CN107717364B - 空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，包括步骤：设计涡轮叶片铸造毛坯模型，铸造出叶片毛坯，保留叶片的6个自由度的定位基准点或其等效结构；在叶片榫头部位安装上快换夹具托盘或测量夹具，对叶片进行准确定位；采用工业CT测量装置对叶片内腔、叶片内外形和其它相关表面及辅助定位基准等的点云数据，并进行拟合后，设计坐标系，对叶片上的辅助定位基准、叶身外形进行磨削加工或铣削加工；根据加工后的叶身外形对叶片进行定位夹紧，并利用榫头磨削机床加工叶片榫头等端部结构；利用榫头定位对叶片上的气膜孔进行加工。简化了铸造过程同时保证叶片内腔和外形制造精度，并保证二者相对位置精度的严酷要求，可以显著提高空心涡轮叶片的制造合格率。

Description

空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造 方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机空心涡轮叶片的制造技术，尤其涉及一种空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，特别适用于采用精密铸造方法和机械加工方法结合的方法制造空心涡轮叶片。

背景技术

空心涡轮叶片可以通过气膜孔喷出的低温气体进行冷却，这样可以显著降低发动机燃烧后的高温气体融化涡轮叶片，通常情况下，提高涡轮前温度的方法是提高发动机效率的有效方法，但这种方法可以使高温气体的温度超过涡轮叶片的熔点，因此如何制造带有大量分布于叶片曲面上的气膜孔和复杂的内腔结构的高质量涡轮叶片就成为重要的问题。目前的工艺方法主要是先制造陶瓷型芯，然后将型芯安装在模具中并通过注入液态石蜡形成包裹陶瓷型芯的结构，在石蜡模型的外部粘接多层氧化铝微粉制作成砂壳，将它们整体进行煅烧去掉蜡模就得到了包含陶瓷型芯和砂型模壳的铸造模型，通过将金属液体浇注到其中的空腔中即形成所需要的叶片毛坯，为了得到最终的毛坯，需要通过机械方法去掉毛坯外表的模壳，并利用化学溶剂溶解等方法去掉叶片毛坯内部的陶瓷型芯。对得到的叶片的榫头进行加工，对表面进行适当的清理和涂层就得到了正式的涡轮叶片。

但是，由于铸造过程是一个热加工过程，而叶片内腔的很多结构都非常细小，利用铸造方法同时获得无需加工的叶片内腔和外形就成为重大工艺难题，由于我国工业基础不好，铸造过程很多参数难以进行稳定控制，使得我国涡轮叶片铸造合格率远低于世界先进水平，单个叶片的价格因此居高不下，且一直难以制造出高质量涡轮叶片产品。主要问题在于

然而当前的熔模铸造技术不能保证该类涡轮叶片的高合格率生产。其中：

(1)陶瓷型芯在模壳中的位置难以固定并难以保证它与模壳之间保持稳定和正确的几何位置；叶片内腔为十分复杂的内部冷气通道，多呈现空间交错特点，其陶瓷型芯壁厚的设计尺寸悬殊。在熔模铸造过程中，由于型芯在金属液作用下漂浮移动，型芯位置发生偏错，使得所述叶身内腔的形状、尺寸及与所述叶身外形间的壁厚不符合要求，偏芯、露芯情况严重；

(2)陶瓷型芯在制模过程和浇铸过程会发生位置变动和变形，其位置将偏离设定的原始定位基准，这将使得按照外部基准加工叶片将导致气膜孔偏斜等问题，严重影响冷却效果；

(3)叶片上很多微小结构的厚度很小，金属液难以充满，容易导致叶片铸造缺陷发生；

(4)叶片表面层容易出现铸造沙眼等缺陷，使叶片成为废品。

因此，涡轮叶片的精密成形问题成为航空发动机乃至燃气轮机行业的技术难题，急需予以解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，在精密铸造阶段将叶片内腔形状直接铸造到符合设计要求的形状和精度并给叶片的外形保留一定数量的加工余量，通过工业CT检测装置检测到叶片内腔的点云数据后计算出叶片内腔对应的实际坐标系的姿态和位置，并按照该坐标系为基准在数控机床上加工叶片的外形到设计要求的形状、位置和精度范围之内，具体的步骤如下：

