CN104246635B - 用于加工涡轮发动机叶片后缘的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种用于制造涡轮发动机叶片的方法，所述叶片包括叶身以及由理论数字模型所限定的所述叶身的外形，所述方法包括沿所述叶身的后缘相对于理论外形具有加厚部分的坯件的制造，其特征在于，通过自适应加工移除所述加厚部分，其包括以下步骤：在参考系中定位所述坯件；通过在所述坯件的第一面上的预定数目的点(Ni)进行探测，沿所述后缘在参考系内获取所述点的位置；从理论模型上的对应点沿一个方向确定位置差Δ(Ni)；在所述坯件的所述第一表面上生产加工格栅，从所述点(Ni)确定所述格栅的顶点；确定在格栅表面上被移除的材料数量，这取决于相对于格栅顶点的格栅上点(Nc)的位置以及所述位置差，以及加工所述叶身。

Description

用于加工涡轮发动机叶片后缘的方法

技术领域

本发明涉及涡轮发动机叶片的制造，以及更特别地涉及例如由熔炼生产的这种部件的最后加工的领域。

问题概述

通过使叶片生产成最佳空气动力学外形而实现改进燃气涡轮发动机的性能。特别地，试图获得包括考虑到机械强度和制造约束具有尽可能小厚度的后缘BF的叶片。因此，在航空领域，对于如多流式涡轮喷气发动机的双转子燃气涡轮发动机，一个目的是制造低压涡轮级的转子叶片，其中后缘的厚度低至0.2毫米。对于形成低压级分配器的叶片，所寻求的厚度为0.5毫米。

通常通过熔炼和根据所谓的脱蜡技术在模具中铸造金属制造上述叶片，这使得可以直接地获得叶身(vane)的所需形状，而不需要通过实施到达所完成部件的加工步骤。

然而，当前先前技术的熔炼方法不可能获得具有这种精细后缘的叶片。通过熔炼，当使用基于镍的合金或基于钴的合金时，获得最多具有约0.7毫米的后缘厚度的叶片。

因此，面对改进涡轮发动机的空气动力学性能的要求，关于后缘的精细度，熔炼技术已经达到其极限。补充加工是必要的。

然而，用于减少其厚度的对后缘的简单加工将不可能达到所需的精细度，由于熔炼所导致的坯件—通过厚度的非接触式测量展示—展示了沿叶身后缘的变形。这些变形的检查表明，它们具有与由叶身弯曲所导致的相当的形状。

从这些发现开始，申请人设定了开发一种用于生产涡轮发动机叶片的方法的目的，其中后缘的精细度满足当前用于提高其空气动力学性能的要求。

发明内容

本发明通过一种用于制造涡轮发动机叶片的方法实现了这一目的，所述叶片包括叶身以及具有理论数字模型的所述叶身的外形，所述方法包括沿所述叶身的后缘相对于理论外形具有机械加工余量的坯件的制造；其特征在于，通过自适应加工移除了所述机械加工余量，其包括以下步骤：

在参考系中定位所述坯件；

通过在所述坯件的第一面上的预定数目的点进行探测，沿所述后缘在参考系内获取所述点的位置；

在一个方向内从在理论模型上的对应点确定位置差；

在坯件的所述第一面上生产加工格栅，从所述被探测点确定所述格栅的顶点；

确定在格栅表面上被移除的材料数量，这取决于相对于格栅顶点的格栅上点的位置以及所述位置差及其加工。

本发明的方法可以在数控机床上实施精加工的操作，提供很大的加工精密度以及满足空气动力学约束的外形。特别地，在机械加工表面部分和相邻表面之间的被处理面上没有出现突起。加工是自适应的，因为机床的路径适于在加工过程中的部件的几何形状。

