薄壁葉片葉型多工序加工檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒎椒?/h1>
2019-12-09 06:10:54藺小軍崔彤楊碧穎楊銳辛?xí)赠i
航空學(xué)報(bào) 2019年11期
藺小軍，崔彤，楊碧穎，楊銳，辛?xí)赠i
1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072 2.中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 221116
葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著直接的影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片一般采用薄壁結(jié)構(gòu)；葉身型面多為自由曲面，具有彎掠特點(diǎn)；且材料采用鈦合金等難加工材料，在葉片加工時(shí)極易產(chǎn)生變形。因此減小薄壁葉片加工變形誤差是保證葉片加工質(zhì)量的關(guān)鍵問題?？刂迫~片加工變形的工藝方法有多種[1-2],其中加工變形誤差補(bǔ)償是最有效的方法之一。目前有許多學(xué)者對(duì)變形誤差補(bǔ)償進(jìn)行了深入的研究。Wang和Sun[3]提出使用無干涉的刀具路徑來預(yù)測(cè)和補(bǔ)償葉片螺旋銑削過程中的變形誤差；Altintas等[4]針對(duì)高柔性渦輪葉片銑削中產(chǎn)生的變形導(dǎo)致葉片不合格問題，提出了葉片加工數(shù)字仿真與補(bǔ)償模型的建立方法；Ratchev等[5-6]提出集成切削力和變形模擬預(yù)測(cè)表面誤差的新方法，同時(shí)結(jié)合有限元分析技術(shù)開發(fā)出了薄壁零件切削加工模擬系統(tǒng)；Wang等[7-8]提出了基于在機(jī)測(cè)量技術(shù)的葉輪參數(shù)優(yōu)化方法，避免了重新裝夾產(chǎn)生的測(cè)量誤差。同時(shí)研究了薄壁零件在線測(cè)量和余量補(bǔ)償?shù)男路椒?，提高了薄壁葉片的加工精度；單晨偉等[9]針對(duì)數(shù)控加工中懸臂葉片的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形等問題，提出一種非均勻余量剛度補(bǔ)償方法。目前的變形誤差補(bǔ)償研究都是針對(duì)單道工序開展的，特別是數(shù)控銑削工序的變形誤差補(bǔ)償技術(shù)，已經(jīng)有研究人員取得了相應(yīng)的成果[10-13]，但針對(duì)多工序的加工誤差補(bǔ)償技術(shù)尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
數(shù)控加工是葉片制造中應(yīng)用最廣泛的一種加工方法，其中數(shù)控精銑+拋光+振動(dòng)光飾+噴丸強(qiáng)化是典型的葉片型面加工工藝。隨著葉片加工技術(shù)的發(fā)展，葉片型面無余量加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，即精銑工序后葉片型面不再留有加工余量，或只留0.01～0.02 mm的型面拋光量，后續(xù)拋光、振動(dòng)光飾和噴丸強(qiáng)化工序只是提高葉片型面粗糙度和強(qiáng)化表面質(zhì)量。
國內(nèi)對(duì)葉片型面幾何精度的控制通常有兩種方法：第1種是只對(duì)數(shù)控精銑工序后葉片型面進(jìn)行檢測(cè)，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎美碚撃Ｐ?即圖紙要求的葉片模型)；第2種是對(duì)每道工序均進(jìn)行檢測(cè)，且檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途捎美碚撃Ｐ?。這兩種做法都有可能造成檢驗(yàn)結(jié)論的誤判。第1種方法可能出現(xiàn)數(shù)控精銑工序合格，而經(jīng)過后續(xù)工序加工葉片終檢超差的情況。因?yàn)槿~片圖紙給出的是葉片型面最終允許的誤差，雖然精銑是形成葉片型面精度的主要工序，但不是最終工序，后續(xù)的拋光、振動(dòng)光飾、噴丸等工序也會(huì)對(duì)葉片型面精度產(chǎn)生影響。所以用圖紙給出的誤差要求作為中間加工工序——精銑工序的檢驗(yàn)要求會(huì)造成誤判。第2種方法可能出現(xiàn)中間工序不合格，通過后續(xù)工序可以彌補(bǔ)加工誤差而最終符合圖紙要求，但是會(huì)由于中間工序不合格而被提前判定為廢品。所以為了保證葉片加工工序合格且終檢合格，必須重新給出每道工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚣庸ひ蟆?/p>
本文以薄壁葉片典型加工工藝數(shù)控銑削、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化為研究對(duì)象。通過分析多工序變形誤差規(guī)律，結(jié)合反變形誤差補(bǔ)償原理，提出了薄壁葉片多工序加工檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎椒ā?/p>
1 薄壁葉片加工工藝及變形誤差規(guī)律
1.1 葉片葉型誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-15]
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面誤差評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括葉片截面線參數(shù)和截面線形位誤差參數(shù)，工程上常給出圖1所示的葉片加工截面線公差示意圖。圖中：X、Y為直角坐標(biāo)系，X方向?yàn)檫^發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的徑向面方向；U平行于弦線方向，V垂直于U交于積疊點(diǎn)；Rq為前緣半徑；Rh為后緣半徑；D為葉片最大厚度；a為葉片水平向弦長；b為葉片弦長；α為葉片方向角。通常加工技術(shù)要求允許各截面線相比理論截面線因變形而扭轉(zhuǎn)在±h內(nèi)。
葉片截面線參數(shù)主要包括：中弧線、弦長、弦傾角、緣頭半徑等。其中弦長是葉片截面線參數(shù)的固有屬性之一，能直觀反映出葉片的寬度大小；而葉片截面線形位誤差參數(shù)主要包括輪廓度、位置度和扭轉(zhuǎn)角。輪廓度誤差是葉片型面形狀評(píng)估指標(biāo)中最常用的參數(shù)[16]。輪廓度指被測(cè)量物體實(shí)際輪廓相比理想狀態(tài)輪廓的變動(dòng)情況。葉片型面輪廓度可分為前后緣輪廓度和葉盆葉背輪廓度，由于葉片緣頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流性能的影響十分明顯，因此在葉片設(shè)計(jì)中對(duì)前后緣輪廓度誤差要求更為嚴(yán)格。位置度主要指葉片截面積疊點(diǎn)的位置變化情況，其直接影響著葉片的彎曲變形。位置度誤差可表示為積疊點(diǎn)分別沿X、Y方向的移動(dòng)量，當(dāng)葉片發(fā)生彎曲變形時(shí)，需要測(cè)量每個(gè)截面積疊點(diǎn)的移動(dòng)是否超出其公差帶范圍內(nèi)。扭轉(zhuǎn)誤差反映了葉片型面扭轉(zhuǎn)變形的情況，將葉片的測(cè)量截面線與理論截面線進(jìn)行二維配準(zhǔn)定位，若不存在誤差，則測(cè)量截面線與理論截面線應(yīng)完全重合，但實(shí)際工程中總會(huì)產(chǎn)生加工誤差，因此從葉片理論模型截面線沿積疊軸轉(zhuǎn)到測(cè)量模型截面線的旋轉(zhuǎn)量即為扭轉(zhuǎn)誤差。下文主要對(duì)葉片型面誤差評(píng)價(jià)參數(shù)中的輪廓度、位置度和扭轉(zhuǎn)等3個(gè)關(guān)鍵的表征參數(shù)進(jìn)行研究分析。
圖1 葉片截面線公差Fig.1 Tolerance of blade section line
1.2 薄壁葉片加工工藝過程
薄壁葉片屬于復(fù)雜精密類零件，其加工與檢驗(yàn)過程是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程。葉片加工由多道工序完成，相關(guān)工況與前續(xù)工序的加工質(zhì)量會(huì)影響當(dāng)前加工特征的完成質(zhì)量，通過加工特征的演變，誤差被傳遞，最終零件的質(zhì)量由全部工序的相互影響來決定。
