CN114043182A - 一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法 - Google Patents

一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，涉及航空压气机整体铸造叶轮加工技术领域，先采用无余量精铸，按样板找正叶型的常规方法进行粗加工，在叶轮毛坯上加工出定位用锚点及刻线。扫描叶轮的三维点云数据导入三维软件，与理论叶轮三维实体模型建立的坐标系为参照进行比对，找出锚点、刻线的偏移量和叶型偏差分布，通过锚点及刻线识别叶片，按比对结果对需要校型的叶片进行校型、抛修，减小叶型偏差，将叶轮毛坯安装到加工中心，加工轮毂的轴或孔，再进行精基准加工。该方法能使压气机整体铸造叶轮的叶型更接近理论叶型，同时降低由于叶片形状差异及叶片分布不均产生的动不平衡量，从而提高发动机的整机性能。

Description

一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法
技术领域
本发明涉及航空压气机整体铸造叶轮加工技术领域，具体涉及一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法。
背景技术
微小型航空发动机作为无人机动力、地面动力(如分布式燃气轮机电站)、辅助动力(如起动机)，已广泛应用到军事、民用的诸多领域。
压气机整体铸造叶轮是微小型航空发动机的关键零件，其叶片型面制造精度对发动机性能影响较大。即便是精密铸造出来的整体叶轮，其叶片型面的轮廓度与理论型面的误差通常不小于0.1mm，若通过提高铸造模具来提高叶型精度，往往成本较高。
现有解决方法一般是采用样板找正、逐一比对并校型，由于样板数量受限，比对校型也无法实现量化，因此单个叶型无法精确校型，还存在累计误差问题。
因此，十分有必要研究一种低成本、高效率、高精度的叶型加工方法。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，包括：
步骤S1：采用无余量精铸叶轮铸件的叶型；
步骤S2：粗加工叶轮的轴颈、内孔、轮毂端面，再对叶轮的轴长、轮毂内孔、轮毂端面进行粗加工，并在叶轮上留出加工余量；
步骤S3：在所述加工余量的部位加工出定位用锚点及刻线；
步骤S4：使用三维扫描仪扫描步骤S3所得叶轮，获取叶轮的三维点云数据；
步骤S5：将所述三维点云数据导入三维软件，与理论叶轮三维实体模型进行比对，以叶型及轮毂型面为对象找出叶型偏差分布；
步骤S6：以所述理论叶轮三维实体模型建立坐标系，获取锚点及刻线的偏移量；
步骤S7：通过锚点及刻线识别叶片，按比对结果对叶片进行校型或抛修；
步骤S8：将叶轮毛坯安装到加工中心，通过锚点及刻线的偏移量完成定位并固紧，加工轮毂的轴或孔，并以此作为精基准；
步骤S9：以精基准装加工叶轮毛坯。
作为一种优选的技术方案，在步骤S7所得叶片所述重复步骤S5至步骤S7，直至叶型达到所需精度。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中，定位用锚点和刻线选择在轴的端面和/或轮毂的端面和/或叶轮外圆。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S4中获取的点云数据包括描点和刻线。
作为一种优选的技术方案，在所述步骤5中，将三维点云数据导入到具有模型比对功能的三维软件，依靠三维软件内置算法获取的叶型偏差，采用叶型局部最佳拟合。
作为一种优选的技术方案，在所述步骤5中，所获取的比对数据包括有正值和负值，所述正值表征三维点云数据的凸出，所述负值表征三维点云数据的凹进。
作为一种优选的技术方案，在所述步骤5中，根据所述比对数据进行叶片的校型，所述正值和所述负值的数值大小表征校型量，所述正值和所述负值的正负表征校型方向。
作为一种优选的技术方案，在步骤S6中，所述锚点及刻线的偏移量通过三维软件的测量功能获得。
作为一种优选的技术方案，在步骤S8中，通过工装进行叶片的辅助定位。
作为一种优选的技术方案，所述工装为叶轮轴承安装用轴颈。
本发明的有益效果如下：
1.本发明一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，通过本发明的加工方法，，能使压气机整体铸造叶轮的叶型更接近理论叶型，同时降低由于叶片形状差异及叶片分布不均产生的动不平衡量，从而提高发动机的整机性能。