根据另一特征，待加工的机械加工余量设置在吸力面上，在压力面上和/或在弦上。特别地在所述吸力面上消除了第一机械加工余量，吸力面构成所述第一面。当机械加工余量在这两个面上延伸时，推断出叶身在压力面上的变形度类似于在吸力面上的变形度，但变形方向相反。以这种方式，在第一面上的每个点测量的修正用于确定在相对面上待加工的修正。该修正数值相等但在方向上相反。

最后，在适用情况下，叶片的弦沿后缘减少，以到达具有所需厚度的所述后缘的外形。

被探测点的数量为至少三个。所述点分布在喷嘴扇区的两个平台之间或在根部平台和转子叶片的叶身顶点之间。它们被布置为平行于后缘。特别地加工格栅的顶点包括被探测点以及如下的点，其位置通过沿穿过被探测点的弦的平移导出。

所述加工优选地受到平面铣削的影响，也就是说，通过圆筒机床的切割外围壁而不通过其远端移除材料。

其它的加工方法落在本发明的方法范围内。例如，这可以是通过抛光机或抛光机器人的自适应带抛光。这可以是通过研磨或刨削的自适应加工。这也可能被铣削机器人而不是机床加工。更通常地，本发明覆盖任何自适应材料去除方法和工具。

根据另一特征以及根据一个有利的实施方式，所述方法包括在可移动支撑件上安装叶片以及在具有加工轴系统的数控机床上安装可移除支撑件，所述加工用沿该加工轴系统的三个轴的一个分量的材料移除进行实施。

更特别地，根据第一应用，所述叶片是涡轮转子叶片，所述叶片固定在可移动支撑件上，同时被夹紧在可移动爪和固定爪之间以形成刚性组件。所述固定爪被成形为所述叶身面的理论外形，优选地其吸力面的理论外形，同时剩下待加工的后缘。所述部件在可能的最大表面区域上被夹紧以减少振动，同时首先保持用于测量的探针的可接近性，然后其次用于加工的机床。

根据第二应用，叶片形成涡轮喷嘴扇区的一部分，所述可移除的支撑件被布置用于在可移除的支撑件上均衡安装所述扇区。所述安装是均衡的，由于它锁定了该部分的六自由度(3个平移和3个旋转)。它重复了等同于那些用于在加工后检查操作的支撑点。根据另一特征，所述可移除的支撑件包括一种用于阻尼在加工过程中产生的振动的装置。

根据该第二应用，在喷嘴扇区内每个叶片的加工包括相对于在机床上的加工轴系统最佳调整叶片的前一步骤。

本发明还涉及用于实现所述方法的可移动支撑件，所述叶片是涡轮转子叶片。

一种涡轮发动机转子叶片的加工支撑件包括被布置用于将支撑件固定到数控机床的平台的底座，以及一种将叶片固定在底座上的装置，其特征在于，所述固定装置包括刚性地连接到底座的固定爪和自由爪，所述固定爪具有能够接收所述叶片的所述叶身的支撑表面以及其对应于所述叶身的理论外形。

所述支撑件特别地具有单独或组合采取的以下特征：

—后缘的加工表面优选地平行于如铰刀等机床的轴线。在五轴数控机的情况下，这可以避免在该机器的转动轴(也就是说，第4轴和第5轴)的定位中的错误。

—所述支撑件被成形以沿所述叶身后缘提供自由的加工区域。

—所述支撑件被成形以沿叶身后缘的两侧提供自由的加工区域。

—所述支撑件包括用于平移引导所述自由爪的装置。

—所述支撑件包括用于用叶身的插入在固定爪上夹持自由爪的装置，当后者包括例如弯曲等变形时，所述装置能够使所述叶片的叶身伸直。

—所述支撑件具有与所述叶身的理论外形的轴线平行的止动件，能够在邻接中接收所述叶片的根部平台。

本发明还涉及涡轮发动机喷嘴扇区的支撑件。

通过铸造金属获得的涡轮发动机喷嘴扇区的加工支撑件包括在一端刚性地连接到内部平台以及在另一端刚性地连接到外部平台的多个叶身，所述加工支撑件包括具有被布置用于将支撑件固定到数控机床平台的平坦面的底座，以及用于将喷嘴扇区固定到底座的装置，其特征在于，所述固定装置被布置成使得待加工的叶身后缘区域被定位为垂直于所述平坦面。

