航空發動機渦輪葉片葉尖損傷修復自適應加工技術研究與應用

吳志新 昂給拉瑪 張 云 劉德健

(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北方工業大學，北京 100041；③北京航空航天大學，北京 100191)

航空發動機是飛機的動力核心，在航發的各組成部件中，渦輪工作葉片的功能使命及其工作特點決定了它在航空發動機中是受力惡劣、承載最大的轉動部件之一[1]，這也造成渦輪工作葉片常見失效破損。其中，裂紋失效出現的概率最高，其危害也最大，主要為離心力疊加彎曲應力引起的疲勞裂紋、振動環境引起的顫振疲勞裂紋以及有環境介質引起的腐蝕損傷導致的高溫疲勞裂紋[2]。現階段，為了降低發動機使用成本，對損傷渦輪工作葉片的再制造修復有著極其重大的意義[3]。

20世紀70年代末，美、英等國就在軍/民用噴氣發動機葉片部件修復技術的研究中投入了巨額資金。至今，損傷葉片的再制造修復技術仍被國外壟斷[4]，如MTU、Chromalloy等國外著名發動機制造和維修企業大都采用激光熔覆結合自適應磨拋加工，葉片修復后有良好的精度和性能[5]。而國內航空公司和發動機制造廠由于缺少葉片部件的修復技術，或是直接按葉片報廢處理或是依賴國外技術資源進行維修，價格昂貴，進度很慢，頗受制約與限制[6]。

在渦輪葉片修復的關鍵技術中，自適應加工技術作為實現破損邊界光滑搭接與修復區域高精度成形的有效手段，得到了眾多研究人員的重視。英國TTL公司通過接觸式的測量方法，獲取葉片截面線的信息并利用測得的截面線輪廓信息通過沿Z向偏置完成葉尖磨損區域的模型重構，并生成去除熔覆層的加工代碼[7]。英國Delcam公司針對渦輪葉片葉尖修復提出在機測量完成模型重構方式[8]，通過在機測量減少了定位誤差累積問題；利用接觸式測量方式獲取熔覆層附近的兩個橫截面數據，計算出該直紋葉片葉尖的磨損的待修復幾何模型，從而進行磨削加工完成了整個修復過程。丁華鵬[9]基于灰色系統理論，預測了損傷區域葉型中弧線和厚度，進而重構完整的葉片模型，然后通過布爾求差得到修復缺損模型，從而獲得了一定的修復效果。HouF[10]等提出了一種葉片葉身自適應的修復方法，包括焊接表面建模以及目標修復曲面的優化建模，并最后用仿真證明該修復方法的有效性。Zhang X[11]等提出了一種發動機葉片自動化損傷區域修復方案，直接通過材料熔覆成型，與傳統的修復工藝方法相比，有一定的創新性，但針對復雜型面渦輪葉片存在一定難度。

上述研究表明，航空發動機葉片修復是國內外航空領域研究的一個熱點。在修復的機加工領域，重點是實現修復區域與非破損區域之間的光滑搭接，以及修復后的高精度成形。因此，本文在上述修復研究的基礎上，以破損渦輪工作葉片為例，開展葉尖損傷修復的自適應加工技術應用研究，保證修復后葉片的加工區域與非加工區域能實現光滑過渡搭接，且整體修復型面滿足修復葉片的最終公差要求。

1 葉片葉尖損傷修復工藝性分析

圖1為典型渦輪工作葉片葉尖裂紋缺陷，由此提出一種航空發動機渦輪工作葉片葉尖損傷再制造修復方法，建立一套葉尖損傷部位去除—熔焊堆積焊料(如圖2所示)—葉片點云獲取—葉片數字化模型重建—葉片自適應加工的再制造修復解決方案，實現葉片幾何尺寸精度的自適應修復與性能恢復。修復后的葉片質量與性能滿足設計要求，可用于修理現場實時修復，為實現航空發動機破損構件批量修復加工提供了一種有效解決方法。

