薄壁葉片葉型多工序加工檢驗模型建立方法

藺小軍，崔彤，楊碧穎，楊銳，辛曉鵬

1.西北工業大學 機電學院，西安 710072 2.中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 221116

葉片是航空發動機上的關鍵零部件，其加工質量的好壞對發動機性能有著直接的影響。航空發動機風扇、壓氣機葉片一般采用薄壁結構；葉身型面多為自由曲面，具有彎掠特點；且材料采用鈦合金等難加工材料，在葉片加工時極易產生變形。因此減小薄壁葉片加工變形誤差是保證葉片加工質量的關鍵問題?？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償是最有效的方法之一。目前有許多學者對變形誤差補償進行了深入的研究。Wang和Sun[3]提出使用無干涉的刀具路徑來預測和補償葉片螺旋銑削過程中的變形誤差；Altintas等[4]針對高柔性渦輪葉片銑削中產生的變形導致葉片不合格問題，提出了葉片加工數字仿真與補償模型的建立方法；Ratchev等[5-6]提出集成切削力和變形模擬預測表面誤差的新方法，同時結合有限元分析技術開發出了薄壁零件切削加工模擬系統；Wang等[7-8]提出了基于在機測量技術的葉輪參數優化方法，避免了重新裝夾產生的測量誤差。同時研究了薄壁零件在線測量和余量補償的新方法，提高了薄壁葉片的加工精度；單晨偉等[9]針對數控加工中懸臂葉片的彎曲、扭轉變形等問題，提出一種非均勻余量剛度補償方法。目前的變形誤差補償研究都是針對單道工序開展的，特別是數控銑削工序的變形誤差補償技術，已經有研究人員取得了相應的成果[10-13]，但針對多工序的加工誤差補償技術尚未進行系統的研究。

數控加工是葉片制造中應用最廣泛的一種加工方法，其中數控精銑+拋光+振動光飾+噴丸強化是典型的葉片型面加工工藝。隨著葉片加工技術的發展，葉片型面無余量加工已經實現，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，后續拋光、振動光飾和噴丸強化工序只是提高葉片型面粗糙度和強化表面質量。

國內對葉片型面幾何精度的控制通常有兩種方法：第1種是只對數控精銑工序后葉片型面進行檢測，其檢驗模型采用理論模型(即圖紙要求的葉片模型)；第2種是對每道工序均進行檢測，且檢驗模型均采用理論模型。這兩種做法都有可能造成檢驗結論的誤判。第1種方法可能出現數控精銑工序合格，而經過后續工序加工葉片終檢超差的情況。因為葉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，后續的拋光、振動光飾、噴丸等工序也會對葉片型面精度產生影響。所以用圖紙給出的誤差要求作為中間加工工序——精銑工序的檢驗要求會造成誤判。第2種方法可能出現中間工序不合格，通過后續工序可以彌補加工誤差而最終符合圖紙要求，但是會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模型或加工要求。

本文以薄壁葉片典型加工工藝數控銑削、拋光、振動光飾、噴丸強化為研究對象。通過分析多工序變形誤差規律，結合反變形誤差補償原理，提出了薄壁葉片多工序加工檢驗模型的建立方法。

1 薄壁葉片加工工藝及變形誤差規律

1.1 葉片葉型誤差評價指標[14-15]

航空發動機葉片型面誤差評價參數主要包括葉片截面線參數和截面線形位誤差參數，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為直角坐標系，X方向為過發動機軸線的徑向面方向；U平行于弦線方向，V垂直于U交于積疊點；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。通常加工技術要求允許各截面線相比理論截面線因變形而扭轉在±h內。

葉片截面線參數主要包括：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的固有屬性之一，能直觀反映出葉片的寬度大?。欢~片截面線形位誤差參數主要包括輪廓度、位置度和扭轉角。輪廓度誤差是葉片型面形狀評估指標中最常用的參數[16]。輪廓度指被測量物體實際輪廓相比理想狀態輪廓的變動情況。葉片型面輪廓度可分為前后緣輪廓度和葉盆葉背輪廓度，由于葉片緣頭對發動機氣流性能的影響十分明顯，因此在葉片設計中對前后緣輪廓度誤差要求更為嚴格。位置度主要指葉片截面積疊點的位置變化情況，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分別沿X、Y方向的移動量，當葉片發生彎曲變形時，需要測量每個截面積疊點的移動是否超出其公差帶范圍內。扭轉誤差反映了葉片型面扭轉變形的情況，將葉片的測量截面線與理論截面線進行二維配準定位，若不存在誤差，則測量截面線與理論截面線應完全重合，但實際工程中總會產生加工誤差，因此從葉片理論模型截面線沿積疊軸轉到測量模型截面線的旋轉量即為扭轉誤差。下文主要對葉片型面誤差評價參數中的輪廓度、位置度和扭轉等3個關鍵的表征參數進行研究分析。

