高金磊，尤嘉，單純利，查永康

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110043；2.中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，四川成都610503）

0 引言

航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)要求壓氣機(jī)部件具有最佳的性能和最輕的重量，整體葉盤(pán)是軸流壓氣機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不斷向大流量、高負(fù)荷方向發(fā)展。為提升氣動(dòng)效率并增大壓縮比，整體葉盤(pán)采用具有優(yōu)良?xì)鈩?dòng)性能的跨音速葉型，并采用帶有前掠、后彎特征的復(fù)雜空間曲面構(gòu)型，葉身型面薄長(zhǎng)、復(fù)合彎扭程度大［1-3］。為保證應(yīng)用性能，加工過(guò)程中對(duì)葉型參數(shù)公差要求越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)葉型檢測(cè)的準(zhǔn)確性難以滿(mǎn)足整體葉盤(pán)、葉片型面的檢測(cè)需求。目前，國(guó)外某些發(fā)動(dòng)機(jī)廠商大量采用Leitz PMM-C四軸聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行整體葉盤(pán)葉片型面檢測(cè)［4］；也有一些公司采用Renishaw REVO旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)頭的五軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行整體葉盤(pán)葉片的型面檢測(cè)［5-7］，METROPTIC，WENZEL，GOM公司的光學(xué)測(cè)量設(shè)備也在整體葉盤(pán)葉片型面檢測(cè)中得到應(yīng)用［8-9］。

整體葉盤(pán)葉型銑削需要全方位考慮高精度尺寸及形位公差要求、薄壁彎扭葉型特點(diǎn)和合金工件材料加工的特殊性等要素，從而保證葉片幾何精度與物理性能。由于整體葉盤(pán)葉型呈現(xiàn)長(zhǎng)薄壁、大彎扭、窄間距、高曲率變化等特點(diǎn)，常常導(dǎo)致葉型銑削加工中葉型中上部出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，葉型輪廓度、位置度和扭轉(zhuǎn)角等參數(shù)易超出設(shè)計(jì)要求。為保證整體葉盤(pán)葉片型面加工精度，提高成品合格率，必須采取措施控制整體葉盤(pán)葉片部位彎曲及扭轉(zhuǎn)變形。本文以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)作為研究對(duì)象，利用三維自由型面檢測(cè)技術(shù)，研究其加工過(guò)程中的預(yù)變形控制方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基于葉型檢測(cè)數(shù)據(jù)的反向補(bǔ)償方法

1.1 葉型變形特點(diǎn)分析

該型高壓鈦合金整體葉盤(pán)、葉片葉型的前后緣厚度以及截面最大厚度偏薄，屬于懸臂結(jié)構(gòu)，在銑削過(guò)程中受切削力、材料特性、應(yīng)力釋放等因素影響，易出現(xiàn)較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，并且葉型實(shí)體變形存在連續(xù)性，表現(xiàn)為如下特點(diǎn):從葉根到葉尖方向，葉片扭轉(zhuǎn)變形逐漸增大，進(jìn)氣邊向葉背側(cè)扭轉(zhuǎn)，排氣邊向葉盆側(cè)扭轉(zhuǎn)；從葉根到葉尖方向，葉片彎曲變形逐漸增大，葉盆側(cè)向葉背側(cè)彎曲，如圖1所示。檢測(cè)結(jié)果顯示該葉型中上部截面的位置度及扭轉(zhuǎn)角合格率低，葉尖尺寸和葉尖跳動(dòng)易出現(xiàn)較大超差。

1.2 葉型變形反向補(bǔ)償方法

為保證葉型符合尺寸公差和形位精度要求，本文提出了葉片變形反向補(bǔ)償方法，其基本思路是:通過(guò)分析已有葉型檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析葉型加工后各截面位置度、扭轉(zhuǎn)角與設(shè)計(jì)值的最大偏差，預(yù)先獲取葉片銑削加工引起的彎曲及扭轉(zhuǎn)變形量；基于葉片變形特點(diǎn)，采用線性插值方法選取修正量和修正方向，分截面反向修正葉片原始設(shè)計(jì)模型，重構(gòu)供編程使用的反向預(yù)變形葉片工藝模型［10］，再進(jìn)行編程加工，從而實(shí)現(xiàn)葉片彎曲及扭轉(zhuǎn)變形誤差的反向補(bǔ)償，如圖2所示。

1.3 葉型預(yù)變形控制

圖1 葉型彎扭變形

為構(gòu)建葉片反向預(yù)變形工藝模型，應(yīng)準(zhǔn)確分析葉片原始彎曲變形及扭轉(zhuǎn)變形量，并綜合考慮葉片截面高度、公差設(shè)計(jì)要求以及再變形等影響因素，進(jìn)行修正量的補(bǔ)償設(shè)計(jì)［5］。截面位置度偏差反映了葉片彎曲變形情況，因此根據(jù)截面位置度偏差確定位移修正量及修正方向，如圖3所示；截面扭轉(zhuǎn)角偏差反映了葉片扭轉(zhuǎn)變形情況，因此根據(jù)截面扭轉(zhuǎn)角偏差確定角度修正量及修正方向，如圖4所示。利用坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)和統(tǒng)計(jì)分析方法獲取位移修正量和角度修正量數(shù)據(jù)，得到各葉片沿葉展方向所有檢測(cè)截面的扭轉(zhuǎn)角偏差及位置度偏差。

