数控机床市场网-专业的数控机床网站

    　　【摘要】隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來(lái)越高，各大主機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)對(duì)葉片加工精度要求也越來(lái)越高。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片制造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄造等。
 
　　
　　葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)重要部件之一，其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中所占比重約為30%。由于葉片形狀復(fù)雜、尺寸跨度大（長(zhǎng)度從20mm~800mm）、受力惡劣、承載最大，且在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計(jì)制造水平。為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)高性能、可靠性及壽命的要求，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金、高溫合金等材料制成；同時(shí)由于葉片空氣動(dòng)力學(xué)特性的要求，葉型必須具有精確的尺寸、準(zhǔn)確的形狀和嚴(yán)格的表面完整性。
 
　　
　　隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求越來(lái)越高，各大主機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)對(duì)葉片加工精度要求也越來(lái)越高。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片制造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄造等。其中，數(shù)控銑削加工由于加工精度高、切削穩(wěn)定、工藝成熟度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而由于葉片零件壁薄、葉身扭曲大、型面復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響了葉片的加工精度和表面質(zhì)量。如何嚴(yán)格控制葉片的加工誤差，保證良好的型面精度，成為檢測(cè)工作關(guān)注的重點(diǎn)。葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規(guī)律形成的空間曲面，由于葉片形狀復(fù)雜特殊、尺寸眾多、公差要求嚴(yán)格，所以葉片型線(xiàn)的參數(shù)沒(méi)有固定的規(guī)律，葉片型面的復(fù)雜性和多樣性使葉片的測(cè)量變得較為困難。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法無(wú)法科學(xué)地指導(dǎo)葉片的生產(chǎn)加工，隨著汽輪機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)等制造業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)不斷更新?lián)Q代，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性；先進(jìn)技術(shù)的體現(xiàn)在于葉片的改進(jìn)與創(chuàng)新，從而必須提高葉片制造技術(shù)水平，同時(shí)要求葉片加工測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，體現(xiàn)其精準(zhǔn)度，精確給出葉片各點(diǎn)實(shí)際數(shù)值與葉片理論設(shè)計(jì)的誤差。且隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的迅猛發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)量大、種類(lèi)多，檢測(cè)技術(shù)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
 
　　
　　目前，在國(guó)內(nèi)的葉片檢測(cè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣板測(cè)量手段仍占主導(dǎo)地位，效率低下、發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約著設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)的一體化進(jìn)程。為適應(yīng)快速高效檢測(cè)要求，目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的數(shù)量大、檢測(cè)項(xiàng)目多，三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的引入很大程度地改善了葉片制造過(guò)程中檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確以及由于和外方檢測(cè)方式不一致所導(dǎo)致的檢測(cè)結(jié)果差異過(guò)大的問(wèn)題。三坐標(biāo)檢測(cè)所特有的適用性強(qiáng)、適用面廣、檢測(cè)快速、結(jié)果準(zhǔn)確的這一優(yōu)點(diǎn)，使得三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在葉片生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在葉片生產(chǎn)主機(jī)廠(chǎng)家逐漸得到普及。但由于葉片型面復(fù)雜、精度要求高，不同廠(chǎng)家的測(cè)量方式、測(cè)量流程和數(shù)據(jù)處理方式不同，導(dǎo)致葉片的測(cè)量結(jié)果不一致，測(cè)量工作反復(fù)，嚴(yán)重制約著葉型檢測(cè)效率的提高。
 
　　
　 　葉型檢測(cè)難點(diǎn)具體表現(xiàn)為：
 
　　
　　（1）測(cè)量精度和效率要求高。葉片型面的測(cè)量精度直接反映制造精度，通常要求測(cè)量精度達(dá)到10μm，甚至1μm。因此對(duì)測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格苛刻，通常需要專(zhuān)門(mén)的測(cè)量室。葉片是批量生產(chǎn)零件，數(shù)量成千上萬(wàn)，應(yīng)盡可能提高測(cè)量速度和效率。生產(chǎn)車(chē)間和測(cè)量室之間的反復(fù)運(yùn)輸和等待，使得檢測(cè)效率低下。
　　 
　　（2）測(cè)量可靠性要求高。葉片測(cè)量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)反映葉片的實(shí)際加工狀態(tài)，這樣才能保證葉片的制造質(zhì)量。
　　 
　?。?）數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜。葉片圖紙上不但有葉型、弦長(zhǎng)、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求，還有葉片的形狀輪廓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、偏移等形位誤差要求。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)存在噪點(diǎn)，通常需要對(duì)原始的測(cè)量點(diǎn)集進(jìn)一步簡(jiǎn)化，提取不同的尺寸和特征參數(shù)；還需進(jìn)行復(fù)雜的配準(zhǔn)運(yùn)算，迭代求解葉片的形位誤差。其中算法選用不同得到的誤差評(píng)定結(jié)果各有差異，導(dǎo)致整個(gè)處理過(guò)程復(fù)雜。
 
　　 
　　葉片測(cè)量新技術(shù)
  