2.本发明一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，本发明的方法操作流程清晰，效果明显，适合对叶型精度要求较高的叶轮类零件的制造。
3.本发明一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，通过本发明的加工方法，能降低由于叶片形状差异产生的动不平衡量，减小振动，从而提高发动机的整机性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：
图1是本发明一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法的流程步骤示意图。
图2是本发明的步骤S5中；将三维点云数据导入到具有模型比对功能的三维软件，与叶轮理论三维模型(设计模型)进行比对的示意图，可按校型需求保留部分数据。
图3是本发明叶轮加工时的侧视图。
图4是本发明叶轮加工时的正视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
下面结合图1至图4，对本发明作详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，包括：
步骤S1：采用无余量精铸叶轮铸件的叶型，保证叶型满足叶片毛坯要求；
步骤S2：按样板找正叶轮的常规方法，粗加工叶轮的轴颈、内孔、轮毂端面作为粗基准，再对叶轮的轴长、轮毂内孔、轮毂端面进行粗加工，并在叶轮上保留出相应的加工余量；
步骤S3：在所述加工余量的部位加工出定位用锚点及刻线；
步骤S4：使用高精度的三维扫描仪扫描步骤S3所得叶轮，获取叶轮的三维点云数据，获取的三维点云数据应包含清晰的锚点和刻线；
步骤S5：将所述三维点云数据导入三维软件，与理论叶轮三维实体模型进行比对，以叶型及轮毂型面为对象找出叶型偏差分布；
步骤S6：以所述理论叶轮三维实体模型建立坐标系，获取锚点及刻线的偏移量；
步骤S7：通过锚点及刻线识别叶片，按比对结果对叶片进行校型或抛修，以减小叶型偏差，步骤S7能将叶型尽可能校准至理论叶型，且单个叶片的校型量比较均匀，可有效避免常规校型时采用样板比对方式容易出现的累计误差；
步骤S8：将叶轮毛坯安装到加工中心，通过锚点及刻线的偏移量完成定位并固紧，加工轮毂的轴(或孔)，并以此作为精基准；
步骤S9：并以精基准装叶轮毛坯，加工其余尺寸，从而达到压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的目的。
可选地，在步骤S7所得叶片所述重复步骤S5至步骤S7，直至叶型达到所需精度。
可选地，所述步骤S3中，定位用锚点和刻线选择在轴的端面和/或轮毂的端面和/或叶轮外圆。
可选地，所述步骤S4中获取的点云数据包括描点和刻线。
可选地，在所述步骤5中，将三维点云数据导入到具有模型比对功能的三维软件，依靠三维软件内置算法获取的叶型偏差，采用叶型局部最佳拟合，排除轮毂等其它结构的干扰。
可选地，在所述步骤5中，所获取的比对数据包括有正值和负值，所述正值表征三维点云数据的凸出，所述负值表征三维点云数据的凹进，每个叶片上所选点数的数量应能满足校型所需。
可选地，在所述步骤5中，根据所述比对数据进行叶片的校型，所述正值和所述负值的数值大小表征校型量，所述正值和所述负值的正负表征校型方向。
可选地，在所述步骤S6中，所述锚点及刻线的偏移量通过三维软件的测量功能获得。
可选地，在所述步骤S8中，通过刻线偏移量制作偏心顶针孔，结合锚点进行正常装夹，实现以叶片为参照的辅助定位。
可选地，在所述步骤S8中，也可通过偏心工装装夹，利用刻线偏移量找正的方式实现。
需要说明的是，上述中偏心工装是本领域十分常见的装置，这里的目的就是调整刻线的位置，实现偏斜装夹。
通过本发明的加工方法，能使压气机整体铸造叶轮的叶型更接近理论叶型，同时降低由于叶片形状差异及叶片分布不均产生的动不平衡量，从而提高发动机的整机性能。并且本发明的方法操作流程清晰，效果明显，适合对叶型精度要求较高的叶轮类零件的制造。
此外，通过本发明的加工方法，能降低由于叶片形状差异产生的动不平衡量，减小振动，从而提高发动机的整机性能。
实施例2
如图2至图3所示，一种具体实施例，