葉片型面典型加工工藝如圖2所示，毛坯粗加工以快速切除毛坯余量為目的，控制葉片加工的形狀特點(diǎn)和尺寸大??；精加工以控制形狀和尺寸精度為目的，決定終檢葉片的表面質(zhì)量和形狀精度。其中精銑是形成葉片型面精度的主要工序，但不是保證最終加工質(zhì)量的最后工序[17]。后續(xù)的拋光、振動(dòng)光飾、噴丸等工序是形成薄壁葉片最終質(zhì)量和表面完整性的重要工序，保證了葉片型面的最終加工質(zhì)量。其中拋光是利用磨料與工件表面不斷接觸來消除刀具加工后殘留的加工紋路，降低加工表面粗糙度；振動(dòng)光飾[18]利用零件與研磨石相互研磨進(jìn)行零件表面精整，獲得平整光澤加工表面；噴丸強(qiáng)化處理是利用高速運(yùn)動(dòng)彈丸流對(duì)金屬表面的沖擊，提高飛機(jī)零部件的表面完整性、可靠性和耐久性。因此對(duì)薄壁葉片面向多工序的加工工藝研究不僅要考慮精銑工序的加工誤差補(bǔ)償，還要考慮其余工序之間誤差的疊加與抵消情況。
圖2 葉片加工流程Fig.2 Flow chart of blade processing
1.3 多工序變形誤差規(guī)律分析
在保證工藝穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，各工序變形具有一定規(guī)律性,文獻(xiàn)[19]對(duì)葉片實(shí)際加工變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過總結(jié)各工序相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，從而對(duì)后續(xù)的誤差補(bǔ)償或修正奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)采用薄壁葉片典型加工工藝對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ級(jí)葉片進(jìn)行批次加工，選擇17個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量分析。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片的7條截面線進(jìn)行測(cè)量，截面線按等高法分布，從葉根至葉尖部位分別標(biāo)記為截面線1～7，如圖3所示。測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑為1 mm，一條截面線測(cè)量400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，前后緣分布較為密集，葉盆葉背分布比較稀疏。利用評(píng)價(jià)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后從中挑選出6個(gè)代表性葉片的分析結(jié)果，求解各工序相關(guān)測(cè)量參數(shù)變形量的平均值。通過對(duì)各工序輪廓度、位置度、扭轉(zhuǎn)角、弦長參數(shù)變形量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得到每道工序的變形誤差規(guī)律。
圖3 葉片截面線分布示意圖Fig.3 Diagram of blade section line distribution
在工藝穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，分析葉片在各個(gè)工序中每個(gè)參數(shù)的變形情況，得到葉片在該工序中具有共性變化的參數(shù)和參數(shù)變化規(guī)律，作為后續(xù)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。對(duì)沒有變化規(guī)律的參數(shù)，即隨機(jī)性和離散性較大的參數(shù)不做進(jìn)一步分析。實(shí)驗(yàn)中6個(gè)葉片樣本可以滿足統(tǒng)計(jì)各工序變形規(guī)律的要求。
數(shù)控精銑是保證葉片型面形狀的加工工藝過程。由于葉片各部位的剛度分布不均勻,從而導(dǎo)致葉身受力變形的規(guī)律性較差[20]，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)控精銑工序前后的輪廓度、位置度、弦長等表征參數(shù)變化量均值較大，但無明顯規(guī)律，而扭轉(zhuǎn)角的變化影響不大，如圖4(a)所示。
拋光工序是精銑后無余量加工中一道非常重要的工序，主要是為了消除銑削加工后殘留的刀具紋路，從而獲得較好的表面質(zhì)量。受拋光磨料的作用，葉型輪廓度影響較大，拋光后葉片變薄0.01～0.02 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，拋光工序后葉盆輪廓度變化量離散程度較大且無明顯規(guī)律，弦長參數(shù)變化量較為穩(wěn)定，而對(duì)位置度、扭轉(zhuǎn)參數(shù)的影響較小，如圖4(b)所示。
振動(dòng)光飾是改善加工表面應(yīng)力分布以及提高表面抗疲勞強(qiáng)度的加工過程。受磨料振動(dòng)加工的作用，對(duì)葉片型面弦長參數(shù)影響最為明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，輪廓度、位置度變化量無明顯規(guī)律，扭轉(zhuǎn)變化量較小，而弦長變化量逐漸減少。從-0.05 mm變化到-0.14 mm，如圖4(c)所示。
噴丸強(qiáng)化是葉片典型加工工藝中的最后一道工序，其主要形成一定厚度的加工強(qiáng)化層。受高速彈丸流的噴射作用，噴丸強(qiáng)化對(duì)扭轉(zhuǎn)參數(shù)的影響最為明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，噴丸后扭轉(zhuǎn)角變化量逐漸減少，從-0.03°變化為-0.24°。而其他參數(shù)變化量較小且無明顯規(guī)律，如圖4(d)所示。
圖4 各工序變形規(guī)律Fig.4 Deformation law of each process
2 加工模型與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎椒?/h2>2.1 誤差補(bǔ)償值的適用性判定原則
獲得參數(shù)變化規(guī)律后，需要確定各工序的誤差補(bǔ)償值。研究提出將多工序綜合加工變形誤差作為建立精銑加工模型的誤差補(bǔ)償值；將各工序加工前后參數(shù)變化量的均值作為建立各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼`差補(bǔ)償值。但測(cè)量數(shù)據(jù)通常來源于多個(gè)葉片，具有一定的隨機(jī)性和離散性。因此需要制定誤差補(bǔ)償值的適用性判定原則，利用該原則來判斷建立精銑加工模型和各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼`差補(bǔ)償值是否能夠補(bǔ)償。制定的判定原則有兩個(gè)，分別為離散程度原則和算數(shù)平均值大小原則。
離散程度原則要求在考慮工藝系統(tǒng)能力時(shí)，參數(shù)誤差值的最大變化范圍仍然小于給定的公差帶范圍。基于實(shí)測(cè)參數(shù)且考慮工藝系統(tǒng)加工能力下參數(shù)誤差值的范圍為
Q=[μ-3σ-kσ′，μ+3σ+kσ′]
(1)
式中：μ為數(shù)據(jù)的均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；σ′為由工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性求得的標(biāo)準(zhǔn)差；k可自定義取值3、4、5、6，默認(rèn)為6。其中σ′由工序能力指數(shù)推導(dǎo)
σ′=min{(USL-μ),(μ-LSL)}/(3CPK)
(2)
式中：USL、LSL分別為參數(shù)的公差上下限；CPK為工序能力指數(shù)。
則離散程度原則可表示為
(μ+3σ+kσ′)-(μ-3σ-kσ′)=6σ+2kσ′≤
USL-LSL
(3)
|μ-(USL-LSL)|>(USL-LSL)/4
(4)
|μ|>(USL-LSL)/4
(5)