1.1 工藝難點分析

由于鑄造精度的問題，葉片成品與理論設計模型存在個體差異。葉片輪廓尺寸在新品狀態形成，在使用一個工作周期后，又會產生不同程度的變形及缺陷，由于被加工對象個性化，如若按照設計圖理論尺寸修復加工，將破壞原有葉片的形狀精度，如若每件加工時都需按照CAD模型重新生成一套加工代碼，則大大影響零件整個加工周期。

葉尖部位結構復雜，葉尖下部2～3 mm處有凸臺和蓋板，后緣尾縫最狹窄處寬度僅為0.5 mm。葉片是內腔結構，葉身型面分布多排氣膜孔，切屑易進入內腔及氣膜孔，難于清理。

1.2 主要技術要求

(1)葉尖修復加工后，內、外曲面輪廓形狀符合設計圖，與原基體葉型連接光滑過渡。

(2)保證葉尖后緣尾縫處沿葉型最小壁厚0.41 mm，其余部位沿葉型最小壁厚0.51 mm(如圖3所示)。

(3)保證葉片高度尺寸。

(4)粗糙度不大于Ra0.8 μm。

(5)內腔及氣膜孔不允許殘留切屑及其他雜質。

(6)熒光檢查修復區域，無裂紋、夾雜等，按熒光檢測標準、驗收標準執行。

2 葉片葉尖損傷修復自適應加工技術

自適應技術是為了滿足某些特殊領域的需求而發展起來的一項新的綜合集成應用技術，它在多種加工技術領域都有應用。自適應加工技術是保證產品最終外型尺寸的閉環過程控制系統。它的運行機理是通過在線的測量加工區域，工件裝夾位置等，了解零件的余量分布及彈性變形，計算出目標曲面，透過對理論模型和路徑接觸點進行比對，重新自動生成運動軌跡，確保加工出的零件與設計相符。自適應過程中產生的數據文件可以反傳回質量控制管理系統，生產過程中產生的經驗數據庫可以進行輸出。自適應加工技術廣泛應用于葉盤、葉輪、葉片、機匣、輻板、飛機結構件、復合材料及飛機部裝零部件等的自適應制造及維修，在設備支持上支持銑削、磨削、激光熔覆、激光打孔、機器人打磨、等離子處理和增材等應用。

2.1 自適應加工技術路線

針對渦輪工作葉片葉尖修復工藝的難點，即：每片修復的葉片的變形不一致，裝夾的位置、角向不同，原有精鑄精度的問題，諸如以上的實際問題都可以通過自適應加工技術快速地在線檢測每一件待加工零件或部位，了解實際形狀及位置分布，然后系統通過測量的數據，重新構造與設計相符的目標數模，生成唯一的個性化路徑軌跡以滿足產品制造，最終與設計、實物相符。

自適應加工技術路線如圖4所示。

2.2 CAD模型數據配準技術

由于被加工對象毛坯個性化特征，重構出的CAD模型缺乏規則的基準平面找到其坐標系統，需要采用配準技術找正其坐標系統。空間兩點集即理論模型X{xi}和被加工對象測量信息P{pi}，將P點集經過旋轉和平移使其與X點集的距離最小，建立測量信息P{pi}和理論模型信息X{xi}之間的空間變換關系，所述空間變換關系包括旋轉矩陣R和平移矩陣T。再采用最近點配對的方法，將P中每一個點，都在X中尋找一個與其距離最近的點配對，形成新的點集X’，如圖5所示。

計算公式如下：

奇異值分解：W=V·∑·UT

計算旋轉R矩陣：R=U·VT

旋轉P矩陣：

P=R·P

求解平移T矩陣：

T=μX-R·μP

一次迭代：

P=R·P+T

3 葉片葉尖損傷修復自適應加工技術驗證

自適應加工系統包括自適應加工軟件和機床、刀具等硬件系統，二者的集成是最終實現自適應加工的關鍵。在某型號高壓渦輪工作葉片修理工作中，采用自適應加工系統開展葉片的修復加工，并完成多臺發動機葉片的修復加工與應用驗證。

