CN114799383A - 单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和装置、单晶涡轮叶片 - Google Patents

单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和装置、单晶涡轮叶片 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法、装置以及通过该单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法获得的单晶涡轮叶片。单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法包括：将单晶涡轮叶片铸件固定于定位工装上；根据在单晶涡轮叶片几何模型的设计坐标系中的单晶涡轮叶片铸件各定位点的坐标与在工装坐标系中的固定于定位工装上的单晶涡轮叶片铸件各定位点的坐标，获取设计坐标系和工装坐标系的变换关系；根据变换关系、单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，获取用于修整单晶涡轮叶片铸件的电极的加工路径；根据加工路径修整单晶涡轮叶片铸件的缘板。本公开可以在改善单晶涡轮叶片的缘板表面的轮廓度的前提下，降低缘板再结晶的风险。

Description

单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和装置、单晶涡轮叶片
技术领域
本公开涉及航空发动机领域，特别涉及一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和装置，以及一种单晶涡轮叶片。
背景技术
随着航空发动机设计和制造技术的不断发展，尤其是商用航空发动机对燃油效率的要求不断提高，航空发动机的涡轮前温度也不断提高。为了应对不断提高的涡轮前温度，航空发动机采用镍基单晶高温合金材料铸造而成的单晶涡轮叶片。单晶涡轮叶片只包含一个晶粒，消除了高温工况下晶界等晶体缺陷对叶片强度的影响，提高了高温工况下叶片的抗蠕变性能。
然而，单晶涡轮叶片经过磕碰、打磨产生形变之后，若叶片在服役过程中达到一定温度，单晶高温合金叶片在固态亦可形成再结晶晶粒，其长期使用性能将受到影响。因此，单晶涡轮叶片在加工过程中应当尽量避免磕碰和非必要的打磨。
由于单晶涡轮叶片的缘板的尺寸较大且为悬臂结构，缘板在铸造过程中容易变形。缘板变形可以通过对铸造模具的浇道进行优化设计来改善，但通常需要投入一套模具和三轮工艺试验的经费，导致成本昂贵，也不利于缩短叶片的研制周期。
缘板变形也可以通过打磨的修整方法来改善。但是，一方面，打磨的修整方法会导致单晶涡轮叶片在长期服役后缘板表面产生胞状再结晶，影响叶片涂层的使用寿命。另一方面，打磨的修整方法不易保证叶片整体的尺寸精度、形状精度和位置精度，在后续的装配环节会出现相邻叶片的缘板错台而影响正常使用，为了消除缘板错台的现象，单晶涡轮叶片在装配环节之后仍需继续修整，同样会对叶片涂层带来不利影响。另外，为了避免复杂气流带来的二次流损失，提升工作效率，单晶涡轮叶片通常基于非轴对称端壁设计，叶片的上缘板和下缘板的形状不同。打磨等传统的修整方法也难以满足基于非轴对称端壁设计的单晶涡轮叶片对上缘板、下缘板的精度要求。
发明内容
本公开的目的在于提供一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法和单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，以及一种单晶涡轮叶片，以在提升单晶涡轮叶片的缘板的尺寸一致性的前提下，降低缘板再结晶的风险。
本公开的第一方面提供一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，包括：
将单晶涡轮叶片铸件固定于定位工装上；
根据在单晶涡轮叶片几何模型的设计坐标系中的所述单晶涡轮叶片铸件各定位点的坐标与在工装坐标系中的固定于所述定位工装上的所述单晶涡轮叶片铸件各所述定位点的坐标，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换关系；
根据所述变换关系、所述单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件的电极的加工路径；
根据所述加工路径修整所述单晶涡轮叶片铸件的缘板。
根据本公开的一些实施例，在步骤将所述单晶涡轮叶片铸件固定于所述定位工装上完成之前，所述单晶涡轮叶片铸件与所述定位工装的固定位置可调节。
根据本公开的一些实施例，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的所述变换关系包括：
在同一测量基准下，测量在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标；
根据在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换矩阵。
根据本公开的一些实施例，所述定位点包括第一定位点、第二定位点、第三定位点、第四定位点、第五定位点和第六定位点，其中，所述第一定位点、所述第二定位点和所述第三定位点均位于所述单晶涡轮叶片铸件的叶盆表面或均位于所述单晶涡轮叶片铸件的叶背表面，所述第四定位点和所述第五定位点均位于所述单晶涡轮叶片铸件的前缘表面或均位于所述单晶涡轮叶片铸件的后缘表面，所述第六定位点位于所述单晶涡轮叶片铸件的缘板表面。
根据本公开的一些实施例，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件的电极的加工路径包括：