當(dāng)誤差補(bǔ)償值滿足離散程度原則和算數(shù)平均值大小原則，則該誤差補(bǔ)償值可用于模型的修正和建立中;否則不能應(yīng)用于誤差補(bǔ)償之中。
2.2 數(shù)控精銑加工模型的建立
數(shù)控精銑的加工模型是指在數(shù)控編程時(shí)采用的數(shù)字模型[21]，即根據(jù)三維實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)控編程。精銑加工模型對(duì)葉片的最終型面質(zhì)量影響甚大，所以對(duì)精銑加工模型的變形誤差補(bǔ)償尤為重要。建立加工模型是根據(jù)加工誤差對(duì)理論模型修正得到，將數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化等4個(gè)工序的加工誤差看作一個(gè)整體誤差對(duì)精銑加工模型進(jìn)行變形誤差補(bǔ)償。假定加工過程中輪廓度、位置度、扭轉(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值分別用F、E、H表示，則數(shù)控精銑加工模型的誤差補(bǔ)償量ε可表示為ε=[FEH]。數(shù)控精銑的加工補(bǔ)償值是各工序加工誤差的累加，其表達(dá)式為
(6)
式中：i=1, 2, 3, 4；依次表示4個(gè)工序，分別為數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化
當(dāng)獲得的整體變形誤差值滿足2.1節(jié)的兩大判定原則后。利用反變形誤差補(bǔ)償原理[22]對(duì)精銑加工模型進(jìn)行修正，即根據(jù)測(cè)量獲得的零件加工表面相關(guān)參數(shù)的誤差值來修正加工模型，其補(bǔ)償原理如圖5所示。
圖5 反變形補(bǔ)償原理Fig.5 Inverse deformation compensation principle
在不改變?cè)械牡湫图庸すに嚵鞒痰幕A(chǔ)上，根據(jù)上述分析可以建立精銑加工模型誤差補(bǔ)償流程，如圖6所示。其中h為經(jīng)驗(yàn)值，第1次補(bǔ)償時(shí)h=0；若補(bǔ)償后加工零件的誤差值仍不滿足公差要求，則可根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整h值。直到滿足葉片加工要求，即可根據(jù)補(bǔ)償后的加工模型修正加工程序。
圖6 精銑加工模型建立流程Fig.6 Flow chart for establishing machining model for finishing milling
2.3 工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>
檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯脕碓u(píng)價(jià)零件實(shí)際狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)的偏差。在葉片生產(chǎn)中，為了判斷加工工序是否合格，必須進(jìn)行工序檢驗(yàn)。目前工程上普遍采用理論模型作為工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停淇赡軐?dǎo)致工序合格而終檢超差的結(jié)果。為了確保工序合格且終檢合格，需要對(duì)各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ妥龀鲂拚?。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衫碚摻孛婢€和公差要求組成，建立工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪且罁?jù)各后續(xù)工序變形情況對(duì)理論模型或公差(偏差)修正得到。
以理想狀態(tài)下某葉片截面線的前緣為例。為了保證噴丸后即終檢時(shí)葉片型面質(zhì)量合格，由于噴丸過程中葉片變形，就要使光飾后的葉片與理論模型有一定偏差量，如圖7所示。且偏差值為噴丸產(chǎn)生的加工變形誤差，因此振動(dòng)光飾工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)受噴丸變形量的影響。以此類推，拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)受光飾和噴丸工序變形量累加的影響，而數(shù)控精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芎罄m(xù)拋光、振動(dòng)光飾及噴丸工序的加工變形量累加的影響。
圖7 理想狀態(tài)下葉片前緣檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比Fig.7 Comparison of inspection models for leading edge of blade under ideal conditions
根據(jù)以上分析，基于“倒推”思想可以得出各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒘鞒?，如圖8所示。利用反變形誤差補(bǔ)償原理即可計(jì)算出各工序誤差補(bǔ)償后的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。噴丸為最終工序，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔碚撃Ｐ?；振?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓢娡枳冃握`差補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?；拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀晒怙椬冃握`差和噴丸變形誤差的累加補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?，也即為光飾變形誤差補(bǔ)償?shù)秸駝?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?；?shù)控精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓲伖庾冃握`差、光飾變形誤差和噴丸變形誤差的累加補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?，即拋光變形誤差補(bǔ)償?shù)綊伖獾臋z驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕稀?/p>
圖8 各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘鞒蘁ig.8 Flow chart for establishing inspection model for each process
當(dāng)各工序的變形誤差值滿足2.1節(jié)的兩大判定原則后，即可對(duì)各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行修正。由于噴丸為最終工序，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔碚撃Ｐ?，即檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禐?。假定其余工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚禐镻={F,E,H}，其中F、E、H可由式(6)所得。當(dāng)計(jì)算振動(dòng)光飾檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禃r(shí)，取i=4；當(dāng)計(jì)算拋光檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禃r(shí)，取i=3，4；當(dāng)計(jì)算數(shù)控精銑檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚禃r(shí)，取i=2，3，4。即可獲得各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚怠?/p>
