CN112484600A - 一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法，该类叶片是一种形状特殊、尺寸复杂的零件，我们对其进行三坐标接触式检测方案的深入探究和大量试验，总结出一套最优的工程化检测方案，并从检测基准的选取、坐标系的建立方法和典型工序的尺寸评价这三大方面进行严格规范，建立了该类涡轮叶片完整的自动化检测体系，对今后各类涡轮叶片的数字化检测具有重要指导性意义。其中一些检测理念与传统的测量方法有差异，主要是鉴于涡轮叶片结构特性和三坐标测量特点，并结合测量专家的意见，进行创新性的检测方案尝试。

Description

一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法
技术领域
本发明涉及航空叶片检测技术领域，特别涉及一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法。
背景技术
目前涡轮叶片的国内生产路线为叶身无余量精铸，榫齿及叶冠部分机械精加工，由于机加尺寸不规则、基准较复杂，大部分叶片机加工序仍使用工装检测，少数零件采用三坐标进行抽检或复测。
在某种程度上来说，工装测量系统的主观性和可操作性具有一定优势，然而对于一些精度要求较高的零件，其测量结果容易受到工装系统误差影响；而三坐标检测精度和系统误差均能满足要求，但对于涡轮叶片缺少一个完整准确的检测方案，之前尚未进行过涡轮典型叶片的全尺寸自动检测尝试，并未对具体的检测方法进行过深入探究。
发明内容
为解决上述技术问题，消除某类涡轮叶片工装系统误差，以全尺寸三坐标检测验收的方式保证其高精度机加尺寸检测值的真实性，规范检测基准、建系方法和测量评价方式，建立一个完整的自动化检测体系，具体技术方案如下：
一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法，包括如下步骤：
步骤一：选取检测基准
在测量程序编制之前，我们首先要进行检测基准的选取，其准确与否对测量结果起决定性作用，为达到设计基准、加工基准、检测基准、装配基准的统一目的，对该多齿带冠类涡轮叶片拟定了两个检测基准，分别是六点基准和榫齿基准；
步骤二：建立坐标系
依据涡轮叶片的基准特性，需建立两个坐标系：六点基准坐标系和榫齿基准坐标系；
a、六点基准坐标系：该坐标系用于榫齿部位的尺寸检测，由于叶片的铸件定位点可以转化到检测夹具的定位块上，这六个定位块正好限制了叶片在空间的自由度，六点坐标系便可直接采取夹具上的定位块，偏移设计模型的理论距离，并用三二一发进行建立；
b、榫齿基准坐标系：该该坐标系用于榫齿加工后的机加尺寸检测；突破传统的夹量棒方式找基准，而是结合设计图要求及榫齿机加工艺特性、以榫齿自身元素建立坐标系；选择加工一致性好、测量面积大的榫齿盆背侧面构造中分面，作为榫齿对称平面；然后利用榫齿中分面向两侧偏移理论距离，同榫齿工作面相交得到了两条与齿形方向平行的直线(以下简称榫齿母线)，再以母线上的点位元素进行最佳拟合，即可构造榫齿F平面；最后用F平面确定第一轴向、对称平面确定第二个轴向、三面交点确定原点，偏移理论值至适当位置，榫齿坐标系就构建完成了；
步骤三：关键尺寸的检测
多齿带冠类涡轮转子叶片的纵树形榫齿是与轮盘连接的重要部位，盆、背向锯齿冠是各个叶片间互相啮合的重要部位，它们不仅形状不规则、尺寸复杂，还会对叶片在发动机上的工作性能产生至关影响；
