CN117921318A - 一种基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔制孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密制造技术领域，涉及一种基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔制孔方法。本发明方法首先将现代的测量和数字孪生技术引入至涡轮叶片制孔工艺中，再通过在涡轮叶片铸件毛坯的内外表面预置可以被容易图像识别的凹坑和凸肋等结构，然后通过对比孔边微结构形位的理论值与数字孪生模型所代表的实际值之间的差异，实现了对气膜孔的内/外点位、空间角度、加工深度等参数的高精度修正，满足了现代高性能涡轮叶片对气膜孔加工精确度的需求。根据测算，相比于以往方法，采用该方法后的打孔位置度公差可以减小80％，进而可使得叶片使用寿命提升20％以上。从可制造性角度，采用该方法使制孔合格率提升50％以上，进而提升了总体经济效益。

Description

一种基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔制孔方法

技术领域

本发明属于精密制造技术领域，涉及一种基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔制孔方法。

背景技术

对于涡轮式航空发动机和燃气轮机，由于其中燃气温度远超过涡轮叶片所用的金属材料耐温极限，故必须要对叶片采用热防护或冷却措施。典型的措施包括气膜冷却，它是在叶片表面开设小孔，并将叶片内部的冷却气从孔中引出，利用气流在表面的贴体流动，隔绝燃气对叶片的加热，起到较强的冷却效果。目前对于冷却式涡轮叶片，通常要求在其表面布置直径在φ0.2-0.8mm内的上百个气膜孔。如此多的气膜孔都要根据叶片的形状、燃气流动的状态和内腔结构的不同而单独开展优化设计，具体体现在孔径、孔型和空间角度等参数的差异。正因为气膜孔具有空间、几何精度要求高，直径小，排布密集等特点，故无法通过铸造直接成型。通常都是在叶片铸造完成毛坯后，加工出叶片上的定位面，再通过夹具对其安装定位，随后使用电火花打孔、电液束打孔、激光打孔等工艺进行二次加工，典型的现有打孔流程如图1所示。

由于涡轮叶片铸造过程复杂，形面控制难度大，导致毛坯精度低，一致性差，使得气膜孔制备时所需的理论三维坐标与几何参数不一定适用于真实毛坯上。其含义如图2所示：图中虚线所示为涡轮叶片理论形面，在基于夹具上的定位面建立的三维坐标系后，理论正确的打孔点位于气膜孔理论外部点位P，其坐标的理论值为(x_外,y_外,z_外)。在打孔时应将制孔工具定位至该点，并将其轴线角度设置为气膜孔轴线与Y轴理论夹角α、气膜孔轴线与Z轴理论夹角β。但在实际操作中，存在诸多影响精度的因素，典型如：

1.在铸造过程中，所使用的叶片型芯和蜡模难以与所设计的叶片理论内/外形完全保持一致；

2.叶片在冷却凝固过程中会产生不同程度的材料收缩和热应力应变，最终导致实际叶片相对于设计值存在一定程度的弯曲、扭转和收缩等变形；

3.在将叶片夹持于打孔所用机床上后，由于榫头定位面与夹具之间存在配合上的偏差，导致机床定位到气膜孔处时存在误差；

4.机床本身在定位，进给过程中仍存在误差。

上述误差的层层叠加导致涡轮叶片理论形面变形为图2中实线所示的涡轮叶片实际形面。此时实际的打孔点位应顺势变为气膜孔实际外部点位P′，其坐标的实际值则应改变为(x_外′,y_外′,z_外′)。在打孔时应将制孔工具定位至该点，并将其轴线角度设置为气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′。如果忽视上述误差积累，仍按照理论点位与理论角度等参数进行加工，将会造成实际加工出的气膜孔的空间位置、空间角度、打孔深度等参数与期望目标参数不一致的现象，是气膜孔加工误差的主要来源。

