CN112059445A - 一种涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片冷却气膜孔的精确加工定位方法，其特点是采用激光预打点技术，在增强显影剂上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标，将其同理论模型中对应的气膜孔理论设计坐标进行拟合，算出坐标误差后进行校正，得到气膜孔较为精确的加工定位。本发明与现有技术相比具有加工方法简便，加工定位精度高、质量好，尤其在航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的加工定位中，取得了很好的加工效果，省略了铸造件的误差校正、装夹定位误差校正，以及小孔加工过程中叶片移动和形变在内的误差校正等步骤，进一步提高气膜孔的加工质量和工作效率，实用性强，具备广泛的推广和应用前景。

Description

一种涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片制造技术领域，尤其是一种涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法。

背景技术

涡轮叶片上气膜孔具有数量多、空间角度复杂等特点，气膜冷却效率是材料、几何等参数及其耦合作用在高温高压三维非定常流场下的响应，与气膜孔的形状和位置参数息息相关。因此，确保叶片气膜孔形位精度对于提高冷却效率与发动机能效至关重要。目前，我国气膜孔加工定位技术方法十分不成熟，尚处于摸索及段，主要是由于叶片的加工技术目前只有“无锡叶片”一家成熟的公司，且加工技术仅停留在非商用客气涡轮叶片的水平。因此，在对应的涡轮叶片制造链误差分析上严重缺失，在进行气膜孔加工时基本采用开环加工的方式。即不考虑待加工叶片在铸造过程中积累的变形误差，在默认叶片完全符合设计轮廓的前提下按照设计坐标点对叶片进行气膜孔加工。叶片在装夹与气膜孔加工过程中，会积累定位误差。这些误差如果得不到校正必然会严重影响气膜孔的精度、孔型、孔壁质量等。在发动工作时由于气膜孔冷却效率降低，致使叶片得不到有效的保护，从而使叶片本身的气冷效率和使用寿命达不到设计要求。

目前，我国叶片气膜孔的加工定位多依赖于经验丰富的工程师进行人工校正，通过人工试错与数据修正相结合的办法，以校正气膜孔在加工开始及加工过程的形位变化，这种方法耗时费力，误差极大且成品率低。以世界巨头美国通用与英国罗罗为代表的航空巨头，现阶段已经实现了高性能、高效率、高精度的气膜孔加工定位方法，但这些技术对我国实行全方位的封锁。针对涡轮叶片气膜孔加工过程中存在的几何精度偏低、质量不稳的问题，自主设计、开发高性能的气膜孔加工定位方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法，采用激光预打点技术，在增强显影剂上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标，将其同理论模型中对应的气膜孔理论设计坐标进行拟合，利用空间姿态变换算法给予校正，

得到气膜孔较为精确的加工定位，省略了铸造件的误差校正、装夹定位误差校正以及小孔加工过程中叶片的移动及形变在内的误差校正等步骤，加工方法简便，保证了涡轮叶片气膜孔的定位精度，进一步提高了涡轮叶片气膜孔的定位精度、加工质量和工作效率，尤其在航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的加工定位中，取得了很好的加工效果，实用性强，具备广泛的推广和应用前景。

本发明的目的是这样实现的：一种涡轮叶片冷却气膜孔的精确加工定位方法，其特点是采用激光预打点技术，通过集成非接触式三维扫描检测设备得到待加工涡轮叶片气膜孔的精确点云模型，建立涡轮叶片气膜孔精确定位软件平台，结合涡轮预标记打点下叶片气膜孔点云模型坐标与设计模型坐标之间的误差分析，得到修正后的气膜孔形位参数，得到较为精确的气膜孔加工定位，具体包括下述步骤：

1)获取叶片气膜孔在世界坐标系中理论三维坐标与深度

根据实际叶片的UG模型获取叶片气膜孔在世界坐标系中理论三维坐标与深度，所述气膜孔坐标的提取是通过将气膜孔的轮廓处理成点云，点云数量取足够多以保证测算的坐标准确，以气膜孔入口曲面中心点作为表征该气膜孔的三维坐标点；所述气膜孔深度我们对气膜孔UG模型进行剖开，精确测量出气膜孔的深度。