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

薄壁葉片屬于復雜精密類零件，其加工與檢驗過程是一個復雜而龐大的系統工程。葉片加工由多道工序完成，相關工況與前續工序的加工質量會影響當前加工特征的完成質量，通過加工特征的演變，誤差被傳遞，最終零件的質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量的最后工序[17]。后續的拋光、振動光飾、噴丸等工序是形成薄壁葉片最終質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；振動光飾[18]利用零件與研磨石相互研磨進行零件表面精整，獲得平整光澤加工表面；噴丸強化處理是利用高速運動彈丸流對金屬表面的沖擊，提高飛機零部件的表面完整性、可靠性和耐久性。因此對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 多工序變形誤差規律分析

在保證工藝穩定的基礎上，各工序變形具有一定規律性,文獻[19]對葉片實際加工變形進行了詳細的分析。通過總結各工序相關參數的變化規律，從而對后續的誤差補償或修正奠定基礎。實驗采用薄壁葉片典型加工工藝對某型航空發動機Ⅱ級葉片進行批次加工，選擇17個葉片進行測量分析。采用三坐標測量機對葉片的7條截面線進行測量，截面線按等高法分布，從葉根至葉尖部位分別標記為截面線1～7，如圖3所示。測量機測頭半徑為1 mm，一條截面線測量400個數據點，前后緣分布較為密集，葉盆葉背分布比較稀疏。利用評價軟件對測量數據進行分析。最后從中挑選出6個代表性葉片的分析結果，求解各工序相關測量參數變形量的平均值。通過對各工序輪廓度、位置度、扭轉角、弦長參數變形量的統計計算，可以得到每道工序的變形誤差規律。

圖3 葉片截面線分布示意圖Fig.3 Diagram of blade section line distribution

在工藝穩定的基礎上，分析葉片在各個工序中每個參數的變形情況，得到葉片在該工序中具有共性變化的參數和參數變化規律，作為后續補償的基礎。對沒有變化規律的參數，即隨機性和離散性較大的參數不做進一步分析。實驗中6個葉片樣本可以滿足統計各工序變形規律的要求。

數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,從而導致葉身受力變形的規律性較差[20]，根據數據分析可知，數控精銑工序前后的輪廓度、位置度、弦長等表征參數變化量均值較大，但無明顯規律，而扭轉角的變化影響不大，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。根據數據分析可知，拋光工序后葉盆輪廓度變化量離散程度較大且無明顯規律，弦長參數變化量較為穩定，而對位置度、扭轉參數的影響較小，如圖4(b)所示。

振動光飾是改善加工表面應力分布以及提高表面抗疲勞強度的加工過程。受磨料振動加工的作用，對葉片型面弦長參數影響最為明顯。根據數據分析可知，輪廓度、位置度變化量無明顯規律，扭轉變化量較小，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化層。受高速彈丸流的噴射作用，噴丸強化對扭轉參數的影響最為明顯。根據數據分析可知，噴丸后扭轉角變化量逐漸減少，從-0.03°變化為-0.24°。而其他參數變化量較小且無明顯規律，如圖4(d)所示。

圖4 各工序變形規律Fig.4 Deformation law of each process

2 加工模型與檢驗模型的建立方法

2.1 誤差補償值的適用性判定原則

獲得參數變化規律后，需要確定各工序的誤差補償值。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償值；將各工序加工前后參數變化量的均值作為建立各工序檢驗模型的誤差補償值。但測量數據通常來源于多個葉片，具有一定的隨機性和離散性。因此需要制定誤差補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模型的誤差補償值是否能夠補償。制定的判定原則有兩個，分別為離散程度原則和算數平均值大小原則。

離散程度原則要求在考慮工藝系統能力時，參數誤差值的最大變化范圍仍然小于給定的公差帶范圍。基于實測參數且考慮工藝系統加工能力下參數誤差值的范圍為

Q=[μ-3σ-kσ′，μ+3σ+kσ′]

(1)