特别地所述支撑件具有单独或结合采取的以下特征：

—所述固定装置包括用于在底座上的所述内部平台的支撑件以及在底座上所述外部平台的支撑件。

—所述固定装置包括用于在喷嘴扇区的三个主轴上，在其支撑件上固定所述外部平台的凸缘。

—所述固定装置包括用于在底座上邻接固定内部平台的凸缘，绕喷嘴扇区的三个主轴旋转地固定。

—所述支撑件包括用于阻尼振动的装置。

—所述振动阻尼装置包括至少一个U形夹，所述U形夹刚性地连接到底座并具有抵靠在平台(特别地外部平台)的两个相对面的支撑表面。

—所述支撑件包括用于阻尼震动的两个U形夹，在固定平台的凸缘的每一侧上一个。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的设备，其包括：

○用于在参考系中定位坯件的装置；

○通过在所述坯件的第一面上的预定数目的点(Ni)进行探测，沿所述后缘在参考系内获取所述点的位置的装置；

○用于在从理论模型的对应点(Ni)的方向内确定位置差Δ的装置；

○用于在坯件的所述面上生产加工格栅的装置，格栅的顶点从所述点(Ni)确定；

○用于确定在格栅表面上待移除的材料数量的装置，这取决于相对于格栅顶点的格栅上点(Nc)的位置以及所述位置差；，以及

○用于加工所述叶身的装置；

其特征在于，所述定位装置包括可移除的支撑件，所述可移除的支撑件包括用于固定到机床平台的底座，以及包括将底座刚性地连接到待加工的涡轮转子叶片的叶身的面的理论外形上的爪或用于在底座上均衡固定待加工的喷嘴扇区的装置。

附图说明

在通过纯粹说明性的和非限制性的实施例给出的本发明的实施方式的随后的详细说明性描述中，以及参照相应示意性附图，将更好地理解本发明，它的其它目的、细节、特征和优点将会更清楚地出现，其中：

图1是涡轮叶片；

图2是涡轮喷嘴扇区；

图3是被安装在可移动支撑件上的喷嘴扇区，这些点构成了在后缘上被标识的限定自适应校正区域的加工格栅；

图4示出了如何确定机床位置的计算；

图5是沿叶身后缘运转的机床；

图6是孤立转子叶片的支撑件；

图7是图6的支撑件，在不同探测位置带有在爪以及杆和探针珠之间的叶片；

图8是涡轮喷嘴扇区的支撑件。

具体实施方式

图1示出了从叶片的吸力面的侧面观察的低压涡轮叶片1。这是转子叶片，并且是单个的且包括根部3，通过所述根部叶片被安装在涡轮转子上，以及在根部3和叶身2之间的平台4。第二平台5形成在叶片1的顶端。叶身2在这两个平台之间以及沿着其弦在前缘BA和较薄后缘BF之间延伸。其上安装有叶片的涡轮转子的旋转轴与叶片根部的轴线平行。

图2是通过金属铸造获得的单件的低压涡轮喷嘴扇区10。该扇区包括在都以圆弧状的内部平台17和外部平台18之间被辐射布置在圆盘扇区内的多个叶身11到15。根据本身已知的脱蜡铸造技术制造了这种低压喷嘴扇区10，像低压转子叶片。尽管获得了精度，但是该技术不可能实现在后缘需要的低厚度。加工因此是必要的。考虑了叶身的变形，本发明提供了一种用于实现这种精加工的方法。

