基于路徑規(guī)劃的大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離技術

余強，唐蘭劍，趙強

(1. 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500； 2. 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

0 引言

隨著航空制造技術的不斷發(fā)展, 近年來整體葉盤結構在新研制航空發(fā)動機中已得到廣泛應用[1]。但是，整體葉盤技術的應用也帶來了整體葉盤葉片損傷修復和葉片試驗等難題。在這些問題的解決過程中，需要將目標葉片從整體葉盤上分離下來。分離葉片過程造成的變形應盡量小，被分離葉片尺寸精度、位置精度和表面粗糙度要求較高。同時，具有大掠扭葉型的整體葉盤由于葉片掠扭程度大、葉片間相互遮擋、通道相對狹窄，所以刀具可達性較差，這些使葉片分離更加困難。因此，對于大掠扭葉型整體葉盤，需要探索出一種合適的葉片分離方法。

本文對大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離進行了研究，提出了一種基于路徑規(guī)劃的電火花線切割分離葉片技術方案。通過理論計算得出葉片分離所需要的刀位點，再根據(jù)葉片的掠扭程度，規(guī)劃出一條合適的加工路徑，并在計算機上進行模擬檢查。最后，在某型發(fā)動機整體葉盤上通過了加工驗證，并取得了較好的效果。本技術的實現(xiàn)為整體葉盤葉片分離提供了新的思路，具有重要的意義。

1 研究對象分析

大掠扭葉型整體葉盤一般具有以下特點：1) 葉片扭轉角和掠角大，從進氣邊到排氣邊扭轉和掠過較大角度。2) 葉片間通道窄，且通道形狀隨著葉片扭轉產(chǎn)生劇烈變化。3) 葉寬和葉高較大，使相鄰葉片在軸向上相互遮擋，葉片表面曲率變化大，給數(shù)控加工帶來了難題。圖1為某大掠扭葉型整體葉盤，掠角為49°，從進氣邊到排氣邊最大扭轉角度為47°。

圖1 大扭掠葉型整體葉盤

2 葉片分離方案

2.1 加工方法的確定

選擇電火花線切割工藝方法分離整體葉盤葉片，理由如下：1)線切割電極絲細，直徑一般為0.1mm～0.3mm，有利于穿越狹窄的葉片通道。2)電火花線切割加工沒有切削力，因此可以大大降低零件的加工變形。3)選擇慢走絲加工方法，可以獲得較高的表面粗糙度和尺寸精度。4)選擇兩軸聯(lián)動的線切割機床可滿足加工要求，加工成本低。

2.2 確定整體葉盤傾斜角

對大掠扭葉型整體葉盤，電極絲無法沿葉盤軸線方向穿越葉片間通道，因此造成電極絲無法沿葉盤軸向方向進行加工。如圖2(a)所示，電極絲沿軸向穿越葉片間通道時被葉片阻擋。如圖2(b)所示，將葉盤傾斜合適的角度α后，電極絲便可順利穿越通道。

圖2 整體葉盤傾斜角

電極絲穿越葉片間通道時，存在兩個極限位置，在極限位置上電極絲剛好同時接觸到相鄰的兩片葉片。因此，在實際加工時，電極絲應該位于兩個極限位置之間。對應的整體葉盤傾斜角也有兩個極限值，而選擇的傾斜角大小應該在兩個極限值之間。

圖3為電極絲極限位置圖。h1為葉片在軸向方向的寬度，h2為極限位置2與葉背的切點在軸向方向的高度，a為極限位置1與相鄰兩葉片前后緣切點在y方向上的距離，b為極限位置1與相鄰兩葉片的兩處切點在y方向上的距離。經(jīng)過計算，整體葉盤傾斜角α應滿足以下關系：

(1)

