葛術(shù)宇　郭富麗

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

關(guān)鍵詞：葉片；端彎；加工；檢測(cè)

0引言：葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，是提供發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的重要部件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中比重約占百分之三十。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，葉片形狀越來(lái)越復(fù)雜，這樣給葉片的加工與檢測(cè)帶來(lái)極大困難。傳統(tǒng)的加工、檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新型葉片的加工需要，為滿(mǎn)足新型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造需要探索一種新的加工、檢測(cè)方法勢(shì)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(duì)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(zhǎng)度內(nèi)，型面輪廓度分別允許減薄0.02mm以?xún)?nèi)或增厚0.06mm以?xún)?nèi)；中間部位型面輪廓度分別允許減薄0.06mm以?xún)?nèi)或增厚0.06mm以?xún)?nèi)；葉型的允許扭轉(zhuǎn)角度偏差值為±15′；葉身型面相對(duì)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(lèi)似葉片加工現(xiàn)狀

傳統(tǒng)類(lèi)似葉片機(jī)加工藝使用大量專(zhuān)用夾、量具，研制周期長(zhǎng)，而且多套夾具與測(cè)具裝夾重復(fù)性差，加工精度難以保證；葉身型面依賴(lài)兩次手工拋光保證葉型最終設(shè)計(jì)尺寸，加工過(guò)程受人為影響較大，葉片加工精度較低；型面測(cè)量采用型面測(cè)具、樣板和推規(guī)、外卡，無(wú)法滿(mǎn)足新一代葉片的檢測(cè)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(cè)量過(guò)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(wú)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(lái)基準(zhǔn)”，通過(guò)實(shí)際加工證明毛料預(yù)留工藝臺(tái)是一種十分有效的方式。選用工藝臺(tái)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(tái)的選擇

在定制毛料工藝臺(tái)時(shí)應(yīng)從尺寸和相對(duì)位置來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)工藝臺(tái)尺寸越大在后續(xù)加工過(guò)程中定位越準(zhǔn)確。但工藝臺(tái)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(shuō)來(lái)工藝臺(tái)橫截面積不應(yīng)大于最厚葉身處橫截面積。工藝臺(tái)對(duì)于葉身榫頭的相對(duì)位置對(duì)于未來(lái)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(tái)、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(tái)去除余量較小而且盡量沒(méi)有臺(tái)階差。但是如果葉片葉尖部相對(duì)于榫頭或緣板彎曲過(guò)大，那么就不應(yīng)該強(qiáng)求工藝臺(tái)之間不允許存在臺(tái)階差，否則會(huì)造成葉片延長(zhǎng)部分過(guò)于彎曲而不利于加工。最后通過(guò)工藝臺(tái)還要盡量保證葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的平衡性。

2.3 工藝臺(tái)的加工

本級(jí)葉片工藝臺(tái)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(jiǎn)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(zhǎng)，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(guò)程中由于工藝臺(tái)表面是毛料表面，如果在加工過(guò)程中采用工藝臺(tái)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(lái)說(shuō)葉身型面測(cè)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(kāi)加工可能會(huì)引進(jìn)誤差，同時(shí)由于緣板多為不規(guī)則形狀，所以將會(huì)為裝夾定位帶來(lái)困難，而且也會(huì)加大工裝的設(shè)計(jì)和制造難度?；谏鲜鲈虻目紤]，在某增壓級(jí)一級(jí)靜子葉片研制過(guò)程中采用了緣板葉身一體化加工技術(shù)。該方法通過(guò)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(lái)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(guò)程中保持“自由”狀態(tài)，有效減少了裝夾帶來(lái)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(guò)程中，葉片緣板加工采用UG編程，葉身加工采用葉片專(zhuān)用軟件編程，在加工過(guò)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(dòng)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(cè)量

公司多年以來(lái)已經(jīng)形成了一套完備的葉型測(cè)量方案，型面測(cè)具、樣板、推規(guī)、外卡和榫高型座是測(cè)量葉型的“標(biāo)配”。但隨著發(fā)動(dòng)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(cè)量方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量需要。在本次增壓級(jí)一級(jí)靜子葉片研制過(guò)程中采用了三坐標(biāo)測(cè)量法，極大地提高了零件的檢測(cè)精度和可靠性。該葉片三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)包括基于CAD模型引導(dǎo)的非型面特征部位檢測(cè)技術(shù)和Blade型面檢測(cè)技術(shù)，前者用于測(cè)量安裝板內(nèi)側(cè)面尺寸，后者用于葉片型面測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(píng)價(jià)葉身會(huì)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(lèi)似全葉型葉片，建立測(cè)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(duì)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(huì)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(huì)提示超差，通過(guò)評(píng)價(jià)每個(gè)點(diǎn)的位置度來(lái)觀察其X、Y、Z方向的偏離程度，視其對(duì)坐標(biāo)系的影響程度來(lái)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(lài)工藝臺(tái)為測(cè)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(cè)量的難題，可稱(chēng)謂一種通用的坐標(biāo)系建立方法。葉片型面檢測(cè)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(cè)量程序，調(diào)用BLADE軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖3.2所示。

完成一葉型測(cè)量必須準(zhǔn)備坐標(biāo)系文件、四個(gè)BLADE文件和通用測(cè)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(cè)量程序中通過(guò)調(diào)用外部坐標(biāo)系來(lái)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(huì)調(diào)用其中文件內(nèi)容完成循環(huán)測(cè)量；通用測(cè)量程序是一循環(huán)測(cè)量程序，會(huì)根據(jù)*nom文件中各截面數(shù)量及參數(shù)來(lái)完成測(cè)量。

4結(jié)論

在某增壓級(jí)靜子葉片的研制過(guò)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(cè)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。