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

0 引言

航空渦輪發(fā)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(zhuǎn)動部件，不斷向大流量、高負荷方向發(fā)展。為提升氣動效率并增大壓縮比，整體葉盤采用具有優(yōu)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(gòu)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(shù)公差要求越來越嚴格，傳統(tǒng)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(fā)動機廠商大量采用Leitz PMM-C四軸聯(lián)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(zhuǎn)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(shè)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(xiàn)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(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(zhuǎn)變形。本文以某航空發(fā)動機整體葉盤作為研究對象，利用三維自由型面檢測技術(shù)，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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，并且葉型實體變形存在連續(xù)性，表現(xiàn)為如下特點:從葉根到葉尖方向，葉片扭轉(zhuǎn)變形逐漸增大，進氣邊向葉背側(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易出現(xiàn)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(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析葉型加工后各截面位置度、扭轉(zhuǎn)角與設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計模型，重構(gòu)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(xiàn)葉片彎曲及扭轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)變形量，并綜合考慮葉片截面高度、公差設(shè)計要求以及再變形等影響因素，進行修正量的補償設(shè)計［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。利用坐標測量技術(shù)和統(tǒng)計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截面的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(nèi)。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(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)檢測數(shù)據(jù)，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(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)檢測數(shù)據(jù)，從起始截面Su到終止截面Sk，按實測扭轉(zhuǎn)角相對理論扭轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)的反方向進行預變形修正。

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，依次對葉片理論截面進行修正，構(gòu)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(shù)據(jù)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(lián)動坐標測量機對某型民用發(fā)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(shù)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(jié)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(shù)據(jù)為例，分別選取具有代表性的評價參數(shù):弦寬、扭轉(zhuǎn)角、積疊軸位置度、前緣輪廓度［6-8］進行比對分析，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變化；扭轉(zhuǎn)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??；輪廓度參數(shù)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(zhuǎn)等參數(shù)指標明顯變優(yōu)。

該整體葉盤全部27片葉型參數(shù)數(shù)據(jù)包括1278項葉型檢測數(shù)據(jù)，126項位置度SFT數(shù)據(jù)，18項位置度BOW數(shù)據(jù)，以及1134項其余技術(shù)條件項的檢測數(shù)據(jù)。具體超差情況對比如表1所示，經(jīng)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(zhuǎn)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(shù)超差情況對比

3 結(jié)束語

航空發(fā)動機整體葉盤葉型制造過程中易出現(xiàn)加工變形大、銑削穩(wěn)定性差等問題。針對整體葉盤葉片的結(jié)構(gòu)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(fā)點，提出了基于整體葉盤原始檢測數(shù)據(jù)的整體葉盤葉片工藝模型反向補償方法。利用某型民用發(fā)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(fā)動機整體葉盤葉型高質(zhì)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(jīng)過若干迭代試驗進行精確驗證。