CN103608737A - 熔炼叶片的自适应加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过机加工来精加工涡轮发动机叶片形状的方法，其中，通过熔炼生产带有加厚部分的一个区域(8)；所述加厚部分与周围型面一起构成第一表面(10)，理论型面由第二表面(11)确定；其特征在于，该方法包括如下步骤：在第二表面（11）上确定由构成节点和方格形成的格栅（13）；根据加权系数(CPi)确定刀具(20)通过的每一点P；加权系数(CPi)等于分配给刀具所处方格的节点（Ni）的权重，以便成为分配所述系数的节点的重心；对于在外边界(12)之外的每个节点Ni，测量所述节点处第一表面(10)和节点的理论位置之间的差δ(Ni)；通过已知的δ采用内插法计算外边界(12)内每个节点Nj的差δ(Nj)；使用所述加权系数(CPi)，根据所述点P所属于的方格的节点δ(Ni)的加权和确定应用到每个点P上的差δ(P)。

Description

熔炼叶片的自适应加工方法
技术领域
本发明涉及涡轮发动机部件的制造，特别涉及采用熔炼或锻造生产部件的精加工。
更一般地来讲，本发明涉及毛坯部件的精加工，即最终尺寸的精加工，这些部件依然需要最终加工，或精加工。特别是，本发明适用于熔炼的或锻造的涡轮喷气发动机叶片。
背景技术
涡轮发动机的涡轮叶片通常都是用所谓的“失蜡”技术来制作，该技术直接生产出所要求的部件大部分形状，无需生产坯件，该坯件然后还不得不经过机加工以形成最终形状。然而，这种技术依然必须进行最终机加工，包括在前缘上作业以去除所转移的颗粒，在后缘上作业以去除后缘条和在平台上作业，该平台用于与叶片表面相连。
熔炼技术对于生产非常薄的面板（或隔板）并不是完全有效，诸如，在叶片后缘和其通风排气口处的面板（或隔板）。为了克服这个问题，叶片薄端的熔炼都会带有加厚部分，该加厚部分而后在制造工艺结束时通过加工来去除。采用这种方法存在的问题是，必须采用来自铸造厂的叶片基准对叶片在用于该加工的空间里的定位基准进行校准。在现有技术中，所用基准是在叶片根部，叶片是根据该根部上的基准点来加工的。这种方法会引起诸多尺寸不规则，且实施起来很费时间。由于在根部基准和叶片基准之间存在可能的不一致，在叶片表面和所加工表面之间的连接处常常存在精度不准的问题，部件表面上也会出现突起。
此外，理想的是,数控机床可用来进行这些精加工作业，以避免尺寸上的不规则现象。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种熔炼或锻造部件的加工方法克服这些问题，与此同时，限制尺寸上的不规则并保证熔炼或锻造部件与部件表面加工部分的良好连接。这种加工称为自适应加工，因为机床刀具轨迹适应于毛坯部件的几何形状。
因此，本发明的目的是提出一种通过加工来对涡轮发动机叶片形状进行精加工的方法，按照这种方法，至少所生产的一个区域较所要求的型面厚，所述加厚部分与周围型面一起构成第一表面，所述加工方法旨在使用合适刀具去除该加厚部分以获得第三表面，此外，所述部件理论型面由第二表面确定，其特征在于，为确定在加工所述区域期间所述工具刀尖的位置，本发明方法包括如下步骤：
在第二表面上确定由构成节点和方格边界的线交叉而形成的格栅，所述格栅覆盖了需要加工区，并延伸以便加工区的外边界被完全包围在格栅的外边界内；
通过参照接触点P所在方格的节点Ni的位置加权，确定沿理论型面加工的工具/部件之间每个接触点P的位置；
对于在外边界之外的每个节点Ni，测量所述节点处第一表面和第二表面上节点理论位置之间的差δ(Ni)，所述差沿垂直于第二表面来测量；
通过选择所述节点所属于的且其它节点差δ(Ni)或(Nj)已知的方格，以及根据连接所述节点各段长度加权，从所述差δ(Ni)或(Nj)采用内插法，逐步计算外边界内每个节点Nj的差δ(Nj)。
使用参照节点Ni所执行的所述加权，通过对所述点P所属于的方格的节点δ值(Ni)的加权和，相对于输入到机床内的基准信息，确定应用到每个点P上的差δ(P)以获得部件和刀具之间的接触点P'。