上述加工误差不但会降低气膜孔的冷却和强度性能，甚至会导致如图3所示的错位气膜孔、交叠气膜孔和背壁损伤的现象。图3(a)展示了未产生加工误差的标准气膜孔。而如图3(b)所示，当打孔实际位置偏移理论位置时，即会产生气膜孔错位的现象，严重时不能正确连通叶片内外腔；如图3(c)所示，若打孔位置准确，但打孔实际夹角相较于理论值发生偏移时，偏移的气膜孔会与周围气膜孔发生干涉，导致气膜孔交叠，产生大幅度应力集中；如图3(d)所示，打孔过程中由于对深度计算不准引起制孔工具的进给量过大，导致气膜孔打通之后进一步对背壁进行误加工，在背壁产生凹坑或击穿等不可逆转损伤，即背壁损伤。上述加工误差现象都会大幅度降低涡轮叶片的性能与使用寿命，严重的必须报废，进而导致制造成本的增加。因此，确保气膜孔的定位和成形几何精度对于提高涡轮叶片强度与发动机的性能至关重要。

发明内容

针对现有制造工艺对涡轮叶片气膜孔加工精度的不足，本发明了提供了一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，该方法通过对比孔边微结构形位的理论值，与数字孪生模型所代表的实际值之间的差异，实现对气膜孔理论加工参数的修正，提高了加工精确度，避免了出现错位、交叠和背壁损伤现象，增强了涡轮叶片的结构强度，进而提升涡轮叶片的综合性能。

本发明为取得上述效果采用了如下技术方案：

一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其流程如图4所示，相对于图1所示的已有流程，主要差别在于在叶片毛坯上预置一些用于辅助定位的微小结构，并在打孔之前基于数字孪生技术对这些结构进行识别定位，进而以其为参考，再对气膜孔形位参数修正：

上述流程的具体含义如下：

S1：涡轮叶片的设计及铸造，首先依据在气膜孔边开设半球形凹坑和圆滑凸肋结构的涡轮叶片模型，制造陶瓷型芯和蜡膜，并完成毛坯的制造，其典型方案如图5所示。

S1.1：在这些叶片外表面，欲开设气膜孔的出口处，布置半球形凹坑，所述凹坑为通过一个圆球的底部与叶片相减而形成，并且穿过该球坑的气膜孔理论轴线，可以不通过其球心；在叶片内表面，气膜孔入口处，分别设有环形凸肋、蛇形凸肋、直凸肋共计三类结构。肋结构凸出于叶片内腔表面，凸起部分的横截面近似为半圆形，并且穿过该凸肋的气膜孔理论轴线，可以不通过该圆心。

对于气膜孔入口处，可以依据叶片形状和气膜孔结构而选择采用不同类别的凸肋结构。其中环形凸肋，通常如图5所示位于叶片前缘内表面较为狭窄的区域，每条肋沿弦向环绕于叶片内腔，且多条肋沿径向阵列布置于各前缘气膜孔入口处。根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。此类肋的主要特点为其轴线为呈近似圆形的曲线，故以环型命名。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔。该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η，数值可为60～90°，即孔倾斜方向近似为沿叶片径向，与燃气流动方向垂直，另外其气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ，数值可为20～45°。由于冷却的需要，该类气膜孔通常沿径向、弦向排布十分密集，故单个环形凸肋可与多个气膜孔相贯；对于直凸肋，通常如图5所示位于叶片背侧，沿径向延伸于叶片内腔冷气通道布置，根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。此类肋的主要特点为其轴线呈沿叶片径向的近似直线，故以直凸肋命名。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔，该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η数值可为0～25°，即孔轴线方向近似水平，与燃气流动方向近似平行。每列中多个沿径向布置的这类气膜孔可共用同一条直凸肋；对于蛇形凸肋，通常如图5所示位于叶片盆侧，其轴线为蜿蜒的蛇形并位于叶片内腔冷气通道表面，根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔，该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η数值可为25～60°，即孔轴线方向倾斜，且倾斜程度位于前述两者之间。多个沿径向布置的这类气膜孔可共用同一条蛇形凸肋。蛇形凸肋相贯之处应挑选其与气膜孔轴线尽量垂直的部分，而该凸肋除此以外的部分可以省略，从而使单条蛇形肋变成多条倾斜短肋。