描述了被应用到六叶身单件喷嘴扇区10的叶身11到16的精加工的方法。所述扇区首先被安装在可移除支撑件20上，如在图3中可以看到。这是沿矩形轴系统的三个轴线的均衡安装，特别地扇区的参考轴系统，包括通过凸缘21沿参考轴系统的三个轴线平移地保持，所述凸缘21在其中心被布置在外部平台18的侧面上以及提供了沿轴系统的三个方向的固定，以及通过在内部平台17和支撑件24的端部在中心(图3中不可见)的凸缘22、23用于旋转锁定的三个支撑件。该安装进一步包括用于阻尼振动的被布置在凸缘21两侧的两个U形夹25和26。

扇区平面的角度被选定，以考虑相对于相同平面的后缘区域平面的角度。优选地，后缘的加工表面平行于如铰刀的机床的轴线。例如在五轴数控机床的情况下，这使得可以避免在机器的旋转轴(也就是说，第4轴和第5轴)定位中的错误。

支撑件20本身通过基座31被安装在数控机(图中未示出)的平台30上。

一旦支撑件20被安装在机床的平台上，轴加工系统相对于待加工叶身被最佳地固定。为此，通过经由合适装置的探测，获取了在叶身上一定数量点的位置，以及合适的软件，例如使用最小二乘法，计算了对安装在加工机器上的参考轴系统的修正。通过绕X，Y和Z轴的三个旋转以及在X，Y和Z方向内原点的平移(机器的线性轴)进行该修正。

加工轴系统与待加工的叶身11到16的主轴分别重合。轴系统的限定与机器的结构以及沿三个轴探测的可能性相关(转动轴被释放)。平行于铰刀轴线的叶身加工区域的定位意味着X轴是叶身相对于驱动轴的径向轴，Z轴是垂直于平台平面的平台转动轴，Y轴完成了直轴系统。平面XY包括平台的支撑面。应该注意的是，对于喷嘴扇区的每个叶身必须完成加工轴系统的固定。

一旦达到了固定，进行后缘BF的所谓自适应加工。该加工技术在由本申请的申请人提交的专利申请FR 11 55 424中被描述。

所述加工技术包括通过经由带有或不带有触点的适当探测装置探测，沿待加工叶身的后缘BF获取一定数目点的位置。这些点是那些限定在CADM软件内的叶身的3D理论模型上的点。参考系是加工轴系统的参考系。

这里，测量点N2到N6的位置，点N2到N6在内部平台17和外部平台18之间以及沿待加工的坯件叶身14的后缘BF以一毫米(1mm对应于测量用于测量后缘的厚度的参考平面上的功能尺寸)间距分布(图3)。点的数量为优选地至少三个。

从位置已被测量的这些点，限定了多个感应点。限定了压力面和吸力面的加工的所有机床/部件接触点必须包含在格栅内，因此添加了点N1和点N7以及点N8到N14。所述点N8到N14在穿过探测点和后缘的弦的交叉点。通过相邻点N2和N6的平移获得了过于接近平台以致不能探测的点N1和N7。点N1到N14从而界定了加工格栅顶点C1到C6。

对于每个点N1到N14，计算了在被测量或感应位置和理论模型的位置之间的差值Δ(N)。由于参考轴的固定，沿着主轴X测量了该差。对于每个加工的格栅以及在格栅内侧具有叶片表面的机床的每个接触区域，首先通过在格栅内机床的接触位置和在相关格栅的每个顶点上测量的差值Δ(N)限定待移除材料的数量。

参考图4中的实施例更精确地描述了用于确定通过加工被移除的材料数量的方法。在该实施例中，格栅是带有四个面的多边形；然而它们可具有不同数量的面。

相对于格栅的顶点或节点限定了每个点P，其中通过被称为加权系数CPi(i为所讨论的节点的附图标记)的四个系数定位。每个加权系数对应于需要分配到相应节点的权重，使得点P为这四个节点的质量中心。换句话说，点P越接近节点，分配到该节点的系数越高，相反最远的节点被分配很小的系数。为了使这些加权系数的限定变得唯一，它们彼此成比例地减少，这样总和等于一。例如，如果点P是格栅的中心，这四个系数等于0.25；如果它接近一个节点，如在图4中可以看到，系数CP1等于0.5，而其它三个分别等于0.35的CP2，0.10的CP7以及0.05的CP8。

