叶片型测具设计制造精度研究

2016-07-12王丽

大科技 2016年31期

王丽

叶片型测具设计制造精度研究

王丽

（哈尔滨东安发动机（集团）有限公司黑龙江哈尔滨 150066）

叶片是航空发动机最为关键的零件之一，其型面质量对发动机的能量转换效率起决定性作用，因此叶片质量检测非常重要。另一方面，叶片结构和形状复杂，其型面质量检测具有相当的难度。在生产实践中，叶片型面检测需要设计专用的测具。同时，叶片是多个叶片成联精密铸造而成，这就给叶片设计提出了更高的要求，也给制造带来了一定困难。

测具；制造；精度

在航空发动机中叶片是最为关键的部件之一，其型面质量更是直接决定了发动机的性能和稳定性，叶片型面检测及其测具的设计效率是影响叶片制造的关键环节之一。叶片结构和形状复杂，其型面质量检测具有相当的难度。在生产实践中，叶片型面检测需要设计专用的测具。

1 叶片型面测具设计

（1）要考虑叶片定位合理及生成测具中检测样板的型线。在以前的叶片型面测具设计过程中，每次设计同一类叶片测具时，都会做许多重复工作，如定位尺寸的计算及检测截面的生成等。基于样板法的叶片测具的结构形式相对固定，分析其结构组成及结构间关系，抽象为一种固化的参数化结构模型，本文称之为模板。针对待检叶片的结构和尺寸形状，系统进行相关参数的计算，可快速生成新的测具。模板的设计主要考虑叶片定位合理及生成测具中检测样板的型线。

（2）工装结构的标准化。叶片的形状不规则性导致工装多数采用空间点、型线或型面来定位夹紧，这部分尺寸、结构变化较大，要完全标准化不太现实；但除此之外的其它零部件结构却有很多共性，经过对比筛选，可找出一般规律将它们不同程度的标准化。我们对预终锻模、切边/叶尖模、进排气边铣削夹具、浇铸夹具、榫头铣削/拉削/磨削夹具、锻造缘板高度测具、榫头三坐标测具、投影测具、叶根最大轮廓过规、叶尖长度测具等工装进行了标准化。

（3）确定型面位置机构及型面样板。叶片各截面的位置由测具两侧的两对立板上的定位槽确定，槽宽和槽高与样板的宽度和高度保证滑动灵活的较小配合间隙，当各截面叶盆、叶背型面样板的后端面与两对立板的外侧面齐平时，为叶片各截面原始型面的位置。通过测量各截面型面样板的后端面与两侧立板外侧面的相对差值，直接读出叶片各截面叶盆、叶背方向的误差值。叶片型面样板的型面部分由UG直接采点形成，提高了设计效率和型面形成的准确性，而且直接在三维模型中生成，可以直观的观察出样板与叶身是否发生干涉，尤其是样板的倒棱方向。

（4）参数化技术的应用。即设计对象的结构外形大致一样，可以用一组参数来约定其尺寸关系。采用参数化设计方法，首先建立叶片型面测具模板，模板的模型全部通过参数进行驱动，如果检测叶片尺寸形状改变，只需更新模板对应的表达式参数，即可实现叶片测具的快速设计。在测具模板的建模过程中，采用自顶向下的装配设计方法。通过叶片参数更新的测具模型变量参数，通过测具模型参数更新变量参数。

2 叶片型面测具制造

（1）数字化技术。叶片是航空发动机中非常关键的一类典型零件，具有种类多、数量大、形面复杂、几何精度要求高等特点。在航空发动机零件中，叶片是寿命较短的零件，因此发动机叶片的制造品质直接影响到发动机性能与寿命。航空发动机叶片长时间工作在高温高压的恶劣环境下经常出现各种损伤。叶片损伤会降低发动机效率，甚至对飞行安全产生影响。虽然近年来，中国国内航空部件维修技术在具体修复工艺等方面取得很大突破，但是航空发动机叶片随着其工作时间的增加，形状和尺寸都会产生一定的变化，不能依据发动机厂商提供标准尺寸进行修复。尤其某些损伤较严重的转子叶片往往都带有明显特征，应针对损伤的类型进行个性化修复，其工作基础就是建立叶片的数字化模型，亦称数字化再制造。在现代战争条件下，对于航空发动机的零部件制造效率和制造质量提出较高要求，其中叶片作为发动机中数量最大的一类零件，其制造效率直接影响发动机整体制造效率，而叶片的制造品质直接影响到发动机性能与寿命。目前数字化制造技术已全面开展三维数字化设计和虚拟装配，形成了全机级和部件级的数字样机，在产品工艺设计和工装设计制造上基本都采用了数字化技术，并已开始研究数字化装配技术。

（2）五坐标数控加工技术。五坐标是指在3个平动坐标轴基础上增加2个转动坐标轴（A，B或A，C或B，C）且5个轴可以联动。由于具有2个转动轴，导致5坐标机床有很多种运动轴配置方案。当建模完成后在UG软件中的加工模块，可以自动产生数控机床能接受的数控加T指令。传统的叶轮加工方法是叶片与轮廓采用不同的毛坯，分别加T成形后将叶片焊接在轮廓上。此方法不仅费时费力，且叶轮的各种性能难以保证。

（3）高能束流加工、特种焊接等新工艺技术得到广泛应用。①以高能束流加工为代表的特种加工技术在难切削材料加工，复杂构件的型腔、型面、型孔、微小孔、细微槽及缝的加工中具有明显优势，解决了常规加工方法难以解决的问题。特种加工技术主要包括激光加工、电子束加工、离子束加工、等离子加工、电火花加工、电解加工、电液束加工、超声波加工、磨粒流加工和高压水射流切割等。②特种焊接技术在飞机、发动机焊接结构叶片件中的应用越来越广泛。特种焊接技术主要包括钨极惰性气体保护弧焊、活性焊剂焊接、自蔓延高温合成焊接、等离子弧焊、电子束焊、激光焊、真空钎焊、扩散焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊和真空电弧焊等。