通过图5剖视图进一步展示本发明的凹坑与凸肋典型结构，该微结构的主要特征参数为气膜孔直径φD；气膜孔进气端的圆滑凸肋结构，其截面直径为圆滑凸肋截面理论直径φ d₁，数值可为1.5～2.5D；该凸肋结构凸出壁面的高度为圆滑凸肋凸起高度h，数值可为0.2～0.8D；凸肋中心理论点位M与气膜孔边缘之间的切向距离为圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L₁，该数值可为0.8D～1.8D，并以1.2D为宜。在壁面法向上观察，如图5K向视图上所示，该凸肋具有圆滑凸肋理论宽度u，数值可为2～5D。对于叶片其它位置上并采用入口处不同形状凸肋的气膜孔，在肋的设计上可都与上述同理，且具体数值可以不同。

位于气膜孔出口的半球形凹坑结构，其直径为半球形凹坑理论直径φd₂，数值可为1.5～2.5D；该半球形凹坑凹进壁面的深度为半球形凹坑凹陷深度s，数值可为0.2～0.8D；凹坑中心理论点位W与气膜孔边缘之间的切向距离为半球形凹坑与气膜孔边切向距离L₂，该数值可为0.7D～1.3D，并以D为宜；在壁面法向上观察，如图5L向视图所示，其与壁面相贯所形成的截线圆直径为半球形凹坑截线圆理论直径φd₃，该数值可为1.1～2.5D。叶片壁厚H一般为0.8～3mm。对于叶片其它位置上且倾角不同的气膜孔，在孔口凹坑的设计上可都与上述同理，但具体数值可以不同。通过在叶片上铸造出这些凹坑和凸肋并内外配合使用，即可为打孔实际位置、角度和深度的修正提供参考。

S1.2：在完成铸件结构设计后，设计并确定气膜加工用理论参数，其方法为：首先基于涡轮叶片理论形面与夹具两者理论模型的组合装配，建立如图5所示坐标系。如图5，，所示，在模型中定位气膜孔理论内部点位Q，并统计其三维坐标理论值为；在模型中定位气膜孔理论外部点位P，其三维坐标的理论值为；气膜孔理论轴线与X轴之间的角度为气膜孔轴线与X轴理论夹角γ，或采用同样方法获得该轴线与其他坐标轴的夹角；两点位之间的距离为气膜孔理论深度t。以这些理论参数作为后续进行数值修正以及加工气膜孔，铸造获得涡轮叶片毛坯。

S2：定位面的加工，将铸造完成的毛坯，使用磨削等方式去除部分多余的材料，加工出榫头等定位面，用于叶片装夹。

S3：装夹定位，将叶片榫头等定位面与夹具定位面相互配合，施加合适的夹持力将两者固定连接，该夹具应与S1中所设计的相同，具有同一坐标系，如图7所示。

S4：数字孪生模型的获取与点位修正，为了实现对打孔位置和角度的修正，本发明首先对实际叶片内外型结构建立数字孪生模型，再以其为比对，计算与理论模型之间的偏差作为修正的依据。而为了提高这一过程的精度，例如为了减少榫头定位面与夹具之间的装配误差对气膜孔定位的影响，将装夹定位后的毛坯与夹具，两者作为一个整体同时进行数字孪生模型的获取。并将夹具中的特征表面设为基准平面和建立坐标系，用于后续扫描坐标的确定和计算基准。