式中：μ為數據的均值；σ為標準偏差；σ′為由工藝系統穩定性求得的標準差；k可自定義取值3、4、5、6，默認為6。其中σ′由工序能力指數推導

σ′=min{(USL-μ),(μ-LSL)}/(3CPK)

(2)

式中：USL、LSL分別為參數的公差上下限；CPK為工序能力指數。

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)

當誤差補償值滿足離散程度原則和算數平均值大小原則，則該誤差補償值可用于模型的修正和建立中;否則不能應用于誤差補償之中。

2.2 數控精銑加工模型的建立

數控精銑的加工模型是指在數控編程時采用的數字模型[21]，即根據三維實體模型進行數控編程。精銑加工模型對葉片的最終型面質量影響甚大，所以對精銑加工模型的變形誤差補償尤為重要。建立加工模型是根據加工誤差對理論模型修正得到，將數控精銑、拋光、振動光飾、噴丸強化等4個工序的加工誤差看作一個整體誤差對精銑加工模型進行變形誤差補償。假定加工過程中輪廓度、位置度、扭轉角的誤差補償值分別用F、E、H表示，則數控精銑加工模型的誤差補償量ε可表示為ε=[FEH]。數控精銑的加工補償值是各工序加工誤差的累加，其表達式為

(6)

式中：i=1, 2, 3, 4；依次表示4個工序，分別為數控精銑、拋光、振動光飾、噴丸強化

當獲得的整體變形誤差值滿足2.1節的兩大判定原則后。利用反變形誤差補償原理[22]對精銑加工模型進行修正，即根據測量獲得的零件加工表面相關參數的誤差值來修正加工模型，其補償原理如圖5所示。

圖5 反變形補償原理Fig.5 Inverse deformation compensation principle

在不改變原有的典型加工工藝流程的基礎上，根據上述分析可以建立精銑加工模型誤差補償流程，如圖6所示。其中h為經驗值，第1次補償時h=0；若補償后加工零件的誤差值仍不滿足公差要求，則可根據加工經驗調整h值。直到滿足葉片加工要求，即可根據補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 工序檢驗模型的建立

檢驗模型是用來評價零件實際狀態與預期狀態的偏差。在葉片生產中，為了判斷加工工序是否合格，必須進行工序檢驗。目前工程上普遍采用理論模型作為工序的檢驗模型，其可能導致工序合格而終檢超差的結果。為了確保工序合格且終檢合格，需要對各工序的檢驗模型做出修正。檢驗模型由理論截面線和公差要求組成，建立工序檢驗模型就是依據各后續工序變形情況對理論模型或公差(偏差)修正得到。

以理想狀態下某葉片截面線的前緣為例。為了保證噴丸后即終檢時葉片型面質量合格，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。且偏差值為噴丸產生的加工變形誤差，因此振動光飾工序的檢驗模型應受噴丸變形量的影響。以此類推，拋光的檢驗模型應受光飾和噴丸工序變形量累加的影響，而數控精銑的檢驗模型受后續拋光、振動光飾及噴丸工序的加工變形量累加的影響。

圖7 理想狀態下葉片前緣檢驗模型對比Fig.7 Comparison of inspection models for leading edge of blade under ideal conditions

根據以上分析，基于“倒推”思想可以得出各工序檢驗模型的建立流程，如圖8所示。利用反變形誤差補償原理即可計算出各工序誤差補償后的檢驗模型。噴丸為最終工序，其檢驗模型為理論模型；振動光飾的檢驗模型由噴丸變形誤差補償到終檢的檢驗模型上所得；拋光的檢驗模型由光飾變形誤差和噴丸變形誤差的累加補償到終檢的檢驗模型上所得，也即為光飾變形誤差補償到振動光飾的檢驗模型上；數控精銑的檢驗模型由拋光變形誤差、光飾變形誤差和噴丸變形誤差的累加補償到終檢的檢驗模型上所得，即拋光變形誤差補償到拋光的檢驗模型上。

圖8 各工序檢驗模型建立流程Fig.8 Flow chart for establishing inspection model for each process

當各工序的變形誤差值滿足2.1節的兩大判定原則后，即可對各工序的檢驗模型進行修正。由于噴丸為最終工序，其檢驗模型為理論模型，即檢驗模型的修正值為0。假定其余工序檢驗模型修正值為P={F,E,H}，其中F、E、H可由式(6)所得。當計算振動光飾檢驗模型的修正值時，取i=4；當計算拋光檢驗模型的修正值時，取i=3，4；當計算數控精銑檢驗模型修正值時，取i=2，3，4。即可獲得各工序檢驗模型的修正值。