結(jié)合1.3節(jié)各工序變形誤差規(guī)律分析，噴丸工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樽罱K的理論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，振?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾葒娡璧臋z驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獣?huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償變化，拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾日駝?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁?huì)產(chǎn)生弦長補(bǔ)償變化，最后精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾葤伖鈾z驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獣?huì)產(chǎn)生弦長補(bǔ)償變化和較小的扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償變化。通過計(jì)算其相關(guān)表征參數(shù)的變化量及數(shù)據(jù)規(guī)律原則判斷后，可以做出變形誤差補(bǔ)償后的各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷雀叩慕孛婢€變形補(bǔ)償對(duì)比如圖9所示。
圖9 各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃窝a(bǔ)償對(duì)比Fig.9 Comparison of deformation compensation of inspection model for each process
3 實(shí)例驗(yàn)證
以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)葉片的扭轉(zhuǎn)角參數(shù)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。工程設(shè)計(jì)圖紙上給出的扭轉(zhuǎn)角的公差帶為±0.167°(±10.02′)。
從粗加工后的批次葉片中隨機(jī)挑選兩組樣件，樣件Ⅰ組(包括11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)葉片)以及樣件Ⅱ組(包括21號(hào)、22號(hào)、23號(hào)葉片)。計(jì)算出數(shù)控銑削加工模型的扭轉(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值及各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐まD(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值。
首先計(jì)算扭轉(zhuǎn)參數(shù)誤差補(bǔ)償值是否滿足兩大判定原則。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算出均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ分別為
(7)
(8)
已知工藝系統(tǒng)的工序能力指數(shù)CPK為1.67，結(jié)合式(2)計(jì)算可得σ′=0.014 0。取k值為6，則由式(1)計(jì)算出基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且加工能力最壞的情況下扭轉(zhuǎn)參數(shù)范圍Q=[-0.198 4,0.004 4]。
已知該批次葉片扭轉(zhuǎn)角公差帶的范圍為0.334°，由式(3)可知滿足離散程度原則，即
0.004 4°-(-0.198 4°)=0.202 8°≤0.334°
同時(shí)由式(4)可知滿足算數(shù)平均值大小原則：
|(-0.097°)-0.334°|>0.083 5°
通過以上計(jì)算，可知該批次葉片扭轉(zhuǎn)參數(shù)的誤差補(bǔ)償值滿足2.1節(jié)的兩大適用性判定原則，即可進(jìn)行扭轉(zhuǎn)參數(shù)的誤差補(bǔ)償。分別建立扭轉(zhuǎn)參數(shù)補(bǔ)償后的數(shù)控銑削加工模型和各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。最后按照?中給出的加工檢驗(yàn)條件分別對(duì)樣件Ⅰ組和Ⅱ組的葉片進(jìn)行加工與檢驗(yàn)。
采用典型加工工藝過程按照條件1、2加工兩組樣件后，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)樣件Ⅰ、Ⅱ兩組葉片分別進(jìn)行測(cè)量，獲得各組葉片的7條截面線數(shù)據(jù)。再用評(píng)價(jià)軟件計(jì)算各截面線的扭轉(zhuǎn)角參數(shù)值，判斷是否滿足檢驗(yàn)要求達(dá)到質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)。
表1 加工檢驗(yàn)條件Table 1 Conditions for processing and inspection
依照條件1加工樣件Ⅰ組后，各工序扭轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果如圖10所示。從圖中可知數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾等工序都滿足扭轉(zhuǎn)誤差的要求，但噴丸強(qiáng)化工序后的扭轉(zhuǎn)誤差超差，從而導(dǎo)致葉片終檢不合格，該組樣件葉片質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。
圖10 銑削工序補(bǔ)償后各工序扭轉(zhuǎn)參數(shù)Fig.10 Torsion parameters of each process after milling process compensation
依照條件2加工樣件Ⅱ組后，修正后的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ凸顜Ш透鞴ば蚺まD(zhuǎn)誤差測(cè)量結(jié)果如圖11所示，從圖中分析可知：在條件2的加工檢驗(yàn)條件下，各工序的檢驗(yàn)均合格，葉片質(zhì)量最終達(dá)標(biāo)。
通過實(shí)例驗(yàn)證可知，所提出的加工檢驗(yàn)條件有效地提高了葉片的加工質(zhì)量，降低了葉片成品的廢品率，保證了葉片工序檢驗(yàn)的合格及終檢的合格。
4 結(jié) 論
1) 以航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁葉片型面數(shù)控銑削、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化的典型加工工藝為研究對(duì)象，提出了一種面向多工序的加工變形誤差補(bǔ)償方法。
2) 分析了各工序的加工變形誤差規(guī)律，制定了補(bǔ)償值的數(shù)據(jù)規(guī)律原則，結(jié)合反變形誤差補(bǔ)償技術(shù)，提出了數(shù)控精銑工序加工模型的建立方法。
圖11 多工序補(bǔ)償后各工序扭轉(zhuǎn)參數(shù)Fig.11 Torsional parameters of each process after multi-stage compensation
同時(shí)在考慮各工序加工變形誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，建立了評(píng)價(jià)各工序加工的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
3) 通過實(shí)例證明了該方法的有效性。所提方法已經(jīng)應(yīng)用于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司某型葉片的加工中，該方法有效地提高了葉片的加工質(zhì)量、降低了葉片成品的廢品率和加工成本。