通过机床和通过该机床轴线的相应定向而被扫描的点P的加权形成的文件然后转化成可由数控机理解以及被加载到其软件内的格式。

以下步骤包括限定对于在最终加工过程在部件和机床之间的所有接触点的位置差增量。为此，该增量的计算考虑之前计算的P点的加权系数以及来自点P位于的格栅节点的差值Δ(Ni)。在点P的增量，也就是说在叶身表面上对点P进行的修正被限定为等于通过节点的每个增量乘以与之相关的加权系数所获得的值之和。

在位于由四个节点N1、N2、N7和N8形成的格栅内的P点的实施例中，Δ(P)值等于CP1*Δ(N1)+CP2*Δ(N2)+CP7*Δ(N7)+CP8*Δ(N8)。

更通常地，它可由如下公式表达：

Δ(P)＝ΣCPi*Δ(Ni)，其中i对应于加工格栅的顶点的指数。

沿加工轴系统的X轴在P点延伸的差值Δ(P)确定了被施加到笛卡儿坐标的校正组件，所述笛卡儿坐标在最终加工过程中给出到控制机床定位的程序。在目前情况下，仅沿X轴进行校正。

优选地通过五轴数控机床进行加工，对于该五轴数控机床，通过所讨论的格栅节点的增量所产生的数值以及所述机床位于的点的加权系数不断地修正机床的位置。优选地通过平面铣削进行加工；也就是说通过铣刀的切削外围壁进行加工。

一旦已经加工第一面以使将其位置带到理论模型的表面，在与第一相对的面，(也就是说这里的压力面)上确定加工修正。至于在吸力面上，起点是初始点N2到N6。由于探测在叶身之间不能接近，以与在吸力面上实施的修正相同的方式进行修正。使用与在吸力面上相同的格栅，并且仅仅机床/部件接触点是不同的。

铣削喷嘴扇区叶身的操作的性能的一个实施例如下：

—逐个叶片地粗铣每个叶身的弦，该铣削旨在保持机械加工余量，

—逐个叶片地粗铣每个叶身的压力面，

—逐个叶片地半最终铣削和最终铣削每个叶身的吸力面，

—逐个叶片地最终铣削每个叶身的压力面，

—逐个叶片地最终铣削每个叶身的弦。

在粗机械加工过程中移除的厚度是大约十分之几毫米，或者甚至几毫米(取决于熔炼的机械加工余量)。

在最终机械加工过程中移除的厚度是大约百分之几毫米。

修正量是十分之几毫米。

图5示出了加工叶身16的吸力面，沿后缘运行的铣刀40的位置。该机床被安装在刀架上，例如能够沿五个轴线移动。

图6和7示出了在支撑件50上安装转子叶片。支撑件包括固定爪51，接触转子叶片的其表面51a被成形以接收转子叶身的吸力面。图6单独示出了固定爪51。所述爪被固定到平台30并具有规定的倾斜。选择倾斜以使机床在一个方向内的定向，如平行于铰刀轴线的轴线方向定向。图7示出了被保持在爪51和可移动爪52之间的转子叶片，以使叶身的后缘区域自由。

也示出了探针S的不同位置，其中其球面与后缘区域的表面接触。该安装能使探针可被定位在每个点，这些点的位置希望被测量的。

这种布置通过在叶身以及弦的压力和抽吸两个面上运行能使机床加工。两个爪由螺钉53夹紧。通过沿引导销54的引导确保了可移动爪在固定爪上的夹持运动。螺钉允许足够的夹持力以减少叶身的变形。

