CN102458713A - 采用自适应抛光制造锻件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用锻造技术制造部件的方法，包括通过精密锻造来生产半成品部件和使用砂带来抛光部件，在理论模型上确定要获得的部件的一致几何特性，该方法的特征在于，包括如下步骤：在锻造工序结束后，测量半成品部件的几何特性，并与理论模型进行比较；在部件表面上确定那些不一致的区域；确定每个不一致区域内需要去除的材料的数量，目的是使其一致；使用砂带对部件进行抛光，控制所述砂带在每个不一致区域内去除所述材料的数量。本发明特别用于抛光涡轮喷气发动机的风扇叶片。

Description

采用自适应抛光制造锻件的方法

技术领域

本发明涉及使用锻造技术制造部件的领域，诸如涡轮机叶片，特别是精密锻造技术。本发明特别涉及到制造大型钛合金风扇叶片，诸如涡轮喷气发动机风扇叶片，并且还涉及到这些叶片的表面光洁处理，从而使用自适应抛光作业技术使得半成品的锻造部件在几何形状上符合要求。

背景技术

涡轮喷气发动机风扇叶片通常都是采用精密锻造技术生产而成。精密锻造技术包括对固定在合适模具内的粗坯进行连续撞击，直到形成半成品部件，其形状和尺寸特征都类似于成品部件。就锻造的半成品风扇叶片来讲，在可接收的公差范围内，叶型在几何特性上并不符合最终技术规格。这些特征包括—(例如)叶型剖面沿堆叠轴旋转的扭转，叶型相对于堆叠轴弯曲的纵向弯曲和参考点，以及波纹或形状缺陷等。

因此，叶型就必须符合要求。总之，这包括对吸力面和压力面轮廓的修整，这种修整是指对厚度大于理论轮廓的叶型的那些点进行材料去除。在精密锻造情况下，修整包括去除最多厚达几个微米的多余材料，厚度通常在0.4和0.6mm之间。

确定对应于理论轮廓的若干个点，这些点沿叶型的轴线分布在前缘和后缘之间的网格中。采用三维传感器装置在这些点处测量半成品叶片的几何特性。本申请人公司在EP 1596156号专利中介绍了这种装置。从而可以确定理论轮廓和实际轮廓之间的差别。

根据现有技术，下一步就是厚度修整作业，这包括分析及应用涂覆处理来对部件最薄区域进行保护。这项作业主要由手工进行。而后，使用化学加工方法从这些受保护的区域之间去除多余的材料，化学加工方法包括将部件置于可对金属侵蚀的酸槽内，置放一定时间。而后，对呈现表面缺陷和化学加工痕迹的超差区域再通过局部和重复抛光方式进行手动作业处理。这种作业被称之为第一表面抛光作业。必要时，用手拧转部件，直到其形状在规定的公差范围内。

最后，称之为最后表面抛光作业的自动化抛光作业可确保气动力轮廓的连续性和空气正常流动所必需的表面光洁度。自动化抛光作业通常是采用砂带来进行的。例如，利用一种砂带，上面的研磨材料为碳化硅。砂带安装在相对于部件表面切向转动的轮子上。轮子相对于表面的转动采用程序控制，该程序考虑了需要抛光表面的几何形状。确定各种参数，诸如砂带跨表面运动速率，轮子相对于部件的运动速度以及施加到表面上的压力和研磨材料的砂粒，从而可去除所需厚度材料，达到所需要的表面光洁度。美国专利US 5193314介绍了一种砂带抛光机。

手动作业，特别是需要在诸如涡轮喷气发动机风扇叶片这样的大型部件上工作时，对于操作人员来讲，非常困难，而且还会造成骨骼问题。此外，这些作业还必须进行检查。为此，人们希望能采用使工作人员得以解放的作业来取代手工作业，并能使得几项作业整合为一种作业。申请人公司已经研制了使用砂带来对钛合金进行自动化抛光的方法，所述砂带采用优质研磨砂粒制成，这种砂粒是用工业质量的金刚钻或氮化硼制成，EP 1525949号专利对该方法进行了介绍。

