一種整體葉盤加工預變形控制方法

高金磊，尤嘉，單純利，查永康

（1.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧沈陽110043；2.中國航發成都發動機有限公司，四川成都610503）

0 引言

航空渦輪發動機要求壓氣機部件具有最佳的性能和最輕的重量，整體葉盤是軸流壓氣機的重要轉動部件，不斷向大流量、高負荷方向發展。為提升氣動效率并增大壓縮比，整體葉盤采用具有優良氣動性能的跨音速葉型，并采用帶有前掠、后彎特征的復雜空間曲面構型，葉身型面薄長、復合彎扭程度大［1-3］。為保證應用性能，加工過程中對葉型參數公差要求越來越嚴格，傳統葉型檢測的準確性難以滿足整體葉盤、葉片型面的檢測需求。目前，國外某些發動機廠商大量采用Leitz PMM-C四軸聯動坐標測量機進行整體葉盤葉片型面檢測［4］；也有一些公司采用Renishaw REVO旋轉掃描測頭的五軸坐標測量機進行整體葉盤葉片的型面檢測［5-7］，METROPTIC，WENZEL，GOM公司的光學測量設備也在整體葉盤葉片型面檢測中得到應用［8-9］。

整體葉盤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。由于整體葉盤葉型呈現長薄壁、大彎扭、窄間距、高曲率變化等特點，常常導致葉型銑削加工中葉型中上部出現較大的扭轉和彎曲變形，葉型輪廓度、位置度和扭轉角等參數易超出設計要求。為保證整體葉盤葉片型面加工精度，提高成品合格率，必須采取措施控制整體葉盤葉片部位彎曲及扭轉變形。本文以某航空發動機整體葉盤作為研究對象，利用三維自由型面檢測技術，研究其加工過程中的預變形控制方法，并進行實驗驗證。

1 基于葉型檢測數據的反向補償方法

1.1 葉型變形特點分析

該型高壓鈦合金整體葉盤、葉片葉型的前后緣厚度以及截面最大厚度偏薄，屬于懸臂結構，在銑削過程中受切削力、材料特性、應力釋放等因素影響，易出現較大的彎曲和扭轉變形，并且葉型實體變形存在連續性，表現為如下特點:從葉根到葉尖方向，葉片扭轉變形逐漸增大，進氣邊向葉背側扭轉，排氣邊向葉盆側扭轉；從葉根到葉尖方向，葉片彎曲變形逐漸增大，葉盆側向葉背側彎曲，如圖1所示。檢測結果顯示該葉型中上部截面的位置度及扭轉角合格率低，葉尖尺寸和葉尖跳動易出現較大超差。

1.2 葉型變形反向補償方法

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償方法，其基本思路是:通過分析已有葉型檢測數據，統計分析葉型加工后各截面位置度、扭轉角與設計值的最大偏差，預先獲取葉片銑削加工引起的彎曲及扭轉變形量；基于葉片變形特點，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計模型，重構供編程使用的反向預變形葉片工藝模型［10］，再進行編程加工，從而實現葉片彎曲及扭轉變形誤差的反向補償，如圖2所示。

1.3 葉型預變形控制

圖1 葉型彎扭變形

為構建葉片反向預變形工藝模型，應準確分析葉片原始彎曲變形及扭轉變形量，并綜合考慮葉片截面高度、公差設計要求以及再變形等影響因素，進行修正量的補償設計［5］。截面位置度偏差反映了葉片彎曲變形情況，因此根據截面位置度偏差確定位移修正量及修正方向，如圖3所示；截面扭轉角偏差反映了葉片扭轉變形情況，因此根據截面扭轉角偏差確定角度修正量及修正方向，如圖4所示。利用坐標測量技術和統計分析方法獲取位移修正量和角度修正量數據，得到各葉片沿葉展方向所有檢測截面的扭轉角偏差及位置度偏差。

圖2 葉型變形反向補償方案

圖3 葉型截面位置偏差及修正方向

圖4 葉型截面扭轉角偏差及修正方向

1）彎曲變形修正

針對葉片彎曲變形偏差，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以及相關截面的位移修正量。沿葉根到葉尖方向進行分析，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。對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起始截面和終止截面位移修正量的線性插值獲得。依據檢測數據，從起始截面Sv到終止截面Sk，按實測位置相對理論位置偏移的反方向進行預變形修正。

2）角度變形修正

針對葉片角度變形偏差，需要確定扭轉變形起始修正截面Su、扭轉變形終止修正截面Sk以及相關截面的角度修正量。沿葉根到葉尖方向進行分析，起始修正截面Su的角度修正量不小于該截面扭轉角公差的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角偏差在該截面扭轉角公差帶范圍內。對于扭轉變形起始截面Su和終止截面Sk之間的截面，其扭轉變形的角度修正量依據起始截面和終止截面角度修正量的線性插值獲得。依據檢測數據，從起始截面Su到終止截面Sk，按實測扭轉角相對理論扭轉角旋轉的反方向進行預變形修正。

利用CAD/CAM軟件，根據葉片相關截面中扭轉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，然后在截面所屬平面內平移的修正原則，依次對葉片理論截面進行修正，構建供編程使用的反向預變形葉片工藝模型，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，保證葉片曲面無造型缺陷，采用整體葉盤、葉片專用編程軟件進行葉型銑削編程。

圖5 葉片修正模型圖

2 基于葉型檢測數據的反向補償實驗驗證

為驗證本文方法的可行性，采用四軸聯動坐標測量機對某型民用發動機整體葉盤進行補償前后的三維掃描比對測量。選取了14項葉型參數進行評價分析，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，測量結果如圖6所示。

圖6 葉型分析報告圖

以整體葉盤的第一片葉型數據為例，分別選取具有代表性的評價參數:弦寬、扭轉角、積疊軸位置度、前緣輪廓度［6-8］進行比對分析，結果如圖7所示。

圖7 葉型參數分析示意圖

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

該整體葉盤全部27片葉型參數數據包括1278項葉型檢測數據，126項位置度SFT數據，18項位置度BOW數據，以及1134項其余技術條件項的檢測數據。具體超差情況對比如表1所示，經反向補償后葉型輪廓度無較大變化，位置度SFT最大值縮小至0.31 mm，合格率由88.9%提高到100%；扭轉角由88.1%提高到96.0%。

表1 整體葉盤反向補償前后葉型參數超差情況對比

3 結束語

航空發動機整體葉盤葉型制造過程中易出現加工變形大、銑削穩定性差等問題。針對整體葉盤葉片的結構特點，以減小葉片變形、提高葉片型面加工精度和合格率為出發點，提出了基于整體葉盤原始檢測數據的整體葉盤葉片工藝模型反向補償方法。利用某型民用發動機整體葉盤開展實驗，證明了此補償方法的可行性與有效性，為航空發動機整體葉盤葉型高質量制造提供了有力保障。該方法對于單葉片同樣具有適用性，但針對具體葉型的預變形控制量需要經過若干迭代試驗進行精確驗證。