2)叶片表面喷涂白色反差增强显影剂薄层

将叶片直接固定在夹具上，均匀的在叶片表面喷涂白色反差增强显影剂薄层。

3)获取理论模型的叶片气膜孔坐标

利用计算机从UG模型中提取出叶片上所有气膜孔在世界坐标系中的三维孔位坐标(X,Y,Z)，所述孔位坐标以(Xn,Yn,Zn)标定，其中：n代表孔的加工顺序。

4)激光预标记打点

设置激光的功率，使得激光汇聚后的能量密度在增强显影剂的损伤阈值附近，使得激光烧蚀的效果仅是氧化增强剂，使得增强剂呈现“氧化后的黑色标记点”(不同的增强显影剂效果不同)。

5)激光预标记打孔

打开激光，计算机调取全部孔的坐标命令，执行打孔程序，完成叶片上所有气膜孔的激光预标记打孔程序。

6)获取激光预标记打点方案下叶片上所有气膜孔坐标

通过三维光学扫描仪扫描对叶片不同列的气膜孔进行高精度的单面扫描，增强显影剂被激光氧化呈现黑色，即此得到的叶片三维模型涵盖了所有预标记打出的“黑色氧化标记点”，该黑色氧化标记点表征气膜孔坐标。

7)建立标记点中心坐标

将所有气膜孔“黑色氧化标记点”进行点云处理，取得该标记点中心，并将其放入最初的理论世界坐标系中，得到标记点的中心坐标。

8)气膜孔误差坐标的计算

将扫描处理得到的标记点中心坐标与理论模型坐标对比，得到每个孔的实际坐标(X₁,Y₁,Z₁),取出每个孔的理论坐标(x₁,y₁,z₁)，二者相减，得到(dx₁,dy₁,dz₁)。同理，依次得到所有孔的误差(dx_n,dy_n,dz_n)。

9)气膜孔误差坐标的初次误差校正

上述气膜孔误差坐标的计算，只是叶片在零点状态下的误差，必须根据每个孔实际的三个轴向坐标进行对应的空间姿态变换，旋转变换过程中,向量(dx_n,dy_n,dz_n)的分量会发生改变，但其模并不会发生变化。变换后的误差就是所需要校正的数据，将矫正后的数据替换原始理论数据，得到精确度很高的实际加工坐标。

所述空间姿态的旋转变换按下述矩阵An进行：

其中：n为孔序号，是对应每一个孔轴向在世界坐标系中的空间姿态矩阵表征；β为孔轴向与世界坐标X轴的夹角；α为孔轴向与世界坐标X轴的夹角；γ为孔轴向与世界坐标Z轴的夹角。

在实际加工中，世界坐标系已经与加工坐标系对齐，上述步骤8)中所得到的(dxn,dyn,dzn)只是软件对比中孔位之间的绝对误差，是一个简单的三维坐标相减得到的误差，要实际应用到加工中，误差值(dxn,dyn,dzn)需要经过矩阵An的变换后才能成为加工中真正的补偿值。将(dxn,dyn,dzn)表征为下述a式的向量表示：

加工补偿值则由下述b式的向量表示：

原加工坐标由下述c式的向量表示：

补偿后的新坐标则由下述d式的向量表示：

L_n1＝L_n+D_n (d)；

10)气膜孔加工坐标的获取

初次校准完成，重复上述5)步骤～9)步骤，所述重复次数取决于扫描仪的分辨精度，一般三次可到仪器分辨精度极限。

11)气膜孔的加工

将所有气膜孔按上述5)步骤～10)完成误差校正，得到全部气膜孔的加工坐标，开始叶片气膜孔的加工流程。

本发明与现有技术相比具有加工方法简便，涡轮叶片气膜孔的定位精度高，尤其在航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的加工定位中，取得了很好的加工效果，省略了铸造件的误差校正、装夹定位误差校正以及小孔加工过程中叶片的移动及形变在内的误差校正等步骤，进一步提高了涡轮叶片气膜孔的加工质量和工作效率，实用性强，具备广泛的推广和应用前景。