发明内容

申请人公司的发明目的是实现几何一致性(compliance)，并在同一个步骤中进行叶型的最终抛光，并优选自动完成。

该目的通过采用锻造技术制造部件的方法来实现，包括通过精密锻造来生产半成品部件和使用砂带来抛光部件，在理论模型上确定要获得的部件的一致几何特性，该方法的特征在于，包括如下步骤：

-在锻造工序结束后，测量半成品部件的几何特性，并与理论模型进行比较；

-在部件表面上，确定那些不一致的区域；

-确定每个不一致区域内需要去除的材料的数量，以便使其与标称的几何特性相一致；以及

-使用砂带对部件进行抛光，控制所述砂带在每个不一致区域内去除所述材料的数量。

由于该机器为数字控制，应对该要抛光的部件进行特定编程。

在为实现一致性的现有技术中，自动化抛光机使用适合所需表面光洁度的砂带来进行最后表面抛光处理。在现有技术中，均匀厚度的材料被去除，以便不会破坏在前次作业中手工处理后已经符合要求的轮廓；而后，就可省略为实现一致性而进行的手工作业步骤，而将该步骤整合到最后抛光作业中。

按本发明所述方法实现一致性的优点是(该方法为此而采用自动化)，修整、无需处理区域的保护以及部件重修等手动作业都可省略。

另外，还节省了部件制造周期的时间。

另外，还值得一提的是，也降低了与手动重修工作有关的几何扩散。

最后，还可排除重复肌肉拉伤的风险。

根据另一个特性，可提前在部件表面确定多个测量点，在至少部分所述测量点上测量该半成品部件的几何特性，在半成品部件几何特性和标称几何特性之间的差异的基础上在所述测量点上，控制通过所述砂带去除材料的作业。

根据另一个特性，从半成品部件的几何特性的测量中，确定材料去除区域的图形，而且，所述图形可转换成控制砂带的控制参数的图形。优选地，提前校准每个测量点的砂带控制参数。对于某个给定类型的部件来讲，仅进行一次校准作业。

根据所述方法的优选实施例，通过改变部件相对于砂带的相对进给速率来控制砂带，而其他砂带控制参数保持不变。其他参数是指砂带的旋转速度和接触轮抵靠在需要处理表面上的接触压力。

由于本发明的这一特性，有利的是，可以克服部件表面抛光的同时保持其几何形状不变的困难。

在校准阶段，在控制参数和要去除材料的数量之间，建立一种联系，诸如定律或查询表。例如，可以在测量的基础上进行校准，该测量是指在每个点上对与至少两个不同的进给速率相关的去除材料的数量的测量。

为了确保抛光在所有点上一致，在每个测量点上，去除与均匀抛光相对应的最少数量的材料。

如上所述，所述方法特别适用于涡轮机叶片，更特别适用于涡轮喷气发动机风扇叶片。

附图说明

下面通过参照附图给出的非限定性实施例详细说明描述，可以更好地理解本发明，本发明的其它目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来，附图如下：

图1所示为涡轮机叶片侧面示意图；

图2所示为砂带抛光机。

具体实施方式

作为本发明所述方法的目的的半成品部件是—(例如)图1所示的涡轮喷气发动机风扇叶片。采用钛合金制成的该部件10包括叶根11、平台12和气动力形状的叶型13，燃气从上游至下游穿过发动机扫过叶型。中间副翼14(intermediate aileron)构成了叶片与叶片之间的支架。该叶片安装到压气机转子上时，在发动机内沿相对于该发动机的运动件的旋转轴线的径向总方向上延伸。叶型包括压力面和吸力面，二者沿其汇合之处在前缘BA和后缘BF之间延伸。

