CN113814673A - 一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法，采用几何自适应加工的技术手段，通过在机测量、叶片重构、混合编程等方式适应性加工叶身型面，解决航空发动机大型风扇钛合金整体叶盘线性摩擦焊后叶片状态不一致导致的叶片轮廓度差、接刀痕控制不合格、前后缘过欠切等问题；本发明方法的实现，不仅解决焊接类整体叶盘的接刀痕迹及轮廓度控制等问题，同时可以应用于机匣、叶片等多类航空发动机零件的数控加工及修复，显著提高航空发动机整体叶盘的生产加工及修复能力，具有较强的通用型和实用性。

Description

一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法

技术领域

本发明涉及航空航天数控加工技术领域，特别涉及一种大型风扇 钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法。

背景技术

随着航空发动机推重比的日益提高，在风扇与压气机中整体叶盘 结构得到越来越多的应用。整体叶盘在结构上是以转轮毂面为主体， 周向分部复杂型面的叶片，零件最薄处不足2mm，且开敞性较差，属 多岛屿复杂薄壁结构件。传统的整体叶盘零件采取锻件直接加工的方 式，材料去除率超过80％，加工效率低下，且单个叶片加工不合格将 导致整个叶盘零件的报废，生产成本高。为解决整体叶盘加工效率低 下、叶片修复困难、叶盘报废导致的成本增加等问题，近年来，国内 多家科研院所开展了整体叶盘零件线性摩擦焊技术研究，通过焊接的 方式连接叶片与盘体，为整体叶盘的加工及修复提供了新的方向。

线性摩擦焊焊接时需要夹持叶片根部，因此整体叶盘的每片叶片 都需要预留凸台特征，焊接后整体叶盘叶片的凸台特征需要通过数控 加工的方式完成材料去除。由于焊接需要的叶片零件均以数控铣的方 式加工出产品，叶片之间存在尺寸差异性，且整体叶盘的叶片与盘体 在线性摩擦焊过程中存在精度偏差，导致每片叶片焊接后的状态差异 极大，焊接后叶片的扭转最大0.04度，轮廓度偏差最大达到0.28mm。 传统的机加过程只能依据叶盘的理论模型编程及加工，凸台特征接刀 痕迹最大可达0.3mm，无法满足0.03mm接刀痕控制要求。由于叶片实 际位置与理论位置偏差较大，依据理论位置加工极易出现前后缘过切 导致叶片加工不合格的问题，进而影响到整个叶盘的交付。

国内学者在零件几何自适应加工技术上开展多项技术研究，在飞 机结构件、汽车零部件上已经初步应用，但是航空发动机大型风扇整 体叶盘焊接件曲面复杂、开敞性差、材料难加工，针对焊接类的整体 叶盘自适应加工是行业空白。到目前为止，尚没有公开的用于焊接类 大型风扇钛合金整体叶盘几何自适应加工方法。

发明内容

针对航空发动机大型风扇钛合金整体叶盘线性摩擦焊后叶片状 态不一致导致的叶片轮廓度差、接刀痕控制不合格、前后缘过欠切等 问题，开展线性摩擦焊整体叶盘几何自适应加工技术研究，通过在机 测量、叶片重构、混合编程等方式适应性加工叶身型面，在国内首次 应用自适应技术完成该类叶盘的数控加工，进而提高航空发动机整体 叶盘的生产加工及修复能力。

为解决上述技术问题，提出了一种大型风扇钛合金整体叶盘焊 接件几何自适应加工方法，具体技术方案如下：

一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法，包含 以下步骤:

步骤1，在三坐标测量机上对零件进行几何检测，获得零件尺寸 信息；

步骤2，对机床性能进行检测，确保设备性能稳定可靠；

步骤3，机床回零；如机床光栅设备损坏，则通过人工测量或者 利用机床在线测量功能，计算机床原点误差，人工将误差补偿到机床 中；

步骤4,将零件安装到数控设备上，应用在线测量工具，完成叶片 角向测量；在叶片的前缘、后缘各取8点，通过测量前后缘点位，计 算叶片的位置及扭转角度；

步骤5，手动规划叶片截面线路径，在数控设备上完成叶片截面 线测量；

步骤6，基于测量数据完成叶片曲面自适应重构；

步骤7，加工类型判断；针对叶片粗加工状态，执行步骤8，完成 叶片自适应加工；针对己加工叶片，但存在超差的接刀痕，通过测量 接刀痕上方的叶片截面线，调整叶片模型，并且计算接刀痕修复程序， 完成加工；针对己加工叶片，但存在表面超差振纹，测量振纹附近的 叶片截面线，调整叶片模型，计算振纹修复的局部加工程序，完成加 工；