附图说明

图1为叶片的理论设计模型图；

图2为叶片前缘三列气膜孔示意图；

图3为轮廓曲线转化成点云示意图；

图4为拟合得到空间类椭圆曲线示意图；

图5为孔中心坐标示意图；

图6为轴向测量气膜孔深示意图；

图7为叶片前缘三列孔矫前的三维扫描图；

图8为叶片前缘三列孔矫后的三维扫描图。

具体实施方式

下面以某叶片前缘三列气膜孔的加工定位对本发明作进一步详细描述和说明：

实施例1

1)根据实际叶片的UG模型获取叶片前缘三列54个气膜孔在世界坐标系中理论三维坐标与深度

参阅附图1～图2，根据实际叶片的UG模型获取叶片前缘三列54个气膜孔在世界坐标系中理论三维坐标与深度。

参阅附图3，气膜孔理论三维坐标的提取是通过将气膜孔的轮廓曲线转化成点云，点云数量取足够多以保证测算的坐标准确，以气膜孔入口曲面中心点作为表征该气膜孔的三维坐标点。

参阅附图4，将上述点云处理的轮廓曲线拟合得到空间类椭圆曲线。

参阅附图5，将上述拟合得到的空间类椭圆曲线中长轴和短轴的中点连线，并以该连线的中点作为孔中心坐标。

参阅附图6，对气膜孔UG模型进行剖开，沿轴线方向精确测量叶片前缘三列54个气膜孔的深度。

2)叶片表面喷涂白色反差增强显影剂薄层

将叶片直接固定在夹具上，均匀的在叶片表面喷涂白色反差增强显影剂薄层。

3)获取理论模型的叶片前缘三列54个气膜孔坐标

利用计算机从UG模型中提取出叶片前缘上54个气膜孔在世界坐标系中的三维孔位坐标(X,Y,Z)；所述叶片前缘54个孔位坐标以(Xn,Yn,Zn)标定，其中：n代表孔的加工序号。

4)激光预标记打点

设置激光的功率，使得激光汇聚后的能量密度在增强显影剂的损伤阈值附近，使得激光烧蚀的效果仅是氧化增强剂，使得增强剂呈现“氧化后的黑色标记点”(不同的增强显影剂效果不同)。

5)激光预标记打孔

打开激光，计算机调取全部孔的坐标命令，执行打孔程序，完成叶片上前缘54个气膜孔的预标记打孔程序。

6)获取激光预标记打点实施方案下叶片前缘54个气膜孔的坐标；

参阅附图7～图8，通过三维光学扫描仪扫描对叶片不同列的气膜孔进行高精度的单面扫描。增强显影剂被激光氧化呈现黑色，得到的叶片三维模型涵盖了所有预标记打出的“黑色氧化标记点”，即叶片前缘三列孔矫前后的三维扫描图中圆圈标出的黑色氧化标记点表征的气膜孔。