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藺小軍，崔彤，楊碧穎，楊銳，辛?xí)赠i
1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072 2.中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 221116
葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零部件，其加工質(zhì)量的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著直接的影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片一般采用薄壁結(jié)構(gòu)；葉身型面多為自由曲面，具有彎掠特點(diǎn)；且材料采用鈦合金等難加工材料，在葉片加工時(shí)極易產(chǎn)生變形。因此減小薄壁葉片加工變形誤差是保證葉片加工質(zhì)量的關(guān)鍵問題?？刂迫~片加工變形的工藝方法有多種[1-2],其中加工變形誤差補(bǔ)償是最有效的方法之一。目前有許多學(xué)者對(duì)變形誤差補(bǔ)償進(jìn)行了深入的研究。Wang和Sun[3]提出使用無干涉的刀具路徑來預(yù)測(cè)和補(bǔ)償葉片螺旋銑削過程中的變形誤差；Altintas等[4]針對(duì)高柔性渦輪葉片銑削中產(chǎn)生的變形導(dǎo)致葉片不合格問題，提出了葉片加工數(shù)字仿真與補(bǔ)償模型的建立方法；Ratchev等[5-6]提出集成切削力和變形模擬預(yù)測(cè)表面誤差的新方法，同時(shí)結(jié)合有限元分析技術(shù)開發(fā)出了薄壁零件切削加工模擬系統(tǒng)；Wang等[7-8]提出了基于在機(jī)測(cè)量技術(shù)的葉輪參數(shù)優(yōu)化方法，避免了重新裝夾產(chǎn)生的測(cè)量誤差。同時(shí)研究了薄壁零件在線測(cè)量和余量補(bǔ)償?shù)男路椒?，提高了薄壁葉片的加工精度；單晨偉等[9]針對(duì)數(shù)控加工中懸臂葉片的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形等問題，提出一種非均勻余量剛度補(bǔ)償方法。目前的變形誤差補(bǔ)償研究都是針對(duì)單道工序開展的，特別是數(shù)控銑削工序的變形誤差補(bǔ)償技術(shù)，已經(jīng)有研究人員取得了相應(yīng)的成果[10-13]，但針對(duì)多工序的加工誤差補(bǔ)償技術(shù)尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
數(shù)控加工是葉片制造中應(yīng)用最廣泛的一種加工方法，其中數(shù)控精銑+拋光+振動(dòng)光飾+噴丸強(qiáng)化是典型的葉片型面加工工藝。隨著葉片加工技術(shù)的發(fā)展，葉片型面無余量加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，即精銑工序后葉片型面不再留有加工余量，或只留0.01～0.02 mm的型面拋光量，后續(xù)拋光、振動(dòng)光飾和噴丸強(qiáng)化工序只是提高葉片型面粗糙度和強(qiáng)化表面質(zhì)量。
國內(nèi)對(duì)葉片型面幾何精度的控制通常有兩種方法：第1種是只對(duì)數(shù)控精銑工序后葉片型面進(jìn)行檢測(cè)，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎美碚撃Ｐ?即圖紙要求的葉片模型)；第2種是對(duì)每道工序均進(jìn)行檢測(cè)，且檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途捎美碚撃Ｐ?。這兩種做法都有可能造成檢驗(yàn)結(jié)論的誤判。第1種方法可能出現(xiàn)數(shù)控精銑工序合格，而經(jīng)過后續(xù)工序加工葉片終檢超差的情況。因?yàn)槿~片圖紙給出的是葉片型面最終允許的誤差，雖然精銑是形成葉片型面精度的主要工序，但不是最終工序，后續(xù)的拋光、振動(dòng)光飾、噴丸等工序也會(huì)對(duì)葉片型面精度產(chǎn)生影響。所以用圖紙給出的誤差要求作為中間加工工序——精銑工序的檢驗(yàn)要求會(huì)造成誤判。第2種方法可能出現(xiàn)中間工序不合格，通過后續(xù)工序可以彌補(bǔ)加工誤差而最終符合圖紙要求，但是會(huì)由于中間工序不合格而被提前判定為廢品。所以為了保證葉片加工工序合格且終檢合格，必須重新給出每道工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚣庸ひ蟆?/p>
本文以薄壁葉片典型加工工藝數(shù)控銑削、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化為研究對(duì)象。通過分析多工序變形誤差規(guī)律，結(jié)合反變形誤差補(bǔ)償原理，提出了薄壁葉片多工序加工檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎椒ā?/p>
1 薄壁葉片加工工藝及變形誤差規(guī)律
1.1 葉片葉型誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-15]
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面誤差評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括葉片截面線參數(shù)和截面線形位誤差參數(shù)，工程上常給出圖1所示的葉片加工截面線公差示意圖。圖中：X、Y為直角坐標(biāo)系，X方向?yàn)檫^發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的徑向面方向；U平行于弦線方向，V垂直于U交于積疊點(diǎn)；Rq為前緣半徑；Rh為后緣半徑；D為葉片最大厚度；a為葉片水平向弦長；b為葉片弦長；α為葉片方向角。通常加工技術(shù)要求允許各截面線相比理論截面線因變形而扭轉(zhuǎn)在±h內(nèi)。
葉片截面線參數(shù)主要包括：中弧線、弦長、弦傾角、緣頭半徑等。其中弦長是葉片截面線參數(shù)的固有屬性之一，能直觀反映出葉片的寬度大小；而葉片截面線形位誤差參數(shù)主要包括輪廓度、位置度和扭轉(zhuǎn)角。輪廓度誤差是葉片型面形狀評(píng)估指標(biāo)中最常用的參數(shù)[16]。輪廓度指被測(cè)量物體實(shí)際輪廓相比理想狀態(tài)輪廓的變動(dòng)情況。葉片型面輪廓度可分為前后緣輪廓度和葉盆葉背輪廓度，由于葉片緣頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流性能的影響十分明顯，因此在葉片設(shè)計(jì)中對(duì)前后緣輪廓度誤差要求更為嚴(yán)格。位置度主要指葉片截面積疊點(diǎn)的位置變化情況，其直接影響著葉片的彎曲變形。位置度誤差可表示為積疊點(diǎn)分別沿X、Y方向的移動(dòng)量，當(dāng)葉片發(fā)生彎曲變形時(shí)，需要測(cè)量每個(gè)截面積疊點(diǎn)的移動(dòng)是否超出其公差帶范圍內(nèi)。扭轉(zhuǎn)誤差反映了葉片型面扭轉(zhuǎn)變形的情況，將葉片的測(cè)量截面線與理論截面線進(jìn)行二維配準(zhǔn)定位，若不存在誤差，則測(cè)量截面線與理論截面線應(yīng)完全重合，但實(shí)際工程中總會(huì)產(chǎn)生加工誤差，因此從葉片理論模型截面線沿積疊軸轉(zhuǎn)到測(cè)量模型截面線的旋轉(zhuǎn)量即為扭轉(zhuǎn)誤差。下文主要對(duì)葉片型面誤差評(píng)價(jià)參數(shù)中的輪廓度、位置度和扭轉(zhuǎn)等3個(gè)關(guān)鍵的表征參數(shù)進(jìn)行研究分析。
圖1 葉片截面線公差Fig.1 Tolerance of blade section line
1.2 薄壁葉片加工工藝過程