固定爪51包括叶片根部平台的止动件55，可以将叶片固定在轴向位置内。

加工以与如上所述用于喷嘴扇区叶身的相同方式实施。

图8示出了没有该部件的喷嘴扇区的支撑件20。可以看到在一侧上具有连接凸缘21用于固定在三个方向上固定的均衡定位元件。在另一侧上，可以看到用于绕三个轴线旋转固定的三个支撑件。

用于阻尼振动的U形夹25和26被布置凸缘21的两侧上。所述U形夹通过螺钉被固定到底座上，并且包括抵靠在平台面的支撑垫，防止了平台振动。

Claims (13)

1.用于制造涡轮发动机叶片的方法，所述叶片包括叶身和由理论数字模型所限定的所述叶身的外形，所述方法包括坯件的制造，坯件沿所述叶身的后缘相对于理论外形具有机械加工余量，其特征在于，通过自适应加工移除所述机械加工余量，其包括以下步骤：

a)在参考系中定位所述坯件；

b)通过在所述坯件的第一面上的给定数目的点沿所述后缘进行探测，在所述参考系内获取所述点的位置；

c)从在理论数字模型上的对应点沿一个方向确定位置差Δ；

d)在所述坯件的所述第一面上产生加工格栅，从所述点确定所述格栅的顶点；

e)确定在所述格栅表面上待移除的材料数量，这取决于相对于所述格栅的顶点的格栅上的点的位置以及所述位置差；以及

f)加工所述叶身。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，待加工的机械加工余量形成在吸力面和压力表面上。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述机械加工余量也在弦上形成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，被探测点的数量为至少三个。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，被探测点平行所述后缘布置。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，加工格栅的顶点包括被探测点以及那些沿着穿过所述被探测点的弦平移而推导出的点。

7.根据权利要求1所述的方法，该方法包括加工与所述第一面相对的面，被移除材料的数量由相对于所述第一面的加工格栅的顶点的位置所确定。

8.根据权利要求1所述的方法，该方法包括在可移除的支撑件上安装叶片以及在具有加工轴系统的数控机床上安装所述可移除的支撑件，所述加工是通过沿所述加工轴系统的一个方向移除材料来进行实施的。

9.根据权利要求8所述的方法，加工的叶片是涡轮转子叶片，该叶片通过在可移动爪和固定爪之间被夹紧而被固定到所述可移除的支撑件上，所述固定爪被加工成所述叶身的正面的理论外形，而将待加工的所述后缘松开。

10.根据权利要求8所述的方法，所述叶片形成涡轮喷嘴扇区的一部分，所述可移除的支撑件被布置成在所述可移除的支撑件内均衡安装所述扇区。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述可移除的支撑件包括用于在加工过程中阻尼振动的装置。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在加工所述喷嘴扇区的每个叶片之前，还包括相对于在机床上的加工轴系统，最佳地重新调整叶片的步骤。

13.用于实施根据任一前述权利要求所述的方法的设备，该设备包括：

a.用于在参考系中定位所述坯件的定位装置；

b.通过在所述坯件的第一面上的给定数目的点沿所述后缘进行探测而在参考系内获取所述点的位置的装置；

c.用于从理论数字模型的对应点沿一个方向确定位置差Δ的装置；

d.用于在所述坯件的所述面上产生加工格栅的装置，所述格栅的顶点由所述点确定；

e.用于确定在所述格栅的表面上待移除的材料数量的装置，这取决于相对于所述格栅的顶点的所述格栅上的点的位置以及所述位置差；以及

f.用于加工所述叶身的装置；

其特征在于，所述定位装置包括可移除的支撑件，该可移除的支撑件包括用于固定到机床平台的底座，以及刚性地连接到待加工的涡轮转子叶片的叶身的面的理论外形上的底座上的爪，或

用于在底座上均衡固定待加工的喷嘴扇区的装置。