基于路徑規(guī)劃的大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離技術(shù)

余強(qiáng)，唐蘭劍，趙強(qiáng)

(1. 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500； 2. 中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000)

0 引言

隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展, 近年來整體葉盤結(jié)構(gòu)在新研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)中已得到廣泛應(yīng)用[1]。但是，整體葉盤技術(shù)的應(yīng)用也帶來了整體葉盤葉片損傷修復(fù)和葉片試驗(yàn)等難題。在這些問題的解決過程中，需要將目標(biāo)葉片從整體葉盤上分離下來。分離葉片過程造成的變形應(yīng)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(shí)，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(dá)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(jìn)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(shù)方案。通過理論計(jì)算得出葉片分離所需要的刀位點(diǎn)，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(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬檢查。最后，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤上通過了加工驗(yàn)證，并取得了較好的效果。本技術(shù)的實(shí)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(diǎn)：1) 葉片扭轉(zhuǎn)角和掠角大，從進(jìn)氣邊到排氣邊扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)氣邊到排氣邊最大扭轉(zhuǎn)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(xì)，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(dòng)的線切割機(jī)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(jìn)行加工。如圖2(a)所示，電極絲沿軸向穿越葉片間通道時(shí)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(shí)，存在兩個(gè)極限位置，在極限位置上電極絲剛好同時(shí)接觸到相鄰的兩片葉片。因此，在實(shí)際加工時(shí)，電極絲應(yīng)該位于兩個(gè)極限位置之間。對應(yīng)的整體葉盤傾斜角也有兩個(gè)極限值，而選擇的傾斜角大小應(yīng)該在兩個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在y方向上的距離。經(jīng)過計(jì)算，整體葉盤傾斜角α應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(1)

圖3 電極絲極限位置

2.3 工裝設(shè)計(jì)

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(gè)，所以設(shè)計(jì)的工裝必須有使整體葉盤旋轉(zhuǎn)分度的功能。整體葉盤葉片分離工裝應(yīng)具備三項(xiàng)功能：支撐定位、傾斜固定角度、旋轉(zhuǎn)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(shí)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(jìn)行壓緊，防止零件在各個(gè)方向的移動(dòng)。在壓緊位置下部采用柔性輔助支撐，防止螺栓預(yù)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分度。每分離完成一片葉片后，轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤，整體葉盤也跟著旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至下一個(gè)鍵槽時(shí)，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(jì)算切入點(diǎn)和切出點(diǎn)

在分離整體葉盤葉片時(shí)，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(diǎn)和切出點(diǎn)，它們是編程加工中需要給出的點(diǎn)。圖5是整體葉盤葉片分離工作時(shí)的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)。

圖5 切入點(diǎn)與切出點(diǎn)

圖6 坐標(biāo)變換

因此，切入點(diǎn)和切出點(diǎn)滿足以下關(guān)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(dá)切入點(diǎn)，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(shí)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(shí)的重復(fù)對刀，因此葉片分離工作完成后，電極絲應(yīng)回到加工起始點(diǎn)。在路徑規(guī)劃中，將加工路徑起始點(diǎn)和終止點(diǎn)設(shè)為同一點(diǎn)，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(diǎn)，等待進(jìn)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(biāo)系下選取加工路徑上起始點(diǎn)(終止點(diǎn))坐標(biāo)位置，保證起始點(diǎn)位置處于整體葉盤和工裝幾何輪廓之外。2) 根據(jù)起始點(diǎn)、已計(jì)算的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)，初步確定加工路徑的基本形狀和走向。3) 設(shè)置其余加工路徑，保證電極絲沿加工路徑運(yùn)動(dòng)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(yīng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行幾何仿真，對加工路徑進(jìn)行模擬檢查。在UGNX軟件中進(jìn)行幾何仿真，其步驟為：首先建立整體葉盤實(shí)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(jìn)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(jìn)行調(diào)整；如果產(chǎn)生干涉，則對發(fā)生干涉位置的路徑進(jìn)行調(diào)整，使電極絲與相鄰實(shí)體有充裕的間隙值，再重新進(jìn)行幾何仿真。

除了進(jìn)行干涉檢查，還應(yīng)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(diǎn)處圓周上對應(yīng)的弦長，因此在整體葉盤旋轉(zhuǎn)分度進(jìn)行葉片分離時(shí)，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(yīng)使a、b兩點(diǎn)在整體葉盤對應(yīng)圓周上構(gòu)成的圓心角小于每片葉片的分度角度，即應(yīng)滿足：

(5)

式中：r為a、b兩點(diǎn)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(diǎn)在工作坐標(biāo)系下的y坐標(biāo)值。

圖9 加工路徑極限位置

3 加工驗(yàn)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(zhuǎn)角度為40°。

圖10 某型整體葉盤

按式(1)計(jì)算，取傾斜角α=26.5°。設(shè)計(jì)和制造葉片分離工裝，實(shí)現(xiàn)整體葉盤的定位、傾斜和分度功能。然后，按式(2)-式(4)計(jì)算出在工作坐標(biāo)系下的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)坐標(biāo)值，切入點(diǎn)坐標(biāo)為[209.48 12.39 37.41]，切出點(diǎn)坐標(biāo)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(jìn)行驗(yàn)算，其結(jié)果滿足要求。在UGNX軟件上進(jìn)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(jī)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(jìn)行了檢測，表1為葉片切割面尺寸誤差的檢測結(jié)果，表2切割面的平行度誤差的檢測結(jié)果。

表1 尺寸結(jié)果

表2 平行度結(jié)果

在表1中，所有葉片的尺寸誤差在[-0.02,+0.02)區(qū)間內(nèi)，有60.3%的葉片尺寸誤差在[-0.01,+0.01)區(qū)間內(nèi)，[-0.02,-0.01)和[+0.01,+0.02)區(qū)間內(nèi)葉片數(shù)量大致相等?？梢钥闯?，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(nèi)，97.1%的葉片平行度誤差在[0,0.02)區(qū)間內(nèi)。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(shù)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(jié)語

本文對大掠扭葉型整體葉盤的葉片分離進(jìn)行了研究，從理論計(jì)算、工裝設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、幾何仿真證明了該技術(shù)的可行性，通過實(shí)物加工證明了該技術(shù)的可靠性，為整體葉盤葉片分離工作提供了較好的技術(shù)方案，具有重要的意義。在本次研究中，得出了以下結(jié)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(jìn)行分離，并獲得較好的加工質(zhì)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(diǎn)和切出點(diǎn)位置對加工路徑的好壞起到了關(guān)鍵性的作用。

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