根据所述设计坐标系中所述单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和所述设计坐标系中所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成所述设计坐标系中的所述电极的加工路径；
根据所述变换矩阵，将所述电极的加工路径由所述设计坐标系变换至所述工装坐标系。
根据本公开的一些实施例，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件的电极的加工路径包括：
根据所述变换矩阵，将所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓由所述设计坐标系变换至所述工装坐标系；
根据所述工装坐标系中所述单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和所述工装坐标系中所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成所述工装坐标系中的所述电极的加工路径。
根据本公开的一些实施例，使用低熔点合金将所述单晶涡轮叶片铸件固定于所述定位工装上。
本公开的第二方面提供一种用于执行本公开的第一方面所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法的单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，包括：
坐标检测设备，被配置为获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换关系；
电加工设备，被配置为修整所述单晶涡轮叶片铸件的缘板，所述电加工设备包括相对于所述坐标检测设备固定设置的电极装夹装置和相对于所述电极装夹装置具有多个运动自由度的电极；和
定位工装，相对于所述坐标检测设备固定设置，所述定位工装被配置为将所述单晶涡轮叶片铸件相对于所述坐标检测设备定位，所述定位工装包括用于定位所述单晶涡轮叶片铸件的支承部。
根据本公开的一些实施例，所述坐标检测设备包括三坐标测量机。
根据本公开的一些实施例，所述支承部为楔形，所述支承部用于定位所述单晶涡轮叶片铸件的型腔。
本公开的第三方面提供一种单晶涡轮叶片，所述单晶涡轮叶片通过本公开第一方面所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法获得。
本公开实施例提供的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，根据设计坐标系和工装坐标系的变换关系、单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓获取用于修整缘板的加工路径，并采用电极加工的修整方式，利于在减小单个单晶涡轮叶片铸件缘板表面的轮廓度误差和提升单晶涡轮叶片铸件的尺寸一致性的前提下，抑制单晶涡轮叶片形成再结晶缺陷。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1为本公开一些实施例的单晶涡轮叶片铸件的结构示意图。
图2为本公开一些实施例的定位工装的主视结构示意图。
图3为图2所示的定位工装的左视结构示意图。
图4为本公开一些实施例中单晶涡轮叶片铸件固定于定位工装的状态示意图。
图5为本公开一些实施例中采用电加工设备修整单晶涡轮叶片铸件的缘板的示意图。
图1至图5中，各附图标记分别代表：
1、单晶涡轮叶片铸件；11、下缘板；12、上缘板；13、叶身；10、基于非轴对称端壁设计的缘板轮廓；2、定位工装；21、基座；22、支承部；3、电加工设备；31、电极；30、电极装夹装置；A1、第一定位点；A2、第二定位点；A3、第三定位点；B1、第四定位点；B2、第五定位点；C1、第六定位点。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，这些技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
如图1至图5所示，本公开的一些实施例提供一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，包括：将单晶涡轮叶片铸件1固定于定位工装2上；根据在单晶涡轮叶片几何模型的设计坐标系中的单晶涡轮叶片铸件1各定位点的坐标与在工装坐标系中的固定于定位工装2上的单晶涡轮叶片铸件1各定位点的坐标，获取设计坐标系和工装坐标系的变换关系；根据变换关系、单晶涡轮叶片铸件1的实际轮廓和单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，获取用于修整单晶涡轮叶片铸件1的电极31的加工路径；根据加工路径修整单晶涡轮叶片铸件1的缘板。
图1示出了本公开一些实施例的单晶涡轮叶片铸件1。该单晶涡轮叶片铸件1包括下缘板11、上缘板12和叶身13。下缘板11和上缘板12的形状不同，下缘板11上具有基于非轴对称端壁设计的缘板轮廓10，下缘板11和上缘板12的至少一部分留有0.5mm以下的加工余量。叶身13内部具有型腔。
图2和图3示出了本公开一些实施例的定位工装2。定位工装2相对于坐标检测设备(图中未示出)固定设置。坐标检测设备被配置为获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换关系。定位工装2被配置为将单晶涡轮叶片铸件1相对坐标检测设备定位。
定位工装2包括基座21和支承部22，其中，基座21用于将定位工装2相对于坐标检测设备定位，基座21与支承部22一体成形，支承部22用于将单晶涡轮叶片铸件1相对于定位工装2定位。该设置通过将单晶涡轮叶片铸件1相对于定位工装2定位，将定位工装2相对于坐标检测设备定位，可以实现将单晶涡轮叶片铸件1相对坐标检测设备定位。