步骤8，完成待加工区域截面线测量，所述的截面线测量指依据 拟合后的叶片模型生成待加工区域的截面线测量程序，完成测量；

步骤9，完成叶片残留区域变余量规划，所述的变余量规划指对 在机测量的叶片截面线提取截面线特征点，完成相应理论截面线的变 余量曲线重构；

步骤10，完成线性摩擦焊整体叶盘叶片的混合铣编程。所述的混 合铣编程指将叶片在纵向上分层，每一层都按照粗加工、半精加工、 精加工，再通过逐层去除的方式完成叶片数控程序编制，所有过程仅 用1条程序完成，以此增强加工部位的刚性，提升零件加工过程稳定 性；

步骤11，完成线性摩擦焊整体叶盘数控加工参数优化；通过物理 仿真软件PM的仿真及优化功能，完成数控程序仿真及加工参数优化；

步骤12，完成线性摩擦焊整体叶盘自适应加工及检验。

本发明的有益效果：

本发明成功将相关技术应用于公司某大型风扇钛合金整体叶盘 的数控加工中，首次应用自适应技术实现焊接类整体叶盘叶身型面精 度控制，填补了线性摩擦焊整体叶盘自适应加工技术空白。本方法经 实际加工验证。按照本发明对焊接后的大型风扇钛合金整体叶盘进行 自适应加工，叶身型面轮廓度控制在0.3mm以内、接刀痕控制在 0.03mm以内，显著降低零件报废率，提高零件合格率，并减少机床 占用时间，所创造价值远大于刀具节约的成本价值。

该方法的实现，不仅解决焊接类整体叶盘的接刀痕迹及轮廓度控 制等问题，同时可以应用于机匣、叶片等多类航空发动机零件的数控 加工及修复，显著提高航空发动机整体叶盘的生产加工及修复能力， 具有较强的通用型和实用性，在为企业提升核心创新能力和研发效率 的同时创造巨大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适 应加工方法流程图；

图2为本发明的叶盘20个叶片的叶盆14个点、叶背12个点、 流道6个点，在理论模型基础上偏置2mm形成的各部位余量分布示 意图；

图3为本发明的机床主轴运动过程的振动信号统计示意图；

图4为本发明的定角向在机测量精度收敛后数据分析示意图；

图5为本发明的接刀痕迹修复变参数数据处理示意图；

图6为本发明的叶盘载体参数优化后的切削力仿真示意图。

具体实施方式

本发明采用几何自适应加工的技术手段，通过在机测量、叶片重 构、混合编程等方式适应性加工叶身型面，解决航空发动机大型风扇 钛合金整体叶盘线性摩擦焊后叶片状态不一致导致的叶片轮廓度差、 接刀痕控制不合格、前后缘过欠切等问题，在国内首次应用自适应技 术完成该类叶盘的数控加工。本专利以航空发动机某大型风扇钛合金 整体叶盘焊接件为例，结合附图1-6和实施过程对本发明作进一步说 明。

1)零件分析；

风扇整体叶盘叶片薄，呈宽弦、大扭角、长悬臂状，气流流道呈 非线性且狭窄；本专利的某级风扇整体叶盘为焊接类零件，通过夹持 叶片凸台在高速高压的线性摩擦下完成与盘体的焊接；该叶盘叶片长 约290mm，两叶片间最小间隙约为36mm，进排气边缘处线轮廓度为 -0.07mm～+0.08mm，叶盆与叶背处线轮廓度为-0.17mm～+0.08mm， 从叶根到叶尖各截面位置度为0.3mm，精度要求高；由于整体叶盘焊 接的每个叶片姿态都不一致，且叶身型面在焊接之前已经没有余量， 因此焊接时夹持的凸台部位需要采用自适应技术完成数控加工；叶片 在X向、Y向的最大偏移数值统计如表1所示，采用测量机在20个叶 片的叶盆部位测量14个点、叶背部位测量12个点、流道部位测量6个 点，在理论模型基础上偏置2mm形成如图所示的各部位的余量分布 图，如图2所示；

表1

MAX	1#	4#	5#	6#	7#	8#	9#	10#	11#	12#
											X	-0.13	-0.09	-0.07	-0.06	-0.07	-0.09	-0.09	-0.2	-0.13	-0.13
Y	0.23	0.25	0.25	0.3	0.32	+0.08	+0.08	+0.12	+0.2	+0.2
											MAX	13#	14#	15#	16#	17#	18#	19#	20#	21#	22#
X	-0.18	-0.14	-0.14	-0.13	-0.12	-0.13	-0.12	-0.09	-0.16	-0.1
											Y	-0.07	-0.06	+0.1	-0.09	-0.09	-0.15	-0.18	-0.20	-0.15	-0.17