a、榫齿尺寸检测
将叶片装夹在测量夹具上，分别调用“六点基准”坐标系和“榫齿基准”坐标系；由于测量部位都已在建系的时候采集完毕，只需要在六点基准基础上对榫齿角度偏差、位置偏差、错齿、平行度、垂直度这些特征尺寸进行评价即可；
b、盆向锯齿冠尺寸检测
将叶片装夹在测量夹具上，调用“榫齿基准”坐标系；为了消除测量中平面质心在其他方向的偏差，依次将坐标系旋转设计图理论角度，至与加工平面平行的方向，在对应的机加面上采均布点测量，评价其坐标值，即为加工尺寸的法向偏差，再对其甲乙轮廓度的倾斜度限制，符合设计及工艺要求方可合格；
c、背向锯齿冠尺寸检测
将叶片放装夹在测量夹具上，调用“榫齿基准”坐标系；由于背向锯齿冠是对于盆向锯齿冠的相对尺寸，所以要分别在盆向锯齿冠、背向锯齿冠机加面采点测量；而且所有尺寸都是通过剖切方式表达，还需将坐标系旋转到剖切面方向；依次构构造剖切平面，分别与盆、背向锯齿冠机加面求交，生成多条交线；以叶冠回转轴为轴心构造半径为R的圆柱，分别用以上交线刺穿圆柱，在盆、背各面得到交点；评价各对应面两交点间的距离，即为背向锯齿冠各面尺寸；最后再对其加以轮廓度和倾斜度限制，符合设计及工艺要求方可合格。
本发明的有益效果：本发明的检测方法，不仅消除了传统测量工装存在系统累计误差，获得满足设计需求的准确检测结果；还对涡轮叶片这种形状特殊、尺寸复杂的零件，提供了正确合理的接触时自动检测方案；目前已有两个型号的低压涡轮转叶片使用该方法进行全尺寸检测验收，多个型号的低压及高压涡轮叶片采用该检测方法进行首件尺寸复测，已节省测具等专用工装约40套，实现各工序中仅需操作者装夹叶片便可自动检测，节省工装工时费用约100万元。
附图说明
图1为榫齿的三个基准示意图；
图2为六点基准坐标系的粗建元素采集示意图；
图3为六点基准坐标系的精建元素采集示意图；
图4为榫齿基准坐标系的元素构造意图；
图5为榫齿坐标系示意图；
图6为测盆向锯齿冠各机加面时旋转角度的坐标系示意图；
图7为背向锯齿冠尺寸剖切示意图。
图中，1-榫齿F平面、2-榫齿对称平面、3-榫齿排气边侧面、4-粗基准面、5-定位块a、6-定位块b、7-定位块c、8-定位块d、9-定位块e、10-定位球、11-榫齿母线、12-榫齿盆背向侧面。
具体实施方式
实施例1
以某型号低压涡轮转子叶片为例，其三坐标检测方法如下：
步骤一：选取检测在基准
a、六点基准：六点基准是铸件加工检测的六处定位基准简称，它的作用是传递铸件叶身型面位置、关联机加尺寸信息，其理论坐标值可以从设计图或者铸件图中直接获得，我们将其作为榫齿部位的检测基准，这样既保证了叶身铸造型面与榫齿机加尺寸的一致性，又完成了符合铸造、机加条件及设计要求的基准转换；
b、榫齿基准：榫齿基准用于榫齿加工后的机架尺寸检测，我们结合设计模型、机加工艺和装配特点，确定了以榫齿F平面1、榫齿对称平面2、榫齿排气边侧面3(装配面)组成的联合基准；这三个基准面理论上是互相垂直的关系，它们的交点即为原点，然而实际加工出来的叶片实物不可能做到完全相互垂直，这样在第一个基准确定之后，进行第二个基准的选取时，系统会在上一个基准方向上，进行自动修正，所以这三个基准的选取顺序也尤为重要；我们确定了榫齿三个基准的主次顺序：第一基准—榫齿F平面1，第二基准—榫齿对称平面2，第三个基准—榫齿排气边侧面3(榫齿装配面)；
步骤二：建立坐标系