步骤一：对空心涡轮叶片的外形进行分析，对辅助定位基准和涡轮叶片的外形增加0.1-1mm左右的余量设计涡轮叶片铸造毛坯模型；

步骤二：按照外形留有机械加工余量的叶片铸造毛坯模型采用精密铸造叶片方法铸造出叶片毛坯，其中保留叶片的6个自由度的定位基准点或其等效结构；

步骤三：在叶片榫头部位安装上具有规则外形的快换夹具托盘或其它形状经过机械加工的用于叶片安装的具有精确定位面的测量夹具，该快换托盘和测量夹具用于在叶片测量和加工时候对叶片进行准确定位，以便确定测量数据所基于的坐标系或在机床上使叶片具有确定的位置；

步骤四：采用工业CT测量装置对包含快换夹具托盘或具有安装基准的叶片测量夹具在内的叶片内腔的点云数据、外形进行测量获得叶片内外形和其它相关表面的点云数据和叶片测量夹具或快换夹具上的定位面点云数据,以及叶片上的辅助定位基准的点云数据；

步骤五：分别对定位几何要素和叶片内部型腔点云数据进行拟合,按照叶片内腔优化出叶片基准或坐标系的最佳位置，即当前叶片测量夹具上的坐标系和基于当前叶片测量基准的叶片设计坐标系；

步骤六：按照叶片测量基准和叶片设计坐标系之间的坐标变换关系确定叶片上的辅助定位基准和叶身外形相对叶片测量基准之间的几何位置关系，将叶片通过定位面安装于机床上，并对叶片上的辅助定位基准或/和叶身外形进行磨削加工或铣削加工；

步骤七：根据机械加工后的叶身外形对叶片进行定位夹紧，并利用榫头磨削机床加工叶片榫头等端部结构；

步骤八：利用榫头定位对叶片上的气膜孔进行加工。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，采用机械加工和叶片铸造结合的方法来解决该问题，即以叶片的内腔定位，并在铸造过程中在叶片外形上保留适当加工余量，通过机械加工获得高精度和高合格率的涡轮叶片产品。能显著提高涡轮叶片的制造合格率，并提高涡轮叶片的制造精度、降低其制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法的技术流程图；

图2为本发明实施例中空心涡轮叶片设计模型的主视图；

图3为本发明实施例中叶身外形留有机械加工余量的示意图。

图4为本发明实施例中留有机械加工余量的叶片加厚铸造毛坯模型的主视图；

图5a为本发明实施例中用于叶片毛坯的快换夹具托盘及叶片毛坯装夹姿态；

图5b为本发明实施例中用于叶片毛坯的具有精确定位面的测量夹具及叶片毛坯装夹姿态；

图6为本发明实施例中工业CT测量点云数据；

图7为本发明实施例中叶身外形的数控磨削加工程序。

图中：

1是叶片设计模型、2是叶片加厚铸造毛坯、3是叶片加厚铸造毛坯模型、4是工艺辅助定位凸台基准、5是叶片毛坯的快换夹具托盘、5-1是具有精确定位面的测量夹具、6是叶片毛坯的快换夹具托盘5或具有精确定位面的测量夹具5-1上的三个正交平面；

T是榫头、P是缘板、S是叶身外形、O是叶身内O、H是气膜孔、PCS1是叶片设计模型基准、PCS2是测量(加工)坐标系、d是机械加工余量、A1是叶片内腔O的工业CT测量点云数据、C是工艺辅助定位凸台基准4的工业CT测量点云数据、B是快换夹具托盘5或具有精确定位面的测量夹具5-1的三个正交平面6的工业CT测量点云数据；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，其较佳的具体实施方式是：

