺的加工

本級葉片工藝臺采用數(shù)控銑的方法進(jìn)行加工。從使用工裝角度可分為快換工裝和組合工裝兩種。組合工裝的優(yōu)點(diǎn)是所需夾具結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是需要變換不同的工位進(jìn)行加工，所需工序較長，而且不同的加工順序加工結(jié)果不同。這里應(yīng)該注意的是在零件裝夾過程中由于工藝臺表面是毛料表面，如果在加工過程中采用工藝臺互為基準(zhǔn)的定位方式則定位表面應(yīng)該采用“頂”的方式，夾緊面采用“壓”的方式，而且壓緊面應(yīng)小于定位面，同時(shí)壓緊力不應(yīng)大于頂緊力。

2.4葉身、緣板一體化加工

一般來說葉身型面測量基準(zhǔn)為緣板上的面，所以葉身與緣板之間有著嚴(yán)格的位置關(guān)系。葉身、緣板若分開加工可能會引進(jìn)誤差，同時(shí)由于緣板多為不規(guī)則形狀，所以將會為裝夾定位帶來困難，而且也會加大工裝的設(shè)計(jì)和制造難度。基于上述原因的考慮，在某增壓級一級靜子葉片研制過程中采用了緣板葉身一體化加工技術(shù)。該方法通過一次裝夾完成緣板與葉身全部加工，有效地保證了葉身緣板之間的相互精度。

近年來葉片形狀逐漸向弱剛性體、大扭角化發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)的裝夾方式和夾具系統(tǒng)的功能是解決葉片數(shù)控加工變形，保證數(shù)控加工精度的主要途徑。

夾具充分考慮葉片變形等因素，力求在裝夾過程中保持“自由”狀態(tài)，有效減少了裝夾帶來的變形。葉片毛料狀態(tài)時(shí)余量一般在1.5～2mm之間為了消除加工產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)防止應(yīng)力釋放變形，需要在粗加工之后預(yù)留0.3～0.5mm的余量進(jìn)行熱處理。加工過程中，葉片緣板加工采用UG編程，葉身加工采用葉片專用軟件編程，在加工過程中運(yùn)用了數(shù)控?zé)o余量加工技術(shù)，改變了傳統(tǒng)依靠拋光保證最終型面的加工模式。避免了因拋光產(chǎn)生的削邊、方頭和縮頸現(xiàn)象的產(chǎn)生，大大提高了葉片的氣動性能。加工軌跡示意圖如圖2.6所示。加工順序由剛性薄弱區(qū)向剛性好的區(qū)域進(jìn)行加工。表2.8為葉身精加工順序和所留余量

3 測量

公司多年以來已經(jīng)形成了一套完備的葉型測量方案，型面測具、樣板、推規(guī)、外卡和榫高型座是測量葉型的“標(biāo)配”。但隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展葉片形狀向“端彎”、“扭轉(zhuǎn)”化發(fā)展，葉型進(jìn)排氣邊緣由圓型逐漸向橢圓形發(fā)展，傳統(tǒng)的測量方法已經(jīng)無法滿足測量需要。在本次增壓級一級靜子葉片研制過程中采用了三坐標(biāo)測量法，極大地提高了零件的檢測精度和可靠性。該葉片三坐標(biāo)檢測技術(shù)包括基于CAD模型引導(dǎo)的非型面特征部位檢測技術(shù)和Blade型面檢測技術(shù)，前者用于測量安裝板內(nèi)側(cè)面尺寸，后者用于葉片型面測量，兩者的核心都是高精度坐標(biāo)系的建立方法。

該葉片的裝配基準(zhǔn)為安裝板和內(nèi)側(cè)面，測量坐標(biāo)系則必須以此為主基準(zhǔn)。安裝板狹窄、面積小，葉身與安裝板在徑向長度之比高達(dá)20：1，以安裝板為單一基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系評價(jià)葉身會使位置度成倍放大，因此必須考慮在葉身上取一元素構(gòu)建聯(lián)合基準(zhǔn)，這種基準(zhǔn)小的葉片類似全葉型葉片，建立測量坐標(biāo)系應(yīng)使用迭代法.

從模型安裝板周邊、葉身及流道表面共取6個(gè)點(diǎn)，安裝板上分布3點(diǎn)、葉身2點(diǎn)、流道表面1點(diǎn)作為理論點(diǎn)，建立0.01mm精度、5mm搜索半徑的迭代坐標(biāo)系。執(zhí)行程序，對應(yīng)著在零件上采集與6點(diǎn)相近的點(diǎn)，運(yùn)行到坐標(biāo)系命令后會反復(fù)采集，一直迭代至與理論點(diǎn)誤差在0.01mm范圍內(nèi)。若零件加工的狀態(tài)與模型理論差距比較大時(shí)，程序會提示超差，通過評價(jià)每個(gè)點(diǎn)的位置度來觀察其X、Y、Z方向的偏離程度，視其對坐標(biāo)系的影響程度來決定是否使用。6點(diǎn)分布在安裝板、流道表面及葉型上，點(diǎn)數(shù)比重保證安裝板為最大，流道表面選取1點(diǎn)，葉身取2點(diǎn)校正姿態(tài)，完全限制6個(gè)自由度。此方法已不再依賴工藝臺為測量基準(zhǔn)，不再受其精度限制，僅以加工后葉片本身為基準(zhǔn)，解決了葉片作為自由曲面而難以測量的難題，可稱謂一種通用的坐標(biāo)系建立方法。葉片型面檢測需要PC-DMIS、BLADE和BLADERUNNER三個(gè)軟件配合才能完成，BLADERUNNER軟件作為核心，調(diào)用PC-DMIS軟件執(zhí)行測量程序，調(diào)用BLADE軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，如圖3.2所示。

完成一葉型測量必須準(zhǔn)備坐標(biāo)系文件、四個(gè)BLADE文件和通用測量程序。坐標(biāo)系文件是坐標(biāo)系建立程序執(zhí)行完成后保存得一個(gè)*aln文件，在通用測量程序中通過調(diào)用外部坐標(biāo)系來加載； 四個(gè)BLADE文件分別為理論文件、算法文件、公差文件和操作者文件，都是在BLADE軟件中創(chuàng)建，PC-DMIS軟件會調(diào)用其中文件內(nèi)容完成循環(huán)測量；通用測量程序是一循環(huán)測量程序，會根據(jù)*nom文件中各截面數(shù)量及參數(shù)來完成測量。

4結(jié)論

在某增壓級靜子葉片的研制過程中，分別運(yùn)用了緣板葉身一體化加工技術(shù)、隨形夾具技術(shù)、數(shù)控?zé)o余量加工技術(shù)和三坐標(biāo)測量技術(shù)。與傳統(tǒng)方法比較，這些新工藝的推廣應(yīng)用能夠極大地縮短加工周期，同時(shí)提高葉片的加工質(zhì)量。