S4.1：对于叶片实际结构数字孪生模型的获取，首先对叶片和夹具进行外形面的光学扫描，获得含叶片外部凹坑形面在内的一系列三维坐标点，并拟合出叶片外部轮廓，以及获得其在夹具坐标系内的绝对位置，如图7光学扫描路线所示；然后对叶片和夹具再进行CT扫描，获得叶片内形特别是内腔中各凸肋形面的三维坐标点，并拟合出叶片内部轮廓，以及其在夹具坐标系内的绝对位置，如图7CT扫描路线所示。对于通过两种方法得到的两套三维坐标点，首先依据它们在同一坐标系下的坐标，并以两者共有的外形面作为相互校验，再使用计算机编程语言，基于最小二乘法剔除异常噪点、捕捉定位特征点等方式，最终生成了含有内外形面和外部凹坑、内部凸肋等结构的叶片数字孪生模型。

S4.2：如图7右侧所示，可以根据前面获得的实际叶片数字孪生模型，计算实际应该采用的打孔参数，并交付下一工序。根据打孔机床的所用的数据格式和控制方法，对其提供的数据可以有以下两种方式：

1.实际绝对值，当机床未存储叶片打孔的理论参数时，可以将基于上述实际叶片的数字孪生模型所生成的全套打孔数据直接交付机床，包括：气膜孔实际外部点位P′的三维坐标、气膜孔实际内部点位Q′的三维坐标、两点连成获得的气膜孔实际轴线、气膜孔实际深度t′和与坐标系的实际夹角，如气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′、气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′等，供其进行制孔。

2.理论值+修正值，若机床已经储存原有气膜孔理论内部点位Q的三维坐标理论值，以及气膜孔理论外部点位P的三维坐标的理论值，只须将图7右侧所示的气膜孔内部点位坐标修正值与气膜孔外部点位坐标修正值作为坐标调整量交付给机床，让其自行修正得到气膜孔实际内部点位Q′的坐标与气膜孔实际外部点位P′的坐标，以及进一步计算得到气膜孔实际轴线的位置，气膜孔实际深度t′，和与坐标系的实际夹角，如气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′、气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′等。

S5：打孔。将叶片与夹具固定在机床上，并依据前面两种数据处理方法之一，首先将制孔工具首先定位到气膜孔实际外部点位P′，如图8所示，再依据气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′和气膜孔实际深度t′，使用电火花打孔、电液束打孔、激光打孔等工艺进行气膜孔的制孔过程，通过这样的方式，可以显著的提高气膜孔的精度，特别是确保其与叶片内外表面的凹坑、凸肋等结构之间的相对位置关系，进而保证叶片的冷却和强度等性能。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.有效保证了气膜孔打孔的定位精度

本专利所用方法首先将现代的测量和数字孪生技术引入至涡轮叶片制孔工艺中，再通过在涡轮叶片铸件毛坯的内外表面预置可以被容易图像识别的凹坑和凸肋等结构，然后通过对比孔边微结构形位的理论值与数字孪生模型所代表的实际值之间的差异，实现了对气膜孔的内/外点位、空间角度、加工深度等参数的高精度修正，满足了现代高性能涡轮叶片对气膜孔加工精确度的需求。根据测算，相比于以往方法，采用该方法后的打孔位置度公差可以减小80％，进而可使得叶片使用寿命提升20％以上。从可制造性角度，采用该方法还能够避免因为制孔定位偏差而引起的报废，使制孔合格率提升50％以上，进而提升了总体经济效益。

2.采用公用夹具降低了叶片装卡误差

本专利所用方法需要在CT扫描、光学扫描以及制孔等多项工艺流程中对叶片进行装卡，而为了避免由此带来的坐标系转换偏差问题，本专利提出对全部过程使用同一套公用夹具，不仅使该夹具能够适应各工艺过程的需求，且夹具上带有可被三种工艺过程识别并利用的定位面以建立公用坐标系，提高了所获的叶片内/外形面坐标在各个工艺流程中的一致性与通用性。避免了在频繁更换夹具和装卡叶片过程中，定位面与不同夹具之间位置上偏差的积累，以及三维坐标在不同坐标系之间转换所带来的误差，是提高定位精度的有效保证。