薄壁葉片屬于復(fù)雜精密類零件，其加工與檢驗(yàn)過程是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程。葉片加工由多道工序完成，相關(guān)工況與前續(xù)工序的加工質(zhì)量會(huì)影響當(dāng)前加工特征的完成質(zhì)量，通過加工特征的演變，誤差被傳遞，最終零件的質(zhì)量由全部工序的相互影響來決定。
葉片型面典型加工工藝如圖2所示，毛坯粗加工以快速切除毛坯余量為目的，控制葉片加工的形狀特點(diǎn)和尺寸大??；精加工以控制形狀和尺寸精度為目的，決定終檢葉片的表面質(zhì)量和形狀精度。其中精銑是形成葉片型面精度的主要工序，但不是保證最終加工質(zhì)量的最后工序[17]。后續(xù)的拋光、振動(dòng)光飾、噴丸等工序是形成薄壁葉片最終質(zhì)量和表面完整性的重要工序，保證了葉片型面的最終加工質(zhì)量。其中拋光是利用磨料與工件表面不斷接觸來消除刀具加工后殘留的加工紋路，降低加工表面粗糙度；振動(dòng)光飾[18]利用零件與研磨石相互研磨進(jìn)行零件表面精整，獲得平整光澤加工表面；噴丸強(qiáng)化處理是利用高速運(yùn)動(dòng)彈丸流對(duì)金屬表面的沖擊，提高飛機(jī)零部件的表面完整性、可靠性和耐久性。因此對(duì)薄壁葉片面向多工序的加工工藝研究不僅要考慮精銑工序的加工誤差補(bǔ)償，還要考慮其余工序之間誤差的疊加與抵消情況。
圖2 葉片加工流程Fig.2 Flow chart of blade processing
1.3 多工序變形誤差規(guī)律分析
在保證工藝穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，各工序變形具有一定規(guī)律性,文獻(xiàn)[19]對(duì)葉片實(shí)際加工變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過總結(jié)各工序相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，從而對(duì)后續(xù)的誤差補(bǔ)償或修正奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)采用薄壁葉片典型加工工藝對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅱ級(jí)葉片進(jìn)行批次加工，選擇17個(gè)葉片進(jìn)行測(cè)量分析。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片的7條截面線進(jìn)行測(cè)量，截面線按等高法分布，從葉根至葉尖部位分別標(biāo)記為截面線1～7，如圖3所示。測(cè)量機(jī)測(cè)頭半徑為1 mm，一條截面線測(cè)量400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，前后緣分布較為密集，葉盆葉背分布比較稀疏。利用評(píng)價(jià)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后從中挑選出6個(gè)代表性葉片的分析結(jié)果，求解各工序相關(guān)測(cè)量參數(shù)變形量的平均值。通過對(duì)各工序輪廓度、位置度、扭轉(zhuǎn)角、弦長參數(shù)變形量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得到每道工序的變形誤差規(guī)律。
圖3 葉片截面線分布示意圖Fig.3 Diagram of blade section line distribution
在工藝穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，分析葉片在各個(gè)工序中每個(gè)參數(shù)的變形情況，得到葉片在該工序中具有共性變化的參數(shù)和參數(shù)變化規(guī)律，作為后續(xù)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。對(duì)沒有變化規(guī)律的參數(shù)，即隨機(jī)性和離散性較大的參數(shù)不做進(jìn)一步分析。實(shí)驗(yàn)中6個(gè)葉片樣本可以滿足統(tǒng)計(jì)各工序變形規(guī)律的要求。
數(shù)控精銑是保證葉片型面形狀的加工工藝過程。由于葉片各部位的剛度分布不均勻,從而導(dǎo)致葉身受力變形的規(guī)律性較差[20]，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)控精銑工序前后的輪廓度、位置度、弦長等表征參數(shù)變化量均值較大，但無明顯規(guī)律，而扭轉(zhuǎn)角的變化影響不大，如圖4(a)所示。
拋光工序是精銑后無余量加工中一道非常重要的工序，主要是為了消除銑削加工后殘留的刀具紋路，從而獲得較好的表面質(zhì)量。受拋光磨料的作用，葉型輪廓度影響較大，拋光后葉片變薄0.01～0.02 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，拋光工序后葉盆輪廓度變化量離散程度較大且無明顯規(guī)律，弦長參數(shù)變化量較為穩(wěn)定，而對(duì)位置度、扭轉(zhuǎn)參數(shù)的影響較小，如圖4(b)所示。
振動(dòng)光飾是改善加工表面應(yīng)力分布以及提高表面抗疲勞強(qiáng)度的加工過程。受磨料振動(dòng)加工的作用，對(duì)葉片型面弦長參數(shù)影響最為明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，輪廓度、位置度變化量無明顯規(guī)律，扭轉(zhuǎn)變化量較小，而弦長變化量逐漸減少。從-0.05 mm變化到-0.14 mm，如圖4(c)所示。
噴丸強(qiáng)化是葉片典型加工工藝中的最后一道工序，其主要形成一定厚度的加工強(qiáng)化層。受高速彈丸流的噴射作用，噴丸強(qiáng)化對(duì)扭轉(zhuǎn)參數(shù)的影響最為明顯。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，噴丸后扭轉(zhuǎn)角變化量逐漸減少，從-0.03°變化為-0.24°。而其他參數(shù)變化量較小且無明顯規(guī)律，如圖4(d)所示。
圖4 各工序變形規(guī)律Fig.4 Deformation law of each process
2 加工模型與檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒎椒?/h2>2.1 誤差補(bǔ)償值的適用性判定原則
獲得參數(shù)變化規(guī)律后，需要確定各工序的誤差補(bǔ)償值。研究提出將多工序綜合加工變形誤差作為建立精銑加工模型的誤差補(bǔ)償值；將各工序加工前后參數(shù)變化量的均值作為建立各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼`差補(bǔ)償值。但測(cè)量數(shù)據(jù)通常來源于多個(gè)葉片，具有一定的隨機(jī)性和離散性。因此需要制定誤差補(bǔ)償值的適用性判定原則，利用該原則來判斷建立精銑加工模型和各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼`差補(bǔ)償值是否能夠補(bǔ)償。制定的判定原則有兩個(gè)，分別為離散程度原則和算數(shù)平均值大小原則。
離散程度原則要求在考慮工藝系統(tǒng)能力時(shí)，參數(shù)誤差值的最大變化范圍仍然小于給定的公差帶范圍。基于實(shí)測(cè)參數(shù)且考慮工藝系統(tǒng)加工能力下參數(shù)誤差值的范圍為
Q=[μ-3σ-kσ′，μ+3σ+kσ′]
(1)
式中：μ為數(shù)據(jù)的均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；σ′為由工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性求得的標(biāo)準(zhǔn)差；k可自定義取值3、4、5、6，默認(rèn)為6。其中σ′由工序能力指數(shù)推導(dǎo)
σ′=min{(USL-μ),(μ-LSL)}/(3CPK)
(2)
式中：USL、LSL分別為參數(shù)的公差上下限；CPK為工序能力指數(shù)。
則離散程度原則可表示為
(μ+3σ+kσ′)-(μ-3σ-kσ′)=6σ+2kσ′≤
USL-LSL
(3)
|μ-(USL-LSL)|>(USL-LSL)/4
(4)
|μ|>(USL-LSL)/4
(5)