一微型发动机的压气机为整体叶轮，设计要求轮廓度误差小于0.05mm，采用精密熔模铸造。
按照实施例1中的加工方法对叶轮进行加工，
先对叶轮长度、轮毂内孔、轮毂端面等尺寸进行初加工，保留相应余量。
在初加工的轮毂进气侧端面加工一个深约1mm、直径约2mm的孔(完成叶型校型和抛修后，该孔最后加工去除)，该孔作为定位锚点；坐标系原点O为轮毂进气侧端面与叶轮轴线的交点，X轴为叶轮轴线，从进气端到排气端为正向；Y轴为坐标系原点O与孔中心点的连线，由原点指向A孔中心为正向，以Y轴与端面的交点作为起点，平行于X轴，在轮毂前端刻一条长约5mm、宽为0.2mm、深为0.2mm的直线，该直线作为标记线；Z轴按右手定则确定。
使用高精度三维扫描仪(设备综合精度小于0.02mm/m)扫描叶轮，获取叶轮的三维点云数据。将点云数据导入到具有模型比对功能的三维软件，与叶轮理论三维模型(设计模型)进行比对。
分析比对结果，将误差较大位置在叶轮实物上做好标记，采用人工或机械对叶片先进行校型，以减小叶片型面误差，重新进行实物扫描及比对，采用抛修等手段修正较为明显的叶型偏差，减小轮廓度误差，尽可能确保叶型与理论型面一致，如有必要可再次进行，直至叶轮轮廓度误差小于0.05mm。
将叶轮毛坯安装到数控加工中心，通过锚点及刻线(如有必要可增加工装)完成定位并固紧，加工叶轮的轴或孔，并以此为精基准重新装夹定位后加工其余尺寸，从而达到压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用无余量精铸叶轮铸件的叶型；
步骤S2：粗加工叶轮的轴颈、内孔、轮毂端面，再对叶轮的轴长、轮毂内孔、轮毂端面进行粗加工，并在叶轮上留出加工余量；
步骤S3：在所述加工余量的部位加工出定位用锚点及刻线；
步骤S4：使用三维扫描仪扫描步骤S3所得叶轮，获取叶轮的三维点云数据；
步骤S5：将所述三维点云数据导入三维软件，与理论叶轮三维实体模型进行比对，以叶型及轮毂型面为对象找出叶型偏差分布；
步骤S6：以所述理论叶轮三维实体模型建立坐标系，获取锚点及刻线的偏移量；
步骤S7：通过锚点及刻线识别叶片，按比对结果对叶片进行校型或抛修；
步骤S8：将叶轮毛坯安装到加工中心，通过锚点及刻线的偏移量完成定位并固紧，加工轮毂的轴或孔，并以此作为精基准；
步骤S9：以精基准装加工叶轮毛坯。
2.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在步骤S7所得叶片所述重复步骤S5至步骤S7，直至叶型达到所需精度。
3.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，所述步骤S3中，定位用锚点和刻线选择在轴的端面和/或轮毂的端面和/或叶轮外圆。
4.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，所述步骤S4中获取的点云数据包括描点和刻线。
5.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在所述步骤5中，将三维点云数据导入到具有模型比对功能的三维软件，依靠三维软件内置算法获取的叶型偏差，采用叶型局部最佳拟合。
6.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在所述步骤5中，所获取的比对数据包括有正值和负值，所述正值表征三维点云数据的凸出，所述负值表征三维点云数据的凹进。
7.根据权利要求6所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在所述步骤5中，根据所述比对数据进行叶片的校型，所述正值和所述负值的数值大小表征校型量，所述正值和所述负值的正负表征校型方向。
8.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述锚点及刻线的偏移量通过三维软件的测量功能获得。
9.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，在步骤S8中，通过工装进行叶片的辅助定位。
10.根据权利要求1所述的一种提高压气机整体铸造叶轮叶型校型及加工精度的方法，其特征在于，所述工装为叶轮轴承安装用轴颈。
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