3.1 試驗步驟

步驟1：待修復葉片葉尖損傷區域經過融覆、堆焊方式填充后，通過在機檢測獲取葉尖損傷鄰近區域的測量信息。

步驟 2：獲取葉片葉尖修復前的理論模型信息。

步驟3：用數據配準建立測量信息和理論模型信息之間的空間變換關系(空間變換關系包括旋轉和平移)，得出旋轉和平移修正量，即最佳擬合后的旋轉和平移量。

步驟4：依據理論模型信息生成加工刀位軌跡CLSF文件， CLSF文件中的理論刀位點、理論刀軸矢量，根據步驟3得出的在XYZ方向修正量，生成修正后的刀位點和刀軸矢量。

步驟5：利用修正后的刀軌，進行渦輪葉片葉尖損傷區域的磨削、拋光加工，從而實現精密葉尖的完整修復。

如圖6所示，采用RMP40測頭，φ6 mm測球在線檢測，在葉尖鄰近的2條截面各優化獲得12個測量點，產生的測量數據文件可以反傳回電腦軟件系統，并依據測量數據在UG中自動生成加工模型。

試驗采用三軸立式加工中心，葉片通過快換工裝托盤垂直懸臂安裝于工作臺，便于后續過程中機加工與特征加工重復裝夾精度。如圖7所示。

生成的加工刀位軌跡CLSF文件如圖8所示。

3.2 內腔及氣膜孔保護

試驗過程中，對于內腔及氣膜孔不允許殘留切屑及其他雜質的技術要求，工藝試驗過程中對葉片內腔及多排氣膜孔進行了保護。本次技術研究采用的是功能膠，將內腔及氣膜孔密封，達到了孔的保護作用。據了解，國外此類葉片修復時，空腔及氣膜孔保護，采用一種液體狀的“多功能環氧樹脂油灰膠”，冷卻后凝固，達到保護作用。對其加熱至100 ℃以上即溶化，變成“灰”，可吹掉，也可采用超聲波清洗去除掉，小孔內也無殘留。在后續批量工程化應用中，空腔及小孔的保護、清理將尤為重要，需繼續尋找更適當的方式防止切屑及雜質的進入。

3.3 試驗結果

通過對修復后的渦輪工作葉片葉尖型面進行測量，如圖9所示，形狀符合工藝技術要求。從外觀檢查可以看到，葉片修復區域與原有型面經自適應拋光后轉接光滑過渡，如圖10所示。內外腔的壁厚合格，表面粗糙度達Ra0.8 μm以下，其他技術指標均達到了工藝要求。通過熒光檢查，機加的過程并沒有造成新的裂紋等缺陷。

4 結語

本次渦輪工作葉片葉尖損傷修復技術研究與應用，提供現有設備單機的解決方案及工藝流程，自適應功能得到完整的應用與驗證，實現葉型與前、后緣的平滑轉接，確保品質的穩定，無需復雜的曲面重構，大幅度提高數據處理效率，可用于現場實時修復，單片葉片修復時間小于0.5 h，快速實現低成本的再生制造，延長渦輪葉片的使用壽命。

未來將會有大批量航空發動機葉片的修復需求，葉片故障區域結構也會更加復雜，快速實現低成本的再生制造，需要跨越數字化、自動化和智能化3個臺階，要建立葉片修復與再制造智能化生產線及全流程技術體系。葉片修復技術也需要多專業的融合，如葉片缺陷智能識別技術，線激光高效在線測量技術，激光熔覆(焊)與機加復合機床研制與應用技術，增材制造技術等，使葉片修復系統具有自適應、自修復的高效率修理能力。