當(dāng)誤差補(bǔ)償值滿足離散程度原則和算數(shù)平均值大小原則，則該誤差補(bǔ)償值可用于模型的修正和建立中;否則不能應(yīng)用于誤差補(bǔ)償之中。
2.2 數(shù)控精銑加工模型的建立
數(shù)控精銑的加工模型是指在數(shù)控編程時(shí)采用的數(shù)字模型[21]，即根據(jù)三維實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)控編程。精銑加工模型對(duì)葉片的最終型面質(zhì)量影響甚大，所以對(duì)精銑加工模型的變形誤差補(bǔ)償尤為重要。建立加工模型是根據(jù)加工誤差對(duì)理論模型修正得到，將數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化等4個(gè)工序的加工誤差看作一個(gè)整體誤差對(duì)精銑加工模型進(jìn)行變形誤差補(bǔ)償。假定加工過程中輪廓度、位置度、扭轉(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值分別用F、E、H表示，則數(shù)控精銑加工模型的誤差補(bǔ)償量ε可表示為ε=[FEH]。數(shù)控精銑的加工補(bǔ)償值是各工序加工誤差的累加，其表達(dá)式為
(6)
式中：i=1, 2, 3, 4；依次表示4個(gè)工序，分別為數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化
當(dāng)獲得的整體變形誤差值滿足2.1節(jié)的兩大判定原則后。利用反變形誤差補(bǔ)償原理[22]對(duì)精銑加工模型進(jìn)行修正，即根據(jù)測(cè)量獲得的零件加工表面相關(guān)參數(shù)的誤差值來修正加工模型，其補(bǔ)償原理如圖5所示。
圖5 反變形補(bǔ)償原理Fig.5 Inverse deformation compensation principle
在不改變?cè)械牡湫图庸すに嚵鞒痰幕A(chǔ)上，根據(jù)上述分析可以建立精銑加工模型誤差補(bǔ)償流程，如圖6所示。其中h為經(jīng)驗(yàn)值，第1次補(bǔ)償時(shí)h=0；若補(bǔ)償后加工零件的誤差值仍不滿足公差要求，則可根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整h值。直到滿足葉片加工要求，即可根據(jù)補(bǔ)償后的加工模型修正加工程序。
圖6 精銑加工模型建立流程Fig.6 Flow chart for establishing machining model for finishing milling
2.3 工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>
檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯脕碓u(píng)價(jià)零件實(shí)際狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)的偏差。在葉片生產(chǎn)中，為了判斷加工工序是否合格，必須進(jìn)行工序檢驗(yàn)。目前工程上普遍采用理論模型作為工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停淇赡軐?dǎo)致工序合格而終檢超差的結(jié)果。為了確保工序合格且終檢合格，需要對(duì)各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ妥龀鲂拚?。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衫碚摻孛婢€和公差要求組成，建立工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪且罁?jù)各后續(xù)工序變形情況對(duì)理論模型或公差(偏差)修正得到。
以理想狀態(tài)下某葉片截面線的前緣為例。為了保證噴丸后即終檢時(shí)葉片型面質(zhì)量合格，由于噴丸過程中葉片變形，就要使光飾后的葉片與理論模型有一定偏差量，如圖7所示。且偏差值為噴丸產(chǎn)生的加工變形誤差，因此振動(dòng)光飾工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)受噴丸變形量的影響。以此類推，拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)受光飾和噴丸工序變形量累加的影響，而數(shù)控精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芎罄m(xù)拋光、振動(dòng)光飾及噴丸工序的加工變形量累加的影響。
圖7 理想狀態(tài)下葉片前緣檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比Fig.7 Comparison of inspection models for leading edge of blade under ideal conditions
根據(jù)以上分析，基于“倒推”思想可以得出各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒘鞒?，如圖8所示。利用反變形誤差補(bǔ)償原理即可計(jì)算出各工序誤差補(bǔ)償后的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。噴丸為最終工序，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔碚撃Ｐ?；振?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓢娡枳冃握`差補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?；拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀晒怙椬冃握`差和噴丸變形誤差的累加補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?，也即為光飾變形誤差補(bǔ)償?shù)秸駝?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?；?shù)控精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓲伖庾冃握`差、光飾變形誤差和噴丸變形誤差的累加補(bǔ)償?shù)浇K檢的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤?，即拋光變形誤差補(bǔ)償?shù)綊伖獾臋z驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕稀?/p>
圖8 各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒘鞒蘁ig.8 Flow chart for establishing inspection model for each process
當(dāng)各工序的變形誤差值滿足2.1節(jié)的兩大判定原則后，即可對(duì)各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行修正。由于噴丸為最終工序，其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槔碚撃Ｐ?，即檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禐?。假定其余工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚禐镻={F,E,H}，其中F、E、H可由式(6)所得。當(dāng)計(jì)算振動(dòng)光飾檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禃r(shí)，取i=4；當(dāng)計(jì)算拋光檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚禃r(shí)，取i=3，4；當(dāng)計(jì)算數(shù)控精銑檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚禃r(shí)，取i=2，3，4。即可獲得各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚怠?/p>