这种方法确保在加工表面和周围表面之间不会出现突起，而且，两个表面在同一切线平面上接合。
优选地，通过分配加权系数CPi给每个点P来进行权重处理，对应于分配给所述方格节点的权重以便该点P为分配所述系数的所述节点的重心。有利的是，构成格栅的线是直线。
构成方格的多边形优选为四个边的多边形。
在另一个实施例中，构成方格的多边形是三个边的多边形。
在一个具体实施例中，位于外边界之外的至少其中一个节点并不是由第一表面产生，因此，该点的δ值(Ni)差通过由所述第一表面所产生的邻近节点的δ值(Ni)差之间采用内插法计算得出，按照连接所述节点各段长度加权。
附图说明
以说明性的且非限定性的示例并参照所附示意图给出的本发明实施例的如下详细解释性描述，将更好地理解本发明，并更好地说明了本发明的其它应用、细节、特性和优点。
在这些附图中：
图1是作为毛坯铸件的高压涡轮发动机叶片的主视图；
图2为图1的叶片在采用根据本发明的方法进行精加工之后的主视图；
图3为将要采用根据本发明的方法加工的区域的透视示意图；
图4为图3所示区域及其周围区域的示意图；
图5为采用根据本发明的方法加工的涡轮叶片的内弧面的透视图；
图6为取自图3所示区域的截面的示意图。
具体实施方式
图1示出了“失蜡”熔炼作业结束时的高压涡轮转子叶片1，所示为从内弧面一侧看去。叶片包括根部2和彼此通过平台4相隔开的扇叶3。为了确保较薄部分的强度，在后缘排气口处和扇叶3与平台4之间的连接处在熔炼期间留出加厚区域。将会被拆除的保持条5也平行于后缘布置，以方便熔炼作业。
图2示出了精加工后的同一个涡轮叶片，精加工包括拆除保持条5和削薄后缘6。在叶片内弧面上，人们可看到加工区8，通过削薄内弧面，加工区8露出后缘的通风排气口7。由于空气动力学质量的原因，最好使叶片内弧面粗糙熔炼表面和加工表面之间的切向连续性在该加工区的边缘处。最后，该加工作业在扇叶3和平台4之间的连接处（具体为后缘附近）结束，并且叶片尖部被刨平。
在图3中，在制造相同熔炼或锻造部件期间，人们可看到两个外表面和对应于两个步骤的加工区，部分该部件带有要去除的加厚区域。第一表面10对应于熔炼或锻造后的部件，第二表面11对应于要生产的部件的数字模型所设计的理论定义。所希望的是，表面10尽可能靠近表面11，但不会在加工区8边缘处形成切向不连续性。在第二表面11上，确定要加工的加厚区8的外边界12和带有直线段或弯曲线段的格栅13，所述格栅13分别用N1至N30标记的节点来描绘。
所示铣刀20在格栅13的其中一个方格的点P处抵靠在第二表面11上。该铣刀将用来加工加厚区8，以便在外边界12内削薄扇叶内弧面，直到第一表面10接近第二表面11，铣刀相对于将要加工的表面而倾斜，以获得最佳切削条件。
图4示出了相同的第二表面11和加工区8，其上绘出了格栅13的各节点的分布情况。从中可以看出，格栅完全包围了加工区8，即使格栅四边上的某些点在物理上并不位于第二表面11上。为此，位于加工区8上的格栅13的所有点都位于加工区外的格栅另两个点之间。
图5示出了在高压涡轮叶片1是内弧面上应用格栅的情况，所述叶片定位在数字控制机床上，所示机床刀具20与叶片后缘相接触。图中仅示出了一排方格，方格的顶点或节点包围了加工区8。在图示情况下，人们可看出，只有图符标记为N8至N11的节点对应于位于叶片内弧面表面上的各个点，而外边缘上的N1至N6和格栅13侧边缘的点N7和N12都位于完全无实体支持的与并与扇叶3相关的区域。
图6示出了位于格栅13一个方格内的表面11的点P，该点用其节点N1，N2，N7和N8来标识。其在这个方格中的位置通过分配给该方格每个顶点的权重来确定，以便点P为四个顶点的重心，每个顶点都分配有相应权重。这样，可获得一组四个值(C1,C2,C7和C8)，这些值明确地确定了点P在已知其所位于格内的第二表面11上的位置。
我们现在介绍根据本发明的加工方法，该方法从第一表面10处开始使我们获得第三表面，该表面尽可能地靠近第二表面11，而且该第三表面与加工时不接触的叶片的部分呈现切向连续性。