叶型的轮廓由多个剖面或横剖面形成，这些剖面或横剖面沿相对于参考系的称之为堆叠轴的轴线在平台和叶尖之间延伸。参考系本身由叶根基元或平面构成。为此，通过了解与每个剖面上的预定点相关的参数，就能了解叶片整体的几何特点。这些点构成了叶片的标准几何特性，并形成了理论模型。标准几何特性的确定可以是尺寸、形状、一个或多个空间或方向坐标，或是若干个这些坐标的组合形式。

在所给示例中，位于平台和压力面副翼之间的那部分叶型由七个剖面S1至S7确定。在每个剖面中，前缘BA和后缘BF之间的叶型表面上的点都已经确定。例如，参考符号S4所表示的剖面包括位于后缘BF和前缘BA之间的确认点S41到S49。

正如已有技术所述的方法，起点是使用三维自动测量装置来测量锻造半成品部件的几何特性。

申请人公司在专利EP 1 596 156中介绍了同时测量几何特性的方法和装置的示例，所述测量是指对分布于叶片表面上的多个点的几何特性的测量。对相对于预定参考坐标系的机械部件表面上的一组预定点的坐标的三维测量包括：

-准备阶段：在该阶段，同时测量被视为校准部件的第一机械部件表面上的预定点坐标；

-初始阶段：在该阶段，记录下沿所述校准部件各点法线的线性位移测量结果；

-测量阶段：在阶段，记录下要测量部件的各点的线性位移测量结果，所述这些点对应于校准部件上的各点；

-计算阶段：在这个阶段，在所述校准部件的各点的三维坐标和线性测量结果以及在这些点处的理论法线方向余弦的基础上，计算需测量部件各点的三维坐标。

采用在预定剖面上对每个测量点进行测量的这种计算方法，可以发现有不一致区域，即就所测量的点而言，这些区域的厚度过大。而就每个不一致区域而言，可得出需要去除多少材料才可使其符合要求的值。

在已有技术中，接着会进行如下连续操作：

-人工修整，

-化学加工，

-人工表面抛光，以消除表面缺陷和化学加工的痕迹，以及

-使用适合预期表面光洁度的细砂砂带在自动抛光机上进行最后的表面抛光，并通过这种方法，去除同等厚度的材料，从而形成所要求的粗糙度，但同时又不会破坏手动处理后符合要求的轮廓。

在确定了需要去除的厚度之后，本发明所述方法包括，建立材料去除区域图形并在机器(优选自动机器)上进行抛光，在对应于所建立图形的所述各点上直接去除材料，无需通过手动处理以符合要求的步骤。实际上，叶片表面在抛光处理的同时，其几何形状上也会符合要求。

下面参照图2介绍适合本发明的抛光机的一个示例。

图2所示机器1为市场上有售的且可由IBS提供。机座100包括两个夹爪101和102，细长形的部件水平夹持在二者之间。整个部件连同其支架可以沿该方向X移动或通过合适的电动机Mx和Mu沿方向U围绕该轴线自身移动。在机座上方，在立柱120上安装有机头110，机头可沿轴线Z运动。该机头110还可围绕该轴线Z旋转。可设置合适的电动机装置Mz和Mw沿所述两个方向驱动机头。最后，机头110可沿垂直于方向X的方向Y水平移动，并可围绕该轴线沿方向V枢转。电动机装置My和Mv可实现这些移动。机头110支撑着运动中的接触轮111，后者可围绕相对于其自身固定的轴线运动。安装在机头110上的电动机通过安装在接触轮周围的砂带来驱动接触轮111。这套控制装置连接到控制箱上，控制箱内装有带编程装置和存储器的控制单元，存储器特别储存有要求抛光的部件的几何特性数据。