在精密铸造阶段将叶片内腔形状直接铸造到符合设计要求的形状和精度并给叶片的外形保留一定数量的加工余量，通过工业CT检测装置检测到叶片内腔的点云数据后计算出叶片内腔对应的实际坐标系的姿态和位置，并按照该坐标系为基准在数控机床上加工叶片的外形到设计要求的形状、位置和精度范围之内，具体的步骤如下：

步骤一：对空心涡轮叶片的外形进行分析，对辅助定位基准和涡轮叶片的外形增加0.1-1mm左右的余量设计涡轮叶片铸造毛坯模型；

步骤二：按照外形留有机械加工余量的叶片铸造毛坯模型采用精密铸造叶片方法铸造出叶片毛坯，其中保留叶片的6个自由度的定位基准点或其等效结构；

步骤三：在叶片榫头部位安装上具有规则外形的快换夹具托盘或其它形状经过机械加工的用于叶片安装的具有精确定位面的测量夹具，该快换托盘和测量夹具用于在叶片测量和加工时候对叶片进行准确定位，以便确定测量数据所基于的坐标系或在机床上使叶片具有确定的位置；

步骤四：采用工业CT测量装置对包含快换夹具托盘或具有安装基准的叶片测量夹具在内的叶片内腔的点云数据、外形进行测量获得叶片内外形和其它相关表面的点云数据和叶片测量夹具或快换夹具上的定位面点云数据,以及叶片上的辅助定位基准的点云数据；

步骤五：分别对定位几何要素和叶片内部型腔点云数据进行拟合,按照叶片内腔优化出叶片基准或坐标系的最佳位置，即当前叶片测量夹具上的坐标系和基于当前叶片测量基准的叶片设计坐标系；

步骤六：按照叶片测量基准和叶片设计坐标系之间的坐标变换关系确定叶片上的辅助定位基准和叶身外形相对叶片测量基准之间的几何位置关系，将叶片通过定位面安装于机床上，并对叶片上的辅助定位基准或/和叶身外形进行磨削加工或铣削加工；

步骤七：根据机械加工后的叶身外形对叶片进行定位夹紧，并利用榫头磨削机床加工叶片榫头等端部结构；

步骤八：利用榫头定位对叶片上的气膜孔进行加工。

所述的叶片外形的加工方法为铣削和抛光、磨削和抛光，但对于硬度较高的材料，主要采用超硬砂轮磨削和抛光的方法以提高加工过程的稳定性和降低加工成本。

先加工叶片上的辅助基准，然后以这些辅助基准面将叶片安装在其它夹具上对叶片外形进行加工，并在叶片外形加工完成后利用叶身定位对叶片榫头和叶冠进行加工并达到预定的设计要求，所述辅助基准包括预留的工艺凸台等的表面。

利用多自由度平台依据叶片CT扫描结果进行调整将叶片的内腔坐标系调整到与机床上的一个给定的坐标系重合，并利用低熔点合金将叶片与另外一叶片夹具连接起来，将叶片内腔的基准转换到该夹具的定位面上，将内腔不一致的涡轮叶片外形的加工转换成基准相同的构件的加工，以便采用同样的程序对不同的叶片进行加工。

当叶片形状容许时在叶片内腔中设计必要的定位基准面，直接利用叶片内腔中的定位表面和相应的夹具确定涡轮叶片的姿态，并利用低熔点合金等少无切削力加工过程将具有精确形状的夹具连接在叶片上使其具有接受后续机械加工的足够的连接刚度和精度。

本发明的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，采用机械加工和叶片铸造结合的方法来解决该问题，即以叶片的内腔定位，并在铸造过程中在叶片外形上保留适当加工余量，通过机械加工获得高精度和高合格率的涡轮叶片产品。能显著提高涡轮叶片的制造合格率，并提高涡轮叶片的制造精度、降低其制造成本。