　　
　?。?）基于數(shù)字樣板葉型檢測(cè)方法。
　　 
　　標(biāo)準(zhǔn)樣板是根據(jù)葉片的理論型線(xiàn)設(shè)計(jì)制造的與葉型截面對(duì)應(yīng)的母模量具，使用葉片固定座（即型面測(cè)具）把葉片固定后，用處于理想位置的葉盆標(biāo)準(zhǔn)樣板和葉背標(biāo)準(zhǔn)樣板檢查葉盆、葉背型面間隙，并反復(fù)調(diào)整葉片空間位置，以型線(xiàn)的吻合度作為衡量其是否合格的依據(jù)。葉型設(shè)計(jì)圖多以透光度，或相對(duì)誤差來(lái)表示，如±0.15mm。這個(gè)比對(duì)誤差實(shí)際上并不是單純的形狀誤差，而是形狀誤差、尺寸誤差、位置誤差三者的綜合體。
　　 
　　針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣板法的特點(diǎn)和存在的缺點(diǎn)，西北工業(yè)大學(xué)研究了基于數(shù)字樣板的檢測(cè)方法。數(shù)字樣板檢測(cè)方法是基于標(biāo)準(zhǔn)樣板法的原理，利用數(shù)字化測(cè)量手段獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，然后利用虛擬的數(shù)字樣板，與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，在公差約束條件下達(dá)到最佳匹配。最后在該最佳姿態(tài)下，求解葉型各項(xiàng)形位誤差。下文將數(shù)字樣板檢測(cè)方法歸納為三個(gè)主要過(guò)程：實(shí)物樣板數(shù)字化、匹配過(guò)程模型化、誤差評(píng)定過(guò)程自動(dòng)化。實(shí)物樣板數(shù)字化是將傳統(tǒng)的實(shí)物樣板轉(zhuǎn)換為CAD模型，以數(shù)字模型的方式進(jìn)行樣板比對(duì)和誤差評(píng)定。由葉片設(shè)計(jì)模型構(gòu)造的三維CAD模型，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息、基準(zhǔn)信息，是數(shù)字樣板法誤差評(píng)定的模型基礎(chǔ)，可以進(jìn)行表面輪廓度分析、葉型特征參數(shù)和形位誤差的分析和評(píng)定。對(duì)于數(shù)字樣板法的原始測(cè)量點(diǎn)集，主要通過(guò)CMM測(cè)量獲得。在數(shù)字樣板構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過(guò)匹配過(guò)程的模型化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)字樣板自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)數(shù)字樣板法中的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取真實(shí)有效的型面測(cè)量數(shù)據(jù)參與數(shù)字樣板檢測(cè)。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括測(cè)量點(diǎn)去噪、測(cè)頭半徑補(bǔ)償、坐標(biāo)變換、測(cè)量點(diǎn)與曲面的配準(zhǔn)、測(cè)量點(diǎn)排序等。其中，數(shù)據(jù)處理的第一步，就是對(duì)得到的型面測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行去噪，篩選有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。其次，CMM測(cè)量得到的數(shù)據(jù)是測(cè)頭球心數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償。對(duì)于葉片測(cè)量時(shí)的裝夾引起的系統(tǒng)誤差，在樣板匹配前必須進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊來(lái)消除。
 
  
     

       圖題：基于數(shù)字樣板的葉片檢測(cè)模塊功能結(jié)構(gòu)
 
  
 （2）葉片高速連續(xù)掃描技術(shù)。
　　 
　　為提高整體葉盤(pán)葉片的檢測(cè)效率，雷尼紹公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)了SPRINT高速掃描系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測(cè)量技術(shù)相比，SPRINT葉片測(cè)量系統(tǒng)可以顯著縮短測(cè)量循環(huán)時(shí)間，對(duì)葉片前邊緣也能提供精確出色的測(cè)量結(jié)果，可以為葉片自適應(yīng)加工、工序間檢測(cè)等提供很好的檢測(cè)數(shù)據(jù)。葉片測(cè)量分析軟件可通過(guò)數(shù)控機(jī)床控制器上的Productivity+™CNCplug-in直接運(yùn)行，因此測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)宏變量自動(dòng)提供給數(shù)控機(jī)床，也可以自動(dòng)提供給連接的計(jì)算機(jī)進(jìn)行下游數(shù)據(jù)處理。SPRINT系統(tǒng)配備的OSP60SPRINT測(cè)頭每秒可以采集1000個(gè)3D數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而可以滿(mǎn)足葉片在機(jī)快速檢測(cè)的要求。
　　 
　　利用SPRINT系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在CNC機(jī)床上分別從四個(gè)方向?qū)θ~片進(jìn)行測(cè)量，從而避免在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生測(cè)頭與工件之間的碰撞干涉。在測(cè)量之后，四部分的測(cè)量數(shù)據(jù)將被拼合成一個(gè)完整的葉片測(cè)量數(shù)據(jù)集。SPRINT系統(tǒng)可以用于加工過(guò)程中工序間的檢測(cè)，以確保產(chǎn)品的加工過(guò)程正確。同時(shí)，還可以作為加工完之后的質(zhì)量檢測(cè)使用。
 

    結(jié)束語(yǔ)
 
　　
　　加工過(guò)程中以及加工后的型面誤差檢測(cè)是確保葉片加工質(zhì)量符合公差要求的必要手段。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸發(fā)展處快速、簡(jiǎn)易、高效的葉片測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)。同時(shí)，隨著智能加工技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)快速檢測(cè)技術(shù)將推動(dòng)葉片加工質(zhì)量與成品率的提升。在這一發(fā)展過(guò)程中，需要重視和建立葉片在機(jī)測(cè)量和加工質(zhì)量的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，從而為這類(lèi)技術(shù)的推廣使用奠定基礎(chǔ)。