圖3 電極絲極限位置

2.3 工裝設計

由于整體葉盤的葉片數(shù)量較多，一般需要分離的葉片不止一個，所以設計的工裝必須有使整體葉盤旋轉分度的功能。整體葉盤葉片分離工裝應具備三項功能：支撐定位、傾斜固定角度、旋轉分度。

以某型整體葉盤為例，圖4為該葉片分離工裝裝夾示意圖。整體葉盤通過2件定位銷和1處平面與工裝實現(xiàn)支撐定位，并通過壓緊環(huán)和壓緊螺栓1壓緊固定。帶斜面的基座使整體葉盤傾斜固定角度，壓緊螺栓2將基座上的分度盤和基座壓緊聯(lián)接。在葉盤中間壁厚較大處進行壓緊，防止零件在各個方向的移動。在壓緊位置下部采用柔性輔助支撐，防止螺栓預緊力過大造成零件變形。分度盤上有n(n=葉片總數(shù))處高精度鍵槽，通過與分度插銷組合使用，實現(xiàn)準確分度。每分離完成一片葉片后，轉動分度盤，整體葉盤也跟著旋轉，當旋轉至下一個鍵槽時，將分度插銷插入該鍵槽，然后繼續(xù)分離葉片。

圖4 專用工裝

2.4 計算切入點和切出點

在分離整體葉盤葉片時，在整體葉盤上必然存在起始切入位置和切出位置，即切入點和切出點，它們是編程加工中需要給出的點。圖5是整體葉盤葉片分離工作時的切入點和切出點。

圖5 切入點與切出點

圖6 坐標變換

因此，切入點和切出點滿足以下關系：

(2)

(3)

(4)

2.5 規(guī)劃加工路徑

整體葉盤傾斜后，線切割電極絲需穿過葉片通道到達切入點，并開始葉片分離工作。由于大掠扭葉型整體葉盤的葉片掠扭程度大，所以電極絲穿過葉片間通道時容易與葉片產(chǎn)生碰撞。在加工前，根據(jù)整體葉盤葉型和葉片間通道，規(guī)劃合理的加工路徑，避免電極絲與葉片發(fā)生干涉。

為了提高加工效率，消除每件葉片分離時的重復對刀，因此葉片分離工作完成后，電極絲應回到加工起始點。在路徑規(guī)劃中，將加工路徑起始點和終止點設為同一點，使加工路徑成為閉合回路。在分離一片葉片后，電極絲回到切割起始點，等待進行下一件葉片的分離工作。

圖7為某整體葉盤葉片分離的加工路徑示意圖。規(guī)劃加工路徑分以下幾步：1) 在工作坐標系下選取加工路徑上起始點(終止點)坐標位置，保證起始點位置處于整體葉盤和工裝幾何輪廓之外。2) 根據(jù)起始點、已計算的切入點和切出點，初步確定加工路徑的基本形狀和走向。3) 設置其余加工路徑，保證電極絲沿加工路徑運動不與整體葉盤和工裝產(chǎn)生干涉。

圖7 加工路徑

2.6 幾何仿真

規(guī)劃好加工路徑后，還應在計算機上進行幾何仿真，對加工路徑進行模擬檢查。在UGNX軟件中進行幾何仿真，其步驟為：首先建立整體葉盤實體模型和工裝模型，然后使電極絲按照規(guī)劃好的加工路徑進行模擬加工，最后檢查電極絲與工裝、葉片在模擬加工過程中是否發(fā)生干涉。如果沒有產(chǎn)生干涉，則說明規(guī)劃的路徑合理，路徑不需要進行調整；如果產(chǎn)生干涉，則對發(fā)生干涉位置的路徑進行調整，使電極絲與相鄰實體有充裕的間隙值，再重新進行幾何仿真。