要制作的叶片的型面（即第二表面11的型面）由例如含在CATIA程序文件中的理论数字模型来确定，而实际部件，在熔炼或锻造后，根据第一表面10而考虑可能的易脆性或局部工作难度，所具有的型面在不同点处加厚。与第二表面11相关的理论型面在理论CATIA数字文件中用其各个点的位置和在这些点处垂直于第二表面11的矢量的取向来表示。
根据本发明的工艺的第一个步骤是在第二表面11上确定围绕整个加工区8的格栅13，也就是说，所述格栅的周围节点都在加工区8的外边界12之外。在与机床相关的笛卡儿坐标系中，该格栅是一种由节点N1至N30所表示的方格的网格，其坐标都集成在CATIA文件内。同样，CATIA文件包括对应于用来实施精加工作业的机床刀具20头部位置和其轴线取向的数据。
第二步骤包括对刀具20在第一表面10加工作业期间所行进的路径进行建模，以便在加工区8外的各点都完全定位在第一表面10上的情况下，刀具与部件之间的接触点描述了第二表面11。该路径首先由在加工区8内循环并从而穿过格栅13每个方格的点P的一系列位置来确定，其次，由在每个所述点P处刀具轴线的所需取向来确定。为此，每个点P相对于方格的四个节点而确定，在这个方格内，点P通过四个系数定位，称之为加权系数CPi（i是所述节点的参考号）。每个加权系数相当于分配给相应节点的权重，为的是点P成为这四个节点的重心。换句话说，点P离节点越近，分配给该节点的系数就越高，反之，距离最远的节点，则分配给低系数。为了使得这些加权系数能够唯一确定，它们都彼此按比例缩减，从而它们的和等于1。例如，如果点P在方格的中心，四个系数都等于0.25；如果点P靠近其中一个节点，如图6所示，系数CPi会等于0.5，而另三个的系数则是CP2为0.35，CP7为0.10，以及CP8为0.05。
然后，包括由机床扫描的点P的加权值和刀具轴线的对应取向的文件被转换为一种格式，该格式为数字控制机床所理解并装载到机床软件中。
下一步骤包括针对叶片的实际表面（即第一表面10）对输入到CATIA文件中的数字模型进行校准。这个阶段用来确保在加工区8边缘处第三表面与第一表面10完全一致，并因此而在加工区8外的扇叶的部分和该区域之间不会出现突起。为了实现校准，本发明规定的测量是采用标准方式在扇叶表面每个点处探测部件本身加工区域8边缘节点位置。对于这些点的每一个点来说，这种探测会在理论CATIA文件中相关点的位置和探头所测量的实际点之间产生一个差值，称之为δ值。沿垂直于表面的方向，将等于该δ值的修正量应用到刀具20刀头的控制位置，对于加工区8之外的所有节点而言，可确保刀具刀头与扇叶表面齐平，而没有对其进行加工或与其保持一定距离。
举一个有关图3的例子。测量节点N1至N6的δ值，位于加工区8右侧边缘上的节点N7，N13，N19和N25的δ值，位于左侧边缘上的节点N6，N12，N18，N24和N30的δ值，以及位于底缘上的节点N25至N30的δ值。
然后,基于在加工区8外的节点上测量的δ值，本发明建议确定所有节点Ni的δ值，称之为δ值(Ni)。为此，位于加工区内的节点的δ值在邻近节点的δ值之间通过内插法来确定，所述邻近节点的δ值已经测量得到或计算得到。
例如，参照图3，根据连接节点N8至另外三个节点的各段的相对长度，节点N8的δ值是在节点N1、N2和N7的δ值之间采用内插法来确定。而后，节点N9的δ值根据节点N2和N3的δ值的测量值以及节点N8的δ值的计算值来计算。通过对所有方格重复该项操作，在所有这些方格中，四个节点的其中三个的δ值已经知道，就可以逐渐确定所有节点的δ值。
在人们想要加工的扇叶的理论型面的特定情况下，那么，完全可以赋予加工区8内各点δ值为零值。
根据本发明的下一个步骤是确定精加工期间部件和刀具20之间所有接触点P’的定位δ值。为此，该δ值的计算考虑了此前计算的点P的加权系数和点P所在方格各节点的δ值（Ni）差。在点P处的δ值，即应用到第二表面11的点P的修正值，确定为等于通过节点的每个δ值乘以与之相关的加权系数获得的各个值的和。
在由四个节点N1，N2，N7和N8形成的方格内的点P的示例中，δ(P)的值等于CP1*δ(N1)+CP2*δ(N2)+CP7*δ(N7)+CP8*δ(N8)。