a、六点基准坐标系：粗建—以测量夹具侧面确定坐标系X方向、滑表平台确定坐标系Y方向、定位球确定坐标系原点(如图2所示)，建立坐标系(坐标系原点在球心处)；精建—⑴在测量夹具上采集定位块a5、定位块b6、定位块c7，用定位块a5点Y向偏置测具理论值后点和定位块b6、定位块c7构造一个平面，确定Y方向(方向与粗基准面4保持一致)；⑵在测量几句上采集定位块d8、定位块e9(定位块e9所在定位面上采集两点)，用定位块d8点X向偏置测具理论值后点和定位块e9两个点构造一个平面，确定X方向(方向与粗基准面4保持一致)；⑶以测量夹具定位球10确定坐标系原点(坐标系原点在球心处)；⑷将坐标系沿X、Y、Z轴方向平移理论距离，平移后的坐标系Z轴与理论的叶身中心轴线重合，Z向原点在F平面上(如图3所示)；
b、榫齿基准坐标系：以盆向侧面和背面侧面的中分面(榫齿中分面)确定Y方向及Y向原点，以盆向侧面和背面侧面的相交直线方向确定X方向，以榫齿排气边侧面3确定X向原点(向X-向偏置理论值)，将榫齿盆背向侧面12的中分面分别向Y+、Y-方向偏置理论值，得到两个平面，以这两个平面分别与图中工作面所交的两条直线(榫齿盆背两条榫齿母线11)的中分线作为Z向原点，所得坐标系Z向原点的F平面上(如图4所示)；
步骤三：关键尺寸的检测
a、榫齿尺寸检测：
将叶片装夹在测量夹具上，分别调用“六点基准”坐标系和“榫齿基准”坐标系；由于测量部位都已在建系的时候采集完毕，只需要在此基础上进行如下评价即可；
⑴榫齿角度偏差：在“六点基准”坐标系下，评价两坐标系榫齿长度方向坐标轴的投影角度；
⑵榫齿位置偏差：在“六点基准”坐标系下，评价两坐标系原点在叶片长度轴向的偏差值；
⑶错齿：在“六点基准”坐标系下，构件榫齿盆背两条母线与坐标平面的两个交点，评价两交点在叶片长度轴向的距离；
⑷榫头对称平面的偏移量：在“六点基准”坐标系下，评价坐标平面与榫齿中分面的投影距离；
⑸平行度：在“六点基准”坐标系下，直接评价榫齿盆背两条母线与叶片长度轴向的垂直度(需截取榫齿长度)；
⑹垂直度：在“六点基准”坐标系下，直接评价榫齿盆背两条母线与叶片长度轴向的垂直度(需截取榫齿长度)；
b、盆向锯齿冠尺寸检测
将叶片装夹在测量夹具上，调用“榫齿基准”坐标系(如图5所示)，绕Z轴正向逆时针旋转理论角度，至与加工平面的方向(如图6所示)；在该尺寸面采N个点，评价该面上测量点的Y值(或评价该面的位置度)，再评价该面的倾斜度；其他的机加面测量以此类推；
c、背向锯齿冠尺寸检测
将叶片放装夹在测量夹具上，调用“榫齿基准”坐标系；分别在盆向锯齿冠、背向锯齿冠机加面采点测量；将“榫齿基准”坐标系绕Z轴正向逆时针先转理论角度(旋转到剖切面方向，如图7所示)；依次构造各剖切面(X-N、XO、X+N)，分别与盆、背向锯齿冠机加面求交，生成多条交线；以叶冠回转轴X轴为轴心构造半径为R的圆柱，分别用以上交线刺穿圆柱，在盆、背各面得到六个交点(点D1P、点D1B、点D2P、点D2B、点D3P、点D3B)；评价各对应面两交点间的距离，即为背向锯齿冠各面尺寸(例如第一个弦长尺寸即为评价点D1P与点D1B的距离，其他几个面的弦长尺寸以此类推)；最后再对其加以轮廓度和倾斜度限制，符合设计及工艺要求方可合格。

Claims (3)

1.一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法，其特征在于，
方便该类典型件数字化检测的工程应用，可以利用该种方法进行加工过程中的工序内检查，也可以用于进行成品检查；