本发明的优势和创新点：

传统的空心涡轮叶片都是利用陶瓷型芯和外部砂型模壳组装起来形成一个完整的铸造模型，通过二者约束金属液的流动而同时获得叶片的内腔形状和外形形状。但是由于叶片陶瓷型芯通常很薄，非常容易产生变形，因此这种工艺对陶瓷型芯、模壳、铸造过程的热胀冷缩、砂型的表面质量等都提出了很高的要求，随着发动机对叶片制造精度的日益提高，传统的精密铸造工艺难以满足要求。由于工艺控制极其困难，我国部分工厂不得不采用人工打磨修复方法修复那些处于公差带边缘的叶片，但是手工打磨精度不高、稳定性差，不利于提高发动机性能。本发明利用我国在超硬磨料磨具成本方面的优势提出内型精密铸造和外形机械加工的冷热复合加工工艺，可以降低对陶瓷形芯变形和加工安装精度的控制要求，并可降低叶片表面铸造质量的要求，同时加厚的结构利于金属流动，利于提高叶片铸造合格率。同时基于工业CT技术检测和三维配准方法可以控制叶片的厚度变化情况，有效改善叶片的厚度分布，对于制备高精度和高工作稳定性的气膜孔奠定了基础。因此该发明的方法可望将涡轮叶片的合格率提高到80％-90％水平。这一点对于降低涡轮叶片的制造成本意义重大。

具体实施例：

本发明的技术流程如图1所示，具体实施方案包括以下步骤：

步骤一图2示出了需由熔模精铸技术制造的空心涡轮叶片设计模型1的主视图，叶片设计模型1包括榫头T、缘板P、叶身外形S、叶身内腔O、气膜孔H、叶片设计模型基准PCS1。图3是本发明为了解决在熔模精铸过程中由于型芯偏移引起的壁厚不满足设计要求、叶身外形S与叶身内腔O发生位置偏移难题所提出的基本思路，将叶身外形S留有机械加工余量d后获得叶片加厚铸造毛坯2，以便对叶身外形S进行机械加工。同时，基于后续加工工艺要求，设计工艺辅助定位凸台基准，综上，图4示出了留有机械加工余量d的叶片加厚铸造毛坯模型3的主视图，叶片铸造毛坯模型3包括工艺辅助定位凸台基准4、叶身外形S留有机械加工余量d的叶片加厚铸造毛坯2。

步骤二按照叶片加厚铸造毛坯模型3进行熔模精铸方法铸造出叶片毛坯。

步骤三图5a、图5b分别示出了用于叶片毛坯的快换夹具托盘5、具有精确定位面的测量夹具5-1，其所具有三个正交平面6共同决定了测量(加工)坐标系PCS2，用于在后续叶片CT测量与加工时对叶片毛坯进行精确定位。其中，将榫头T作为初始定位基准，则可获得PCS1与PCS2之间的初始空间关系。

步骤四在PCS2与PCS1初始空间关系下，采用工业CT测量装置获得叶身内腔O、工艺辅助定位凸台基准4的点云数据A1、C，同时获得快换夹具托盘5或具有精确定位面的测量夹具5-1的三个正交平面6的点云数据B，如图6所示；

步骤五对点云数据B进行三个正交平面的最小二乘拟合，获得实际工况下的测量(加工)坐标系PCS2。同时，对点云数据A1与叶片设计模型1下的叶片内腔O进行迭代配准，获取关于叶片设计模型基准PCS1的空间旋转平移矩阵，即PCS1沿X轴的平移、沿Y轴的平移、沿Z轴的平移、绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转、绕Z轴的旋转。其中，迭代配准目标函数需由后续机加工需求确定，在此选择基于距离加权的最小二乘度量目标函数。则可获得在PCS2下PCS1的最优位置；

步骤六依据PCS2与PCS1之间的空间位置关系，确定PCS2下叶片加厚铸造毛坯模型3上的工艺辅助定位凸台基准4的空间位置。选定合适的数控加工机床及加工刀具，将叶片毛坯通过叶片毛坯的快换夹具托盘5或具有精确定位面的测量夹具5-1装夹于机床上，对工艺辅助定位凸台基准4进行磨削加工。随后以工艺辅助定位凸台基准4为加工基准，选定合适的数控加工机床及加工刀具，进行缘板P、叶身外形S的铣、磨、抛加工，去除机械加工余量d，如图7所示。