結(jié)合1.3節(jié)各工序變形誤差規(guī)律分析，噴丸工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樽罱K的理論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，振?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾葒娡璧臋z驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獣?huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償變化，拋光的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾日駝?dòng)光飾的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁?huì)產(chǎn)生弦長補(bǔ)償變化，最后精銑的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾葤伖鈾z驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獣?huì)產(chǎn)生弦長補(bǔ)償變化和較小的扭轉(zhuǎn)補(bǔ)償變化。通過計(jì)算其相關(guān)表征參數(shù)的變化量及數(shù)據(jù)規(guī)律原則判斷后，可以做出變形誤差補(bǔ)償后的各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷雀叩慕孛婢€變形補(bǔ)償對(duì)比如圖9所示。
圖9 各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃窝a(bǔ)償對(duì)比Fig.9 Comparison of deformation compensation of inspection model for each process
3 實(shí)例驗(yàn)證
以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)Ⅱ級(jí)葉片的扭轉(zhuǎn)角參數(shù)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。工程設(shè)計(jì)圖紙上給出的扭轉(zhuǎn)角的公差帶為±0.167°(±10.02′)。
從粗加工后的批次葉片中隨機(jī)挑選兩組樣件，樣件Ⅰ組(包括11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)葉片)以及樣件Ⅱ組(包括21號(hào)、22號(hào)、23號(hào)葉片)。計(jì)算出數(shù)控銑削加工模型的扭轉(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值及各工序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐まD(zhuǎn)角的誤差補(bǔ)償值。
首先計(jì)算扭轉(zhuǎn)參數(shù)誤差補(bǔ)償值是否滿足兩大判定原則。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算出均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ分別為
(7)
(8)
已知工藝系統(tǒng)的工序能力指數(shù)CPK為1.67，結(jié)合式(2)計(jì)算可得σ′=0.014 0。取k值為6，則由式(1)計(jì)算出基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)且加工能力最壞的情況下扭轉(zhuǎn)參數(shù)范圍Q=[-0.198 4,0.004 4]。
已知該批次葉片扭轉(zhuǎn)角公差帶的范圍為0.334°，由式(3)可知滿足離散程度原則，即
0.004 4°-(-0.198 4°)=0.202 8°≤0.334°
同時(shí)由式(4)可知滿足算數(shù)平均值大小原則：
|(-0.097°)-0.334°|>0.083 5°
通過以上計(jì)算，可知該批次葉片扭轉(zhuǎn)參數(shù)的誤差補(bǔ)償值滿足2.1節(jié)的兩大適用性判定原則，即可進(jìn)行扭轉(zhuǎn)參數(shù)的誤差補(bǔ)償。分別建立扭轉(zhuǎn)參數(shù)補(bǔ)償后的數(shù)控銑削加工模型和各工序的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。最后按照?中給出的加工檢驗(yàn)條件分別對(duì)樣件Ⅰ組和Ⅱ組的葉片進(jìn)行加工與檢驗(yàn)。
采用典型加工工藝過程按照條件1、2加工兩組樣件后，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)樣件Ⅰ、Ⅱ兩組葉片分別進(jìn)行測(cè)量，獲得各組葉片的7條截面線數(shù)據(jù)。再用評(píng)價(jià)軟件計(jì)算各截面線的扭轉(zhuǎn)角參數(shù)值，判斷是否滿足檢驗(yàn)要求達(dá)到質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)。
表1 加工檢驗(yàn)條件Table 1 Conditions for processing and inspection
依照條件1加工樣件Ⅰ組后，各工序扭轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果如圖10所示。從圖中可知數(shù)控精銑、拋光、振動(dòng)光飾等工序都滿足扭轉(zhuǎn)誤差的要求，但噴丸強(qiáng)化工序后的扭轉(zhuǎn)誤差超差，從而導(dǎo)致葉片終檢不合格，該組樣件葉片質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。
圖10 銑削工序補(bǔ)償后各工序扭轉(zhuǎn)參數(shù)Fig.10 Torsion parameters of each process after milling process compensation
依照條件2加工樣件Ⅱ組后，修正后的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ凸顜Ш透鞴ば蚺まD(zhuǎn)誤差測(cè)量結(jié)果如圖11所示，從圖中分析可知：在條件2的加工檢驗(yàn)條件下，各工序的檢驗(yàn)均合格，葉片質(zhì)量最終達(dá)標(biāo)。
通過實(shí)例驗(yàn)證可知，所提出的加工檢驗(yàn)條件有效地提高了葉片的加工質(zhì)量，降低了葉片成品的廢品率，保證了葉片工序檢驗(yàn)的合格及終檢的合格。
4 結(jié) 論
1) 以航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁葉片型面數(shù)控銑削、拋光、振動(dòng)光飾、噴丸強(qiáng)化的典型加工工藝為研究對(duì)象，提出了一種面向多工序的加工變形誤差補(bǔ)償方法。
2) 分析了各工序的加工變形誤差規(guī)律，制定了補(bǔ)償值的數(shù)據(jù)規(guī)律原則，結(jié)合反變形誤差補(bǔ)償技術(shù)，提出了數(shù)控精銑工序加工模型的建立方法。
圖11 多工序補(bǔ)償后各工序扭轉(zhuǎn)參數(shù)Fig.11 Torsional parameters of each process after multi-stage compensation
同時(shí)在考慮各工序加工變形誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，建立了評(píng)價(jià)各工序加工的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
3) 通過實(shí)例證明了該方法的有效性。所提方法已經(jīng)應(yīng)用于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司某型葉片的加工中，該方法有效地提高了葉片的加工質(zhì)量、降低了葉片成品的廢品率和加工成本。
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