7)校正叶片前缘54个气膜孔的坐标误差校正；

参阅附图图8，通过空间姿态校正算法，“黑色氧化标记点”与理论气膜孔位置完全重合。

本发明对涡轮叶片气膜孔加工过程中存在的几何精度偏低、质量不稳的问题，提出了一种预标记打点的技术方法，通过集成非接触式三维扫描检测设备得到待加工涡轮叶片气膜孔的精确点云模型。建立涡轮叶片气膜孔精确定位软件平台，结合涡轮预标记打点下叶片气膜孔点云模型坐标与设计模型坐标之间的误差分析，得到修正后的气膜孔形位参数。本发明采用激光预打点技术，在增强显影剂上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，通过对“黑色氧化点”点云处理得到其中心点的坐标。将该点坐标同理论模型中对应的气膜孔理论设计坐标进行拟合，算出坐标误差，进行校正。实现了数据闭环的涡轮叶片气膜孔加工定位系统，保证了涡轮叶片气膜孔的定位精度，从而得到高性能、高质量的气膜孔。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于采用激光预打点技术，在叶片上预先打出表征气膜孔的“黑色氧化点”，将其点云处理得到中心点的坐标，然后与气膜孔理论设计坐标进行拟合，利用空间姿态变换算法进行校正，气膜孔的加工定位具体包括下述步骤：

1)获取气膜孔的三维坐标与深度

根据叶片的UG模型获取气膜孔在理论世界坐标系中的三维坐标与深度，所述三维坐标获取是将气膜孔的轮廓进行点云处理，并以气膜孔入口曲面中心点作为表征该气膜孔的三维坐标点；所述深度获取是将UG模型的气膜孔剖开进行深度的测量；

2)叶片喷涂显影剂薄层

将叶片固定在夹具上，采用白色反差增强显影剂均匀喷涂在叶片表面形成薄层；

3)获取理论模型的叶片气膜孔坐标

利用计算机从UG模型中提取出叶片上所有气膜孔在世界坐标系中的三维孔位坐标(X,Y,Z)，并将三维孔位坐标以(Xn,Yn,Zn)标定，其中：n代表孔的加工顺序；

4)激光预标记打点

将激光功率调整到增强显影剂的损伤阈值附近，使激光烧蚀后的氧化增强剂薄层呈现黑色的氧化标记点；

5)激光预标记打孔

使用计算机调取叶气膜孔坐标，完成叶片上所有气膜孔的激光预标记打孔程序；

6)获取激光预标记打点方案下叶片上所有气膜孔坐标

通过三维光学扫描仪扫描对叶片不同列的气膜孔进行单面扫描，得到得到叶片三维模型涵盖所有“氧化标记点”表征的气膜孔坐标；

7)建立标记点中心坐标

将所有气膜孔的标记点进行点云处理，取得标记点中心，并将其放在理论世界坐标系中，得到标记点的中心坐标；

8)气膜孔误差坐标的计算

将扫描处理得到的标记点中心坐标与理论模型坐标对比，得到每个孔的实际坐标(X1,Y1,Z1)，取出每个孔的理论坐标(x1,y1,z1)，二者相减，得到叶片在零点状态下的气膜孔误差坐标(dx1,dy1,dz1)；同理，依次得到所有气膜孔误差坐标(dxn,dyn,dzn)；

9)气膜孔误差坐标的初次误差校正

对上述气膜孔误差坐标(dxn,dyn,dzn)进行空间姿态变换，将变换后的误差数据替换原始理论数据，完成初次校准；

10)气膜孔加工坐标的获取

对初次误差校正的气膜孔坐标，重复上述5)步骤～9)步骤进行多次误差修正，得到精度较高的气膜孔加工坐标；

11)气膜孔的加工

将所有气膜孔按上述5)步骤～10)完成误差校正，得到全部气膜孔的加工坐标，开始叶片气膜孔的加工流程。

2.根据权利要求1所述涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于所述白色反差增强显影剂均匀喷涂在叶片表面形成薄层是利用激光氧化反差增强剂预先打出气膜孔标记点。

3.根据权利要求1所述涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于所述空间姿态按下述矩阵An进行旋转变换：

其中：n为孔序号，是对应每一个孔轴向在世界坐标系中的空间姿态矩阵表征；β为孔轴向与世界坐标X轴的夹角；α为孔轴向与世界坐标X轴的夹角；γ为孔轴向与世界坐标Z轴的夹角。

4.根据权利要求1所述涡轮叶片冷却气膜孔的加工定位方法，其特征在于所述多次误差校正的次数取决于扫描仪的分辨精度，一般三次即可达到仪器分辨的精度极限。

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