結合1.3節各工序變形誤差規律分析，噴丸工序的檢驗模型為最終的理論檢驗模型，振動光飾的檢驗模型相比噴丸的檢驗模型主要會產生扭轉補償變化，拋光的檢驗模型相比振動光飾的檢驗模型會產生弦長補償變化，最后精銑的檢驗模型相比拋光檢驗模型主要會產生弦長補償變化和較小的扭轉補償變化。通過計算其相關表征參數的變化量及數據規律原則判斷后，可以做出變形誤差補償后的各工序檢驗模型。其檢驗模型等高的截面線變形補償對比如圖9所示。

圖9 各工序檢驗模型變形補償對比Fig.9 Comparison of deformation compensation of inspection model for each process

3 實例驗證

以某型號航空發動機壓氣機Ⅱ級葉片的扭轉角參數為例進行實驗驗證。工程設計圖紙上給出的扭轉角的公差帶為±0.167°(±10.02′)。

從粗加工后的批次葉片中隨機挑選兩組樣件，樣件Ⅰ組(包括11號、12號、13號葉片)以及樣件Ⅱ組(包括21號、22號、23號葉片)。計算出數控銑削加工模型的扭轉角的誤差補償值及各工序檢驗模型的扭轉角的誤差補償值。

首先計算扭轉參數誤差補償值是否滿足兩大判定原則。由實驗測量數據可計算出均值μ、標準差σ分別為

(7)

(8)

已知工藝系統的工序能力指數CPK為1.67，結合式(2)計算可得σ′=0.014 0。取k值為6，則由式(1)計算出基于實測數據且加工能力最壞的情況下扭轉參數范圍Q=[-0.198 4,0.004 4]。

已知該批次葉片扭轉角公差帶的范圍為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°

同時由式(4)可知滿足算數平均值大小原則：

|(-0.097°)-0.334°|>0.083 5°

通過以上計算，可知該批次葉片扭轉參數的誤差補償值滿足2.1節的兩大適用性判定原則，即可進行扭轉參數的誤差補償。分別建立扭轉參數補償后的數控銑削加工模型和各工序的檢驗模型。最后按照表1中給出的加工檢驗條件分別對樣件Ⅰ組和Ⅱ組的葉片進行加工與檢驗。

采用典型加工工藝過程按照條件1、2加工兩組樣件后，使用三坐標測量機對樣件Ⅰ、Ⅱ兩組葉片分別進行測量，獲得各組葉片的7條截面線數據。再用評價軟件計算各截面線的扭轉角參數值，判斷是否滿足檢驗要求達到質量合格標準。

表1 加工檢驗條件Table 1 Conditions for processing and inspection

依照條件1加工樣件Ⅰ組后，各工序扭轉角測量結果如圖10所示。從圖中可知數控精銑、拋光、振動光飾等工序都滿足扭轉誤差的要求，但噴丸強化工序后的扭轉誤差超差，從而導致葉片終檢不合格，該組樣件葉片質量不達標。

圖10 銑削工序補償后各工序扭轉參數Fig.10 Torsion parameters of each process after milling process compensation

依照條件2加工樣件Ⅱ組后，修正后的檢驗模型公差帶和各工序扭轉誤差測量結果如圖11所示，從圖中分析可知：在條件2的加工檢驗條件下，各工序的檢驗均合格，葉片質量最終達標。

通過實例驗證可知，所提出的加工檢驗條件有效地提高了葉片的加工質量，降低了葉片成品的廢品率，保證了葉片工序檢驗的合格及終檢的合格。

4 結 論

1) 以航空發動機薄壁葉片型面數控銑削、拋光、振動光飾、噴丸強化的典型加工工藝為研究對象，提出了一種面向多工序的加工變形誤差補償方法。

2) 分析了各工序的加工變形誤差規律，制定了補償值的數據規律原則，結合反變形誤差補償技術，提出了數控精銑工序加工模型的建立方法。

圖11 多工序補償后各工序扭轉參數Fig.11 Torsional parameters of each process after multi-stage compensation

同時在考慮各工序加工變形誤差補償的基礎上，建立了評價各工序加工的檢驗模型

3) 通過實例證明了該方法的有效性。所提方法已經應用于某航空發動機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量、降低了葉片成品的廢品率和加工成本。