3.采用孔边辅助定位结构降低了数字孪生模型的获取难度

本发明将叶片外/内表面的凹坑/凸肋设置为气膜孔定位参照对象，此类结构与气膜孔组合紧密，更能直接的反应在开设气膜孔处，叶片的实际内/外形面相对于理论形面的变化，为气膜孔的修正提供准确的参照对象。此类结构相对于气膜孔来说结构尺寸较大，相对于叶片曲面来说几何特征明显，易于在CT/光学扫描过程中精确的捕捉其尺寸与位置特征参数。而对于气膜孔定位的修正，只需要获得这些即可开展，可忽略叶片数字孪生模型中其余难以精确获得的部分(如叶片内部通道形面、孔洞和壁厚等)，从而大幅度降低了测量和建模的难度，提高了工作效率，同时还能保证气膜孔定位精度。

附图说明

图1为现有打孔流程图；

图2为气膜孔加工误差的产生图；

图3(a)为标准气膜孔图；

图3(b)为错位气膜孔图；

图3(c)为交叠气膜孔图；

图3(d)为背壁损伤图；

图4为基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔加工流程图；

图5(a)为带孔边微结构的涡轮叶片主视图；

图5(b)为带孔边微结构的涡轮叶片后视图；

图5(c)为带孔边微结构的涡轮叶片右视图；

图5(d)为带孔边微结构的涡轮叶片B-B截面图；

图5(e)为带孔边微结构的涡轮叶片C-C截面图；

图5(f)为带孔边微结构的涡轮叶片K向视图；

图5(g)为带孔边微结构的涡轮叶片L向视图；

图5(h)为带孔边微结构的涡轮叶片三维坐标系图；

图6(a)为适用于环形凸肋的气膜孔图；

图6(b)为适用于直凸肋的气膜孔图；

图6(c)为适用于蛇形凸肋的气膜孔图；

图7(a)为实际带孔边微结构的涡轮叶片三维坐标系图；

图7(b)涡轮叶片数字孪生模型的获取和使用图；

图8为基于数字孪生模型修正后的打孔过程图；

图9(a)为带孔边微结构的涡轮叶片B-B截面图；

图9(b)为外表面带有凹坑及内表面带有凸肋的气膜孔结构C-C截面图；

图9(c)为外表面带有凹坑及内表面带有凸肋的气膜孔结构K向视图；

图9(d)为外表面带有凹坑及内表面带有凸肋的气膜孔结构L向视图；

图10(a)为带孔边微结构的涡轮叶片B-B截面图；

图10(b)为外表面带有凹坑的气膜孔结构C-C截面图；

图10(c)为外表面带有凹坑的气膜孔结构L向视图；

图11(a)为带孔边微结构的涡轮叶片B-B截面图；

图11(b)为内表面带有凸肋的气膜孔结构C-C截面图；

图11(c)为内表面带有凸肋的气膜孔结构K向视图。

图中：1涡轮叶片理论形面，2气膜孔理论外部点位P，3气膜孔轴线与Y轴理论夹角α，4气膜孔轴线与Z轴理论夹角β，5涡轮叶片实际形面，6气膜孔实际外部点位P′，7气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′，8气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′，9夹具，10制孔工具，11半球形凹坑，12气膜孔理论轴线，13环形凸肋，14蛇形凸肋，15直凸肋，16气膜孔轴线与燃气间夹角∠η，17气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ，18气膜孔直径φD，19圆滑凸肋截面理论直径φd₁，20圆滑凸肋凸起高度h，21凸肋中心理论点位M，22圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L₁，23圆滑凸肋理论宽度u，24半球形凹坑理论直径φd₂，25半球形凹坑凹陷深度s，26凹坑中心理论点位W，27半球形凹坑与气膜孔边切向距离L₂，28半球形凹坑截线圆理论直径φd₃，29叶片壁厚H，30气膜孔理论内部点位Q，31气膜孔轴线与X轴理论夹角γ，32气膜孔理论深度t，33气膜孔实际内部点位Q′，34气膜孔实际轴线，35气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′，36气膜孔内部点位坐标修正值(Δx_内,Δy_内,Δz_内)，37气膜孔外部点位坐标修正值(Δx_外,Δy_外,Δz_外)，38气膜孔实际深度t′，39半球形凹坑实际直径φd₂′，40半球形凹坑截线圆实际直径φd₃′，41凹坑中心实际点位W′，42圆滑凸肋截面实际直径φd₁′，43圆滑凸肋实际宽度u′，44凸肋中心实际点位M′。