2)机床精度标定及性能检验；

本专利首先使用ReniShaw机床精度检测装置对机床的精度进行 测量，再应用Montronix工具对机床的动态性能进行检验；

应用ReniShaw的XL系列激光干涉仪对机床X、Y、Z轴精度 检测，应用ReniShaw的RX10对机床的回转轴精度校准，校准数据 如表2所示；

表2

使用Montronix工具对机床动态性能进行检测，检测结果如下表 3所示；

表3

从检测结果来看，机床整体动态性能较好，能够满足加工要求；

3)机床回零；

本发明案例中应用的数控设备为卧式加工中心，该机床由于光栅 损坏，机床原点已经偏移，经标准球测量标定，五轴测量精度为 0.08mm，无法满足加工技术条件；为此，本发明应用一种基于在机测 量的机床原点误差补偿方法，通过在机测量标准块、标准芯棒，计算 机床原点误差并完成补偿，补偿前后的机床原点误差数据如表4所示；

表4

	e<sub>x</sub>(mm)	e<sub>y</sub>(mm)	e<sub>z</sub>(mm)	l<sub>A_B</sub>(mm)	Dis<sub>A_Stage</sub>(mm)
						补偿前	0.03485	-0.15035	0.01095	0.0128	-50.1148
补偿后	0.0105	0.01645	0.01955	0.0145	-50.1434

其中，e_x为机床X向误差，e_y为机床Y向误差，e_z为机床Z向 误差，l_{A_B}为机床A轴到机床B轴的距离，Dis_{A_Stage}为机床工作台到 机床A轴的距离；

4)完成机床在指定叶片加工环境下的定角度误差分析及补偿；

通过应用一种基于固定摆角的标准球精度标定及误差补偿方法， 控制机床在固定角度下的加工精度到0.03mm，如图4所示；

5)完成叶片截面线路径规划；通过应用一种基于最小摆角的整 体叶盘截面线测量轨迹自动计算方法计算测量程序，完成叶片截面线 路径规划及叶片截面线测量；

6)基于测量数据完成叶片曲面自适应重构；

7)完成待加工区域截面线测量，所述的截面线测量指依据拟合 后的叶片模型生成待加工区域的截面线测量程序，完成测量；

8)完成叶片残留区域变余量规划，应用一种基于在机测量的叶 片截面线自适应重构方法自动提取截面线特征点，并完成相应理论截 面线的变余量曲线重构，如图5所示；

9)完成线性摩擦焊整体叶盘叶片的混合铣编程。每一层都按照 粗加工、半精加工、精加工，再通过逐层去除的方式完成叶片数控程 序编制，所有过程仅用1条程序完成，以此增强加工部位的刚性，提 升零件加工过程稳定性；

10)完成线性摩擦焊整体叶盘数控加工参数优化及切削力仿真分 析，如图6所示；

表1

数控程序在优化后，加工效率显著提升、切削力明显降低，在缩 短加工周期的同时，提高加工质量；

11)完成线性摩擦焊整体叶盘自适应加工。

Claims (1)

1.一种大型风扇钛合金整体叶盘焊接件几何自适应加工方法，其特征在于：包含以下步骤:

步骤1，在三坐标测量机上对零件进行几何检测，获得零件尺寸信息；

步骤2，对机床性能进行检测，确保设备性能稳定可靠；

步骤3，机床回零；如机床光栅设备损坏，则通过人工测量或者利用机床在线测量功能，计算机床原点误差，人工将误差补偿到机床中；

步骤4,将零件安装到数控设备上，应用在线测量工具，完成叶片角向测量；在叶片的前缘、后缘各取8点，通过测量前后缘点位，计算叶片的位置及扭转角度；

步骤5，手动规划叶片截面线路径，在数控设备上完成叶片截面线测量；

步骤6，基于测量数据完成叶片曲面自适应重构；

步骤7，加工类型判断；针对叶片粗加工状态，执行步骤8，完成叶片自适应加工；针对己加工叶片，但存在超差的接刀痕，通过测量接刀痕上方的叶片截面线，调整叶片模型，并且计算接刀痕修复程序，完成加工；针对己加工叶片，但存在表面超差振纹，测量振纹附近的叶片截面线，调整叶片模型，计算振纹修复的局部加工程序，完成加工；

步骤8，完成待加工区域截面线测量，所述的截面线测量指依据拟合后的叶片模型生成待加工区域的截面线测量程序，完成测量；

步骤9，完成叶片残留区域变余量规划，所述的变余量规划指对在机测量的叶片截面线提取截面线特征点，完成相应理论截面线的变余量曲线重构；

步骤10，完成线性摩擦焊整体叶盘叶片的混合铣编程。所述的混合铣编程指将叶片在纵向上分层，每一层都按照粗加工、半精加工、精加工，再通过逐层去除的方式完成叶片数控程序编制，所有过程仅用1条程序完成，以此增强加工部位的刚性，提升零件加工过程稳定性；

步骤11，完成线性摩擦焊整体叶盘数控加工参数优化；通过物理仿真软件PM的仿真及优化功能，完成数控程序仿真及加工参数优化；

步骤12，完成线性摩擦焊整体叶盘自适应加工及检验。

Images