圖2 葉型變形反向補(bǔ)償方案

圖3 葉型截面位置偏差及修正方向

圖4 葉型截面扭轉(zhuǎn)角偏差及修正方向

1）彎曲變形修正

針對(duì)葉片彎曲變形偏差，需要確定彎曲變形起始修正截面Sv、彎曲變形終止修正截面Sk以及相關(guān)截面的位移修正量。沿葉根到葉尖方向進(jìn)行分析，起始修正截面Sv的位移修正量不小于該截面位置度公差的2/3；確定終止修正截面Sk的位移修正量，使該截面修正后的最大位置度偏差在位置度公差帶范圍內(nèi)。對(duì)于彎曲變形起始截面Sv和終止截面Sk之間的截面，其彎曲變形的位移修正量依據(jù)起始截面和終止截面位移修正量的線性插值獲得。依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從起始截面Sv到終止截面Sk，按實(shí)測(cè)位置相對(duì)理論位置偏移的反方向進(jìn)行預(yù)變形修正。

2）角度變形修正

針對(duì)葉片角度變形偏差，需要確定扭轉(zhuǎn)變形起始修正截面Su、扭轉(zhuǎn)變形終止修正截面Sk以及相關(guān)截面的角度修正量。沿葉根到葉尖方向進(jìn)行分析，起始修正截面Su的角度修正量不小于該截面扭轉(zhuǎn)角公差的1/4；確定終止修正截面Sk的角度修正量，使修正后的最大扭轉(zhuǎn)角偏差在該截面扭轉(zhuǎn)角公差帶范圍內(nèi)。對(duì)于扭轉(zhuǎn)變形起始截面Su和終止截面Sk之間的截面，其扭轉(zhuǎn)變形的角度修正量依據(jù)起始截面和終止截面角度修正量的線性插值獲得。依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從起始截面Su到終止截面Sk，按實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)角相對(duì)理論扭轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)的反方向進(jìn)行預(yù)變形修正。

利用CAD/CAM軟件，根據(jù)葉片相關(guān)截面中扭轉(zhuǎn)變形的角度修正量及其修正方向、彎曲變形的位移修正量及其修正方向，按照先繞積疊軸旋轉(zhuǎn)，然后在截面所屬平面內(nèi)平移的修正原則，依次對(duì)葉片理論截面進(jìn)行修正，構(gòu)建供編程使用的反向預(yù)變形葉片工藝模型，如圖5所示。在葉片工藝模型生成后，檢查葉片工藝模型的曲面光順度，保證葉片曲面無(wú)造型缺陷，采用整體葉盤(pán)、葉片專(zhuān)用編程軟件進(jìn)行葉型銑削編程。

圖5 葉片修正模型圖

2 基于葉型檢測(cè)數(shù)據(jù)的反向補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文方法的可行性，采用四軸聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)某型民用發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)進(jìn)行補(bǔ)償前后的三維掃描比對(duì)測(cè)量。選取了14項(xiàng)葉型參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，具體包括前緣面輪廓度LP、葉盆面輪廓度AP1、葉背面輪廓度AP2、后緣面輪廓度TP、位置度SFT、位置度BOW、前緣厚度公差LT等，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 葉型分析報(bào)告圖

以整體葉盤(pán)的第一片葉型數(shù)據(jù)為例，分別選取具有代表性的評(píng)價(jià)參數(shù):弦寬、扭轉(zhuǎn)角、積疊軸位置度、前緣輪廓度［6-8］進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 葉型參數(shù)分析示意圖

可以看出:修正前后的弦寬值幾乎無(wú)變化；扭轉(zhuǎn)角修正量較大，最大超過(guò)0.15°；積疊軸位置度修正量較大，最大超過(guò)0.1 mm，修正后的位置度偏差明顯減??；輪廓度參數(shù)修正前后差異較小，不大于0.008 mm。整體葉盤(pán)工藝模型反變形控制后，葉型位置、扭轉(zhuǎn)等參數(shù)指標(biāo)明顯變優(yōu)。

該整體葉盤(pán)全部27片葉型參數(shù)數(shù)據(jù)包括1278項(xiàng)葉型檢測(cè)數(shù)據(jù)，126項(xiàng)位置度SFT數(shù)據(jù)，18項(xiàng)位置度BOW數(shù)據(jù)，以及1134項(xiàng)其余技術(shù)條件項(xiàng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。具體超差情況對(duì)比如表1所示，經(jīng)反向補(bǔ)償后葉型輪廓度無(wú)較大變化，位置度SFT最大值縮小至0.31 mm，合格率由88.9%提高到100%；扭轉(zhuǎn)角由88.1%提高到96.0%。

表1 整體葉盤(pán)反向補(bǔ)償前后葉型參數(shù)超差情況對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)葉型制造過(guò)程中易出現(xiàn)加工變形大、銑削穩(wěn)定性差等問(wèn)題。針對(duì)整體葉盤(pán)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以減小葉片變形、提高葉片型面加工精度和合格率為出發(fā)點(diǎn)，提出了基于整體葉盤(pán)原始檢測(cè)數(shù)據(jù)的整體葉盤(pán)葉片工藝模型反向補(bǔ)償方法。利用某型民用發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，證明了此補(bǔ)償方法的可行性與有效性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)葉型高質(zhì)量制造提供了有力保障。該方法對(duì)于單葉片同樣具有適用性，但針對(duì)具體葉型的預(yù)變形控制量需要經(jīng)過(guò)若干迭代試驗(yàn)進(jìn)行精確驗(yàn)證。