具体实施方式

案例1

针对现有制造工艺对涡轮叶片气膜孔加工精度的不足，本发明了提供了一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，该方法通过对比孔边微结构形位的理论值，与数字孪生模型所代表的实际值之间的差异，实现对气膜孔的理论加工参数进行修正，提高了气膜孔的加工精确度，避免了气膜孔加工中出现的气膜孔错位、交叠和背壁损伤现象，增强了涡轮叶片的结构强度，进而提升涡轮叶片的综合性能。其修正的具体步骤如下：

1.对于涡轮叶片理论形面1上的气膜孔理论外部点位P2，基于图8所示三维坐标系，测量其三维坐标的理论值为(2.030,10.438,3.239)；与其对应的气膜孔理论内部点位Q30，测量其三维坐标的理论值为(3.035,10.357,2.197)；这两点相连直线即为气膜孔理论轴线12，计算得到其气膜孔轴线与X轴理论夹角γ31为46.122°、气膜孔轴线与Y轴理论夹角α3为86.798°、气膜孔轴线与Z轴理论夹角β4为44.057°；计算得到两点位之间的距离气膜孔理论深度t32为1.450mm。

2.对叶片外部凹坑进行光学扫描，如图9d所示，将得到的3356个三维坐标点，储存在坐标矩阵G中，即：

随后将对叶片内部凸肋进行CT扫描，如图9c所示，将得到的1825个三维坐标点，储存在坐标矩阵C中，即：

其中G、C矩阵每一行为某一点的X、Y、Z坐标值，单位为mm。

3.基于坐标矩阵G，使用数值算法拟合出凹坑轮廓，并提取出特征参数半球形凹坑实际直径φd₂′39和半球形凹坑截线圆实际直径φd₃′40，以及凹坑中心实际点位W′41的三维坐标(1.675,9.366,2.127)，如图9b，d所示。随后计算得到气膜孔实际外部点位P′6的三维坐标值(1.925,10.352,3.290)。在得到P′坐标后，即可计算得到气膜孔外部点位坐标修正值(Δx_外,Δy_外,Δz_外)37为(-0.105,-0.086,0.051)。

4.基于坐标矩阵C，使用数值算法拟合出凸肋轮廓，并提取出特征参数圆滑凸肋截面实际直径φd₁′42和圆滑凸肋实际宽度u′43，以及凸肋中心实际点位M′44的三维坐标(2.951,11.266,1.930)，如图9b，c所示。随后计算得到气膜孔内部实际点位Q′33的三维坐标值(2.883,10.3147,2.334)。在得到Q′坐标后，即可计算得到气膜孔内部点位坐标修正值(Δx_内,Δy_内,Δz_内)36为(-0.152,-0.042,0.137)。

5.将气膜孔实际外部点位P′6与气膜孔实际内部点位Q′33相连，即为气膜孔实际轴线34，计算可得其气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′35为44.962°、气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′7为88.421°、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′8为45.082°；以及两点位之间的距离气膜孔实际深度t′38为1.354mm。