为了抛光部件，砂带以预定的压力局部且切向地压抵在部件表面上。砂带被置于可动状态并与接触轮111一起旋转。

去除材料的数量和表面光洁程度取决于若干参数：

-砂带砂粒数量；

-砂带由于接触轮围绕其轴线转动而运动的速率；

-在接触轮的作用下，砂带抵靠在部件表面时的压力；

-砂带沿部件的相对进给速率，该速率是机座的相对进给速率，即在X轴线方向上，部件相对于工具的相对进给速率。

根据本发明的另一个特性，在对叶片表面抛光的同时又要保持几何形状符合要求的困难，可通过控制部件相对于抛光砂带的相对进给速率来解决，优选接触压力和砂带旋转速度保持不变。

在需要去除材料的图形的基础上，控制机器运转。从机器角度来讲，所述图形可转换成部件相对于抛光砂带的相对进给速率的图形。该图形是基于进给速率和去除材料数量之间预先建立的关系。这种关系是通过对获知部件的每个点而建立的。

学习阶段只是对某个给定类型部件的了解。根据本发明所述方法的一个具体实施例，其包括在部件的每个点上测量所去除材料的数量，该数量与多个均匀的不同进给速率相关。这样，就可通过内插法获得去除的材料数量；一个具体示例是涉及确定两个不同进给速率的材料去除数量。

总之，在实现部件(其标准几何特性已知)一致性时，各种步骤都包括测量其几何特性和确认哪些为不一致区域。在这些测量的基础上，建立对应于这些区域的各点的应去除材料的图像。将这些数据输入抛光机1的控制箱内。需要处理的部件被安放在机器的夹爪之间，起动机器运转。砂带由接触轮带动旋转并使其处于与该部件相抵靠的位置。根据本发明的一个特性，接触轮的旋转速度在整个抛光作业期间保持不变，同样，接触轮抵靠在该部件上的压力也保持不变。砂带沿部件的进给速率是由输入有上述数据的控制箱来控制。为此，进给速率根据所去除材料的数量而变化。所以，所述方法可使部件实现一致，并可在一次处理中进行最终抛光。优选地，为了实现均匀的最终抛光，可计算整个表面的材料的最小去除量。

Claims (9)

1.一种采用锻造技术制造部件的方法，包括通过精密锻造来生产半成品部件和使用砂带来抛光部件，在理论模型上确定要获得的部件的一致几何特性，该方法的特征在于，包括如下步骤：

-在锻造工序结束后，测量半成品部件的几何特性，并与理论模型进行比较；

-在部件表面上，确定那些不一致的区域；

-确定每个不一致区域内需要去除的材料的数量，目的是使其一致；以及

-使用砂带对部件进行抛光，控制所述砂带在每个不一致区域内去除所述材料的数量。

2.根据以上权利要求所述的方法，其中，在部件表面确定多个测量点，在至少部分所述测量点上测量该半成品部件的几何特性，在该半成品部件的几何特性和标称几何特性之间的差异的基础上，在所述测量点上控制通过所述砂带去除材料的作业。

3.根据以上权利要求所述的方法，其中，从该半成品部件的几何特征的测量中，确定所去除材料区域的图形，而且，所述图形可转换成控制该砂带的控制参数的图形。

4.根据以上权利要求所述的方法，其中，提前校准每个测量点的砂带控制参数。

5.根据以上任一项权利要求所述的方法，砂带安装在支架上，所述部件和支架能够彼此相对移动，其中，通过改变部件相对于砂带的相对进给速率来控制砂带，而其他砂带控制参数保持不变。

6.根据权利要求4和5共同所述的方法，其中，在进给速率和去除材料的数量之间建立关系。

7.根据以上权利要求所述的方法，其中，在测量的基础上进行校准，该测量是指在每个点上对与至少两个不同的进给速率相关的去除材料的数量的测量。

8.根据以上任一项权利要求所述的方法，其中，在每个测量点上，去除与均匀抛光相对应的最少数量的材料。

9.根据以上任一项权利要求所述的方法，其中，该部件为涡轮机叶片，更具体地讲，是涡轮喷气发动机风扇叶片。

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