定位工装2的支承部22的形状和尺寸可以结合单晶涡轮叶片铸件1的型腔的结构设计，例如，支承部22可以是图2和图3所示的楔形，楔形的支承部22的一部分穿过单晶涡轮叶片铸件1的型腔。定位工装2可以采用铝合金或不锈钢等材料制造，结构简单，制造成本低。图4示出了本公开一些实施例中，前述单晶涡轮叶片铸件1固定于前述定位工装2的状态。
图5示出了本公开一些实施例中，采用电加工设备3修整单晶涡轮叶片铸件1的缘板的步骤。电加工设备3包括相对于坐标检测设备固定设置的电极装夹装置30和相对于电极装夹装置30具有多个运动自由度的电极31。以上设置使电极装夹装置30相对于定位工装2和单晶涡轮叶片铸件1具有确定的位置关系，从而可以以定位工装2和单晶涡轮叶片铸件1为基准建立的工装坐标系生成电极31的加工路径。
本公开实施例提供的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，根据设计坐标系和工装坐标系的变换关系、单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓获取用于修整缘板的加工路径，并采用电极加工的修整方式，利于在减小单个单晶涡轮叶片铸件缘板表面的轮廓度误差和提升单晶涡轮叶片铸件的尺寸一致性的前提下，抑制单晶涡轮叶片形成再结晶缺陷。
在一些实施例中，在步骤将单晶涡轮叶片铸件1固定于定位工装2上完成之前，单晶涡轮叶片铸件1与定位工装2的固定位置可调节。对于每一次修整，单晶涡轮叶片铸件1和定位工装2之间的固定位置可以不同，两者保持固定即可。相比于采用具有固定的定位基准的工装，以上设置不需要在定位工装2的支承部22上加工定位基准，利于避免定位基准的加工误差或磨损等因素造成的定位不准确。
在一些实施例中，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的所述变换关系包括：在同一测量基准下，测量在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标；根据在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换矩阵。
根据六点定位原理，在任何一个坐标系中确定单晶涡轮叶片铸件1的位置时，都应在单晶涡轮叶片铸件1上设置六个定位点。为了得到更加精确的变换关系，定位点最好设置于单晶涡轮叶片铸件1经过精加工的表面或不需要进一步修整的表面，且定位点的设置位置最好分散于单晶涡轮叶片铸件1的不同几何要素。
如图1所示，在一些实施例中，定位点包括第一定位点A1、第二定位点A2、第三定位点A3、第四定位点B1、第五定位点B2和第六定位点C1，其中，第一定位点A1、第二定位点A2和第三定位点A3均位于单晶涡轮叶片铸件1的叶盆表面或均位于单晶涡轮叶片铸件1的叶背表面，第四定位点B1和第五定位点B2均位于单晶涡轮叶片铸件1的前缘表面或均位于单晶涡轮叶片铸件1的后缘表面，第六定位点C1位于单晶涡轮叶片铸件1的缘板表面。
获取用于修整单晶涡轮叶片铸件1的电极31的加工路径需要将单晶涡轮叶片铸件的实际轮廓和单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓变换至同一坐标系下，以确定缘板待修整的区域的去除量。
在一些实施例中，获取用于修整单晶涡轮叶片铸件1的电极31的加工路径包括：根据设计坐标系中单晶涡轮叶片铸件1的实际轮廓和设计坐标系中单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成设计坐标系中的电极31的加工路径；根据变换矩阵，将电极31的加工路径由设计坐标系变换至工装坐标系。
在一些实施例中，获取用于修整单晶涡轮叶片铸件1的电极31的加工路径包括：根据变换矩阵，将单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓由设计坐标系变换至工装坐标系；根据工装坐标系中单晶涡轮叶片铸件1的实际轮廓和工装坐标系中单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成工装坐标系中的电极31的加工路径。
在一些实施例中，使用低熔点合金将单晶涡轮叶片铸件1固定于定位工装2上。具体的步骤可以是：将单晶涡轮叶片铸件1放置在定位工装2的支承部22上；在单晶涡轮叶片铸件1和定位工装2之间的空隙填充低熔点合金。低熔点合金凝固后，单晶涡轮叶片铸件1即固定于定位工装2上，固定于定位工装2上的单晶涡轮叶片铸件1上的定位点的空间位置不受坐标检测设备的测头干扰，从而提升检测结果的准确性。
本公开的一些实施例还提供一种用于执行前述单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法的单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，包括坐标检测设备、电加工设备3和定位工装2。
坐标检测设备被配置为获取设计坐标系和工装坐标系的变换关系。
电加工设备3被配置为修整单晶涡轮叶片铸件1的缘板。电加工设备3包括相对于坐标检测设备固定设置的电极装夹装置30和相对于电极装夹装置30具有多个运动自由度的电极31。
定位工装2相对于坐标检测设备固定设置。定位工装2被配置为将单晶涡轮叶片铸件1相对坐标检测设备定位。定位工装2包括用于定位单晶涡轮叶片铸件1的支承部22。
该单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置具有前述单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法的相应优点。
在一些实施例中，坐标检测设备包括三坐标测量机。
如图2和图3所示，在一些实施例中，支承部22为楔形，支承部22用于定位单晶涡轮叶片铸件1的型腔。