然后,该δ(P)，即在点P处沿垂直于第二表面11延伸的差，会投射在机床的基准轴线上，以确定施加到笛卡儿坐标上的三个修正分量，所述坐标在精加工期间应用到控制刀头定位的程序中。
因此，通过数字控制机床来进行机加工，刀头位置始终由来自相关方格各节点δ值和所述刀头所位于的点的加权系数来修正。
由于靠近加工区8的节点上的刀头位置重新调整和基于这些节点的内插，这就确保了由此获得的第三表面将与内弧面的未加工表面相切，及在加工区8和该区周围扇叶1表面之间不会出现突起。
上面参照图4所示案例介绍了本发明的工艺，其中，在加工区8外的所有节点在物理上都由第一表面10来支撑，也就是说，可以使用探头来测量各节点的δ值。
参照图5，可以看出，格栅13可包括加工区8外的节点，但这些节点不是由叶片1内弧面支撑。本发明建议为这些节点分配δ值，该δ值在由第一表面10所支撑的邻近节点δ值之间通过线性内插法获得，再次考虑了将相关节点连接到实施内插节点的各段的长度。
在图5所示格栅示例中，只有节点N8至N11可以通过探头来测量。分配给节点7和12的δ值分别是节点8和11的值，而节点1至6的值则被视为分别等于节点7至12的δ值。
尽管本发明已经通过由四边形方格构成的格栅进行了描述，但也可通过由三角形或任何其他封闭多边形构成的格栅来实施。此外，上面介绍的是应用于涡轮发动机叶片，但是，该工艺也可应用到任何其它部件，而且也都在本发明的范围内。

Claims (6)

1.通过机加工来精加工涡轮发动机叶片形状的方法，其中，所生产的至少一个区域(8)比所要求的型面厚，所述加厚部分与周围型面一起构成第一表面(10)，所述机加工方法的目的是使用合适的刀具(20)去除该加厚部分，以获得第三表面，此外，部件的理论型面由第二表面(11)确定，其特征在于，该方法包括如下步骤，以确定所述刀具刀头在所述区域机加工期间的位置：
在第二表面（11）上确定由构成节点和方格边界的线交叉而形成的格栅（13），所述格栅覆盖了需要加工区域(8)，并延伸以便加工区域（8）的外边界(12)被完全包围在格栅的外边界内；
通过参照接触点P所在方格的节点(Ni)的位置加权，确定沿理论型面加工的部件和刀具(20)之间每个接触点（P）的位置；
对于在外边界(12)之外的每个节点Ni，测量所述节点处第一表面(10)和第二表面(11)上节点理论位置之间的差δ(Ni)，所述差沿垂直于第二表面(11)来测量；
通过选择所述节点所属于的且其它节点差δ(Ni)或(Nj)已知的方格，并根据连接所述节点各段长度加权，从所述差δ(Ni)或(Nj)中采用内插法，逐步计算外边界(12)内每个节点Nj的差δ(Nj)；
使用参照节点N(i)所执行的所述加权，通过所述点P所属于的方格的节点δ(Ni)的加权和，相对于输入到机床内的基准信息，确定应用到每个点P上的差δ(P)以获得部件和刀具(20)之间的接触点P'。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加权是将加权系数(CPi)分配给每个点P来进行的，对应于分配给所述方格的节点的权重以便该点P为分配所述系数的所述节点的重心。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，构成格栅的线是直线。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，构成方格的多边形是四边形。
5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，构成方格的多边形是三边形。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，位于外边界（12）外的至少其中一个节点不是由第二表面(11)所产生，因此，按照连接所述节点的段的长度加权，该点的差δ(Ni)是通过在所述第二表面所产生的邻近节点的差δ(Ni)之间通过内插法计算得出。
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