步骤七根据机械加工后的叶身外形S对叶片进行定位夹紧，并利用榫头磨削机床加工叶片榫头T，并加工去除工艺辅助定位凸台基准4。

步骤八根据加些加工后的叶片榫头T对叶片进行定位夹紧，完成气膜孔H的加工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，其特征在于，在精密铸造阶段将叶片内腔形状直接铸造到符合设计要求的形状和精度并给叶片的外形保留一定数量的加工余量，通过工业CT检测装置检测到叶片内腔的点云数据后计算出叶片内腔对应的实际坐标系的姿态和位置，并按照该坐标系为基准在数控机床上加工叶片的外形到设计要求的形状、位置和精度范围之内，具体的步骤如下：

步骤一：对空心涡轮叶片的外形进行分析，对辅助定位基准和涡轮叶片的外形增加0.1-1mm的余量设计涡轮叶片铸造毛坯模型；

步骤二：按照外形留有机械加工余量的叶片铸造毛坯模型采用精密铸造叶片方法铸造出叶片毛坯，其中保留叶片的6个自由度的定位基准点或其等效结构；

步骤三：在叶片榫头部位安装上具有规则外形的快换夹具托盘或其它形状经过机械加工的用于叶片安装的具有精确定位面的测量夹具，该快换托盘和测量夹具用于在叶片测量和加工时候对叶片进行准确定位，以便确定测量数据所基于的坐标系或在机床上使叶片具有确定的位置；

步骤四：采用工业CT测量装置对包含快换夹具托盘或具有安装基准的叶片测量夹具在内的叶片内腔的点云数据(A1)、外形进行测量获得叶片内外形和其它相关表面的点云数据(A2)和叶片测量夹具或快换夹具上的定位面点云数据(B),以及叶片上的辅助定位基准的点云数据(C)；

步骤五：分别对定位几何要素点云数据(B、C)和叶片内腔的点云数据(A1)进行拟合,按照叶片内腔优化出叶片基准或坐标系的最佳位置，即当前叶片测量夹具上的坐标系(PCS2)和基于当前叶片测量基准的叶片设计坐标系(PCS1)；

步骤六：按照叶片测量基准和叶片设计坐标系(PCS1)之间的坐标变换关系确定叶片上的辅助定位基准和叶身外形相对叶片测量基准之间的几何位置关系，将叶片通过定位面安装于机床上，并对叶片上的辅助定位基准或/和叶身外形进行磨削加工或铣削加工；

步骤七：根据机械加工后的叶身外形对叶片进行定位夹紧，并利用榫头磨削机床加工叶片榫头端部结构；

步骤八：利用榫头定位对叶片上的气膜孔进行加工。

2.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，所述的叶片外形的加工方法为铣削和抛光、磨削和抛光，但对于硬度较高的材料，采用超硬砂轮磨削和抛光的方法以提高加工过程的稳定性和降低加工成本。

3.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，先加工叶片上的辅助基准，然后以这些辅助基准面将叶片安装在其它夹具上对叶片外形进行加工，并在叶片外形加工完成后利用叶身定位对叶片榫头和叶冠进行加工并达到预定的设计要求，所述辅助基准包括预留的工艺凸台的表面。

4.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，利用多自由度平台依据叶片CT扫描结果进行调整将叶片的内腔坐标系调整到与机床上的一个给定的坐标系重合，并利用低熔点合金将叶片与另外一叶片夹具连接起来，将叶片内腔的基准转换到该夹具的定位面上，将内腔不一致的涡轮叶片外形的加工转换成基准相同的构件的加工，以便采用同样的程序对不同的叶片进行加工。

5.根据权利要求1所述的空心涡轮叶片内腔精密铸造外形机械加工的冷热复合制造方法，当叶片形状容许时在叶片内腔中设计必要的定位基准面，直接利用叶片内腔中的定位表面和相应的夹具确定涡轮叶片的姿态，并利用低熔点合金少无切削力加工过程将具有精确形状的夹具连接在叶片上使其具有接受后续机械加工的足够的连接刚度和精度。