本公开的一些实施例还提供一种单晶涡轮叶片，单晶涡轮叶片通过前述单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法获得。该单晶涡轮叶片具有前述单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法的相应优点。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，包括：
将单晶涡轮叶片铸件(1)固定于定位工装(2)上；
根据在单晶涡轮叶片几何模型的设计坐标系中的所述单晶涡轮叶片铸件(1)各定位点的坐标与在工装坐标系中的固定于所述定位工装(2)上的所述单晶涡轮叶片铸件(1)各所述定位点的坐标，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换关系；
根据所述变换关系、所述单晶涡轮叶片铸件(1)的实际轮廓和所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件(1)的电极(31)的加工路径；
根据所述加工路径修整所述单晶涡轮叶片铸件(1)的缘板。
2.根据权利要求1所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，在步骤将所述单晶涡轮叶片铸件(1)固定于所述定位工装(2)上完成之前，所述单晶涡轮叶片铸件(1)与所述定位工装(2)的固定位置可调节。
3.根据权利要求1所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的所述变换关系包括：
在同一测量基准下，测量在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标；
根据在所述设计坐标系中的各所述定位点的坐标和在所述工装坐标系中的各所述定位点的坐标，获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换矩阵。
4.根据权利要求3所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，所述定位点包括第一定位点(A1)、第二定位点(A2)、第三定位点(A3)、第四定位点(B1)、第五定位点(B2)和第六定位点(C1)，其中，所述第一定位点(A1)、所述第二定位点(A2)和所述第三定位点(A3)均位于所述单晶涡轮叶片铸件(1)的叶盆表面或均位于所述单晶涡轮叶片铸件(1)的叶背表面，所述第四定位点(B1)和所述第五定位点(B2)均位于所述单晶涡轮叶片铸件(1)的前缘表面或均位于所述单晶涡轮叶片铸件(1)的后缘表面，所述第六定位点(C1)位于所述单晶涡轮叶片铸件(1)的缘板表面。
5.根据权利要求3所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件(1)的电极(31)的加工路径包括：
根据所述设计坐标系中所述单晶涡轮叶片铸件(1)的实际轮廓和所述设计坐标系中所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成所述设计坐标系中的所述电极(31)的加工路径；
根据所述变换矩阵，将所述电极(31)的加工路径由所述设计坐标系变换至所述工装坐标系。
6.根据权利要求3所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，获取用于修整所述单晶涡轮叶片铸件(1)的电极(31)的加工路径包括：
根据所述变换矩阵，将所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓由所述设计坐标系变换至所述工装坐标系；
根据所述工装坐标系中所述单晶涡轮叶片铸件(1)的实际轮廓和所述工装坐标系中所述单晶涡轮叶片几何模型的理想轮廓，生成所述工装坐标系中的所述电极(31)的加工路径。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法，其特征在于，使用低熔点合金将所述单晶涡轮叶片铸件(1)固定于所述定位工装(2)上。
8.一种用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法的单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，其特征在于，包括：
坐标检测设备，被配置为获取所述设计坐标系和所述工装坐标系的变换关系；
电加工设备(3)，被配置为修整所述单晶涡轮叶片铸件(1)的缘板，所述电加工设备(3)包括相对于所述坐标检测设备固定设置的电极装夹装置(30)和相对于所述电极装夹装置(30)具有多个运动自由度的电极(31)；和
定位工装(2)，相对于所述坐标检测设备固定设置，所述定位工装(2)被配置为将所述单晶涡轮叶片铸件(1)相对于所述坐标检测设备定位，所述定位工装(2)包括用于定位所述单晶涡轮叶片铸件(1)的支承部(22)。
9.根据权利要求8所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，其特征在于，所述坐标检测设备包括三坐标测量机。
10.根据权利要求8所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整装置，其特征在于，所述支承部(22)为楔形，所述支承部(22)用于定位所述单晶涡轮叶片铸件(1)的型腔。
11.一种单晶涡轮叶片，其特征在于，所述单晶涡轮叶片通过根据权利要求1至7中任一项所述的单晶涡轮叶片铸件缘板修整方法获得。
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