除了進行干涉檢查，還應檢查電極絲是否在整體葉盤上造成了過切。圖8為模擬檢查過程中容易出現(xiàn)的“X”形的過切現(xiàn)象，即在葉片某分離位置出現(xiàn)加工軌跡交叉的現(xiàn)象。其原因是葉片切分寬度在y軸方向的投影距離過大，超過了該處葉片在干涉點處圓周上對應的弦長，因此在整體葉盤旋轉分度進行葉片分離時，下一片葉片的加工軌跡與前一片葉片的加工軌跡在整體葉盤上相互交叉。

圖8 “X”形過切現(xiàn)象

圖9為加工路徑的兩處極限位置示意圖，a、b為兩處極限位置。要使葉片分離過程不出現(xiàn)“X”形的過切現(xiàn)象，則應使a、b兩點在整體葉盤對應圓周上構成的圓心角小于每片葉片的分度角度，即應滿足：

(5)

式中：r為a、b兩點在整體葉盤圓周上的半徑；n為整體葉盤葉片總數(shù)量；ya和yb分別為a、b兩點在工作坐標系下的y坐標值。

圖9 加工路徑極限位置

3 加工驗證

圖10為某型整體葉盤，共有34片葉片，葉尖處直徑為760mm，葉盤總厚度176mm。葉片高度89.8mm，葉片掠過角度為37°，最大扭轉角度為40°。

圖10 某型整體葉盤

按式(1)計算，取傾斜角α=26.5°。設計和制造葉片分離工裝，實現(xiàn)整體葉盤的定位、傾斜和分度功能。然后，按式(2)-式(4)計算出在工作坐標系下的切入點和切出點坐標值，切入點坐標為[209.48 12.39 37.41]，切出點坐標為[205.79 -19.46 39.50]。規(guī)劃出加工路徑，再按式(5)對a、b為兩處極限位置進行驗算，其結果滿足要求。在UGNX軟件上進行幾何仿真，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。在兩軸電火花線切割機床上慢走絲加工，共完成2件該型整體葉盤全部葉片的分離工作。

對所有分離葉片的切割面尺寸和平行度進行了檢測，表1為葉片切割面尺寸誤差的檢測結果，表2切割面的平行度誤差的檢測結果。

表1 尺寸結果

表2 平行度結果

在表1中，所有葉片的尺寸誤差在[-0.02,+0.02)區(qū)間內，有60.3%的葉片尺寸誤差在[-0.01,+0.01)區(qū)間內，[-0.02,-0.01)和[+0.01,+0.02)區(qū)間內葉片數(shù)量大致相等。可以看出，葉片數(shù)量隨尺寸誤差區(qū)間變化呈接近正態(tài)分布趨勢。分離葉片的尺寸精度較高，誤差分布合理。

在表2中，所有葉片的平行度誤差在[0,0.03)區(qū)間內，97.1%的葉片平行度誤差在[0,0.02)區(qū)間內。可以看出，絕大部分葉片平行度誤差<0.02mm，葉片數(shù)量在平行度誤差區(qū)間[0,0.01)和[0.01,0.02)分布較平均。分離葉片的平行度精度高，一致性好。

綜上，采用基于路徑規(guī)劃的大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離技術來分離某型整體葉盤葉片，方案可行且可靠，分離葉片的尺寸和平行度精度較高，一致性較好。

4 結語

本文對大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離進行了研究，從理論計算、工裝設計、路徑規(guī)劃、幾何仿真證明了該技術的可行性，通過實物加工證明了該技術的可靠性，為整體葉盤葉片分離工作提供了較好的技術方案，具有重要的意義。在本次研究中，得出了以下結論：

1) 采用專用工裝傾斜整體葉盤、規(guī)劃加工路徑和兩軸電火花線切割的加工方法能有效地對大掠扭整體葉盤的葉片進行分離，并獲得較好的加工質量。

2) 合理的加工路徑可以避免電極絲和葉片發(fā)生干涉，提高加工效率，且切入點和切出點位置對加工路徑的好壞起到了關鍵性的作用。

3) 控制a、b兩處極限位置的坐標，能有效避免葉片分離過程的“X”形過切現(xiàn)象。