包括如下步骤：
步骤一：选取检测基准
在测量程序编制之前，我们首先要进行检测基准的选取，其准确与否对测量结果起决定性作用，为达到设计基准、加工基准、检测基准、装配基准的统一目的，对该多齿带冠类涡轮叶片拟定了两个检测基准，分别是六点基准和榫齿基准；
步骤二：建立坐标系
依据涡轮叶片的基准特性，需建立两个坐标系：六点基准坐标系和榫齿基准坐标系；
a、六点基准坐标系：该坐标系用于榫齿部位的尺寸检测，由于叶片的铸件定位点可以转化到检测夹具的定位块上，这六个定位块正好限制了叶片在空间的自由度，六点坐标系便可直接采取夹具上的定位块，偏移设计模型的理论距离，并用三二一发进行建立；
b、榫齿基准坐标系：该坐标系用于榫齿加工后的机加尺寸检测；突破传统的夹量棒方式找基准，而是结合设计图要求及榫齿机加工艺特性、以榫齿自身元素建立坐标系；选择加工一致性好、测量面积大的榫齿盆背侧面构造中分面，作为榫齿对称平面；然后利用榫齿中分面向两侧偏移理论距离，同榫齿工作面相交得到了两条与齿形方向平行的直线(以下简称榫齿母线)，再以母线上的点为元素进行最佳拟合，即可构造榫齿F平面；最后用F平面确定第一轴向、对称平面确定第二个轴向、三面交点确定原点，偏移理论值至适当位置，榫齿坐标系就构建完成了；
步骤三：关键尺寸的检测
多齿带冠类涡轮转子叶片的纵树形榫齿是与轮盘连接的重要部位，盆、背向锯齿冠是各个叶片间互相啮合的重要部位，它们不仅形状不规则、尺寸复杂，还会对叶片在发动机上的工作性能产生至关影响；
a、榫齿尺寸检测
将叶片装夹在测量夹具上，分别调用“六点基准”坐标系和“榫齿基准”坐标系；由于测量部位都已在建系的时候采集完毕，只需要在六点基准基础上对榫齿角度偏差、位置偏差、错齿、平行度、垂直度这些特征尺寸进行评价即可；
b、盆向锯齿冠尺寸检测
将叶片装夹在测量夹具上，调用“榫齿基准”坐标系；为了消除测量中平面质心在其他方向的偏差，依次将坐标系旋转设计图理论角度，至与加工平面平行的方向，在对应的机加面上采均布点测量，评价其坐标值，即为加工尺寸的法向偏差，再对其加以轮廓度和倾斜度限制，符合设计及工艺要求方可合格；
c、背向锯齿冠尺寸检测
将叶片装夹在检测夹具上，调用“榫齿基准”坐标系；由于背向锯齿冠是对于盆向锯齿冠的相对尺寸，所以要分别在盆向锯齿冠、背向锯齿冠机加面采点测量；而且所有尺寸都是通过剖切方式表达，还需将坐标系旋转到剖切面方向；依次构造剖切平面，分别与盆、背向锯齿冠机加面求交，生成多条交线；以叶冠回转轴为轴心构造半径为R的圆柱，分别用以上交线刺穿圆柱，在盆、背各面得到交点；评价各对应面两交点间的距离，即为背向锯齿冠各面尺寸；最后再对其加以轮廓度和倾斜度限制，符合设计及工艺要求方可合格。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法，其特征在于，
以每件被测叶片的自身元素建系评价，完全消除检测系统中检测工装的误差影响；工装在其中仅参与定位装夹，最大限度上保证了检测结果的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机中多齿带冠类涡轮叶片的检查方法，其特征在于，
包含了对于这种复杂的典型零件如何精准的运用“三二一”法建系以及如何进行特殊尺寸评价的详细介绍。
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