6.将上述运算结果交付机床用于打孔。

案例2

如图10所示，当受到结构或制造成本限制时，可以只对气膜孔出口处叶片外表面采用半球形凹坑，而在叶片内部，即气膜孔的入口仍然采用光滑表面设计。使用凹坑的理论参数与实际参数之间的差异，对气膜孔进行形位修正。该方案可以牺牲部分制孔精度来换取制造成本的降低。其修正的具体步骤如下：

1.对于1-涡轮叶片理论形面上的气膜孔理论外部点位P2，基于图8所示三维坐标系，测量其三维坐标的理论值为(3.130,12.424,5.996)；与其对应的气膜孔理论内部点位Q30，测量其三维坐标的理论值为(3.653,11.562,4.794)；这两点相连直线即为气膜孔理论轴线12，计算得到其气膜孔轴线与X轴理论夹角γ31为70.516°、气膜孔轴线与Y轴理论夹角α3为56.705°、气膜孔轴线与Z轴理论夹角β4为39.966°；以及计算得到两点位之间的距离气膜孔理论深度t32为1.569mm。

2.对叶片外部凹坑进行光学扫描，如图10c所示，将得到的1378个三维坐标点，储存在坐标矩阵G中，即：

其中G矩阵每一行为某一点的X、Y、Z坐标值，单位为mm。

3.基于坐标矩阵G，使用数值算法拟合出凹坑轮廓，并提取出特征参数半球形凹坑实际直径φd₂′39和半球形凹坑截线圆实际直径φd₃′40，以及凹坑中心实际点位W′41的三维坐标(3.144,11.109,5.977)，如图10b，c所示。随后计算得到气膜孔实际外部点位P′6的三维坐标值(3.387,12.278,5.832)。在得到P′坐标后，即可计算得到气膜孔外部点位坐标修正值(Δx_外,Δy_外,Δz_外)37为(0.257,-0.146,-0.164)。

4.因为叶片内腔缺少辅助定位结构，故沿用气膜孔理论内部点位Q30作为定位点，其坐标为(3.653,11.562,4.794)。

5.将气膜孔实际外部点位P′6与气膜孔理论内部点位Q30相连，即为气膜孔实际轴线34，计算可得其气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′35为70.085°、气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′7为56.283°、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′8为36.316°；以及两点位之间的距离气膜孔实际深度t′38为1.289mm。

6.将上述运算结果交付机床用于打孔。

案例3

如图11所示，当受到结构或制造成本限制时，可以只对气膜孔入口处叶片内表面采用光滑凸肋，而在叶片外部，即气膜孔的出口仍然采用光滑表面设计。使用凸肋理论参数与实际参数之间的差异，对气膜孔进行形位修正。该方案可以牺牲部分制孔精度来换取制造成本的降低。其修正的具体步骤如下：

1.对于涡轮叶片理论形面1上的气膜孔理论外部点位P2，基于图8所示三维坐标系，测量其三维坐标的理论值为(5.560,11.364,3.442)；与其对应的气膜孔理论内部点位Q30，测量其三维坐标的理论值为(5.470,10.146,2.158)；这两点相连直线即为气膜孔理论轴线12，计算得到其气膜孔轴线与X轴理论夹角γ31为87.098°、3-气膜孔轴线与Y轴理论夹角α3为46.593°、4-气膜孔轴线与Z轴理论夹角β4为43.554°；计算得到两点位之间的距离气膜孔理论深度t32为1.773mm。

2.对叶片内部凸肋进行CT扫描，如图11c所示，将得到的1642个三维坐标点，储存在坐标矩阵C中，即：

其中C矩阵每一行为某一点的X、Y、Z坐标值，单位为mm。

3.因为叶片外表面缺少辅助定位结构，故沿用气膜孔理论外部点位P2作为定位点，其坐标为(5.560,11.364,3.442)；

4.基于坐标矩阵C，使用数值算法拟合出凸肋轮廓，并提取出特征参数圆滑凸肋截面实际直径φd₁′42和圆滑凸肋实际宽度u′43，以及凸肋中心实际点位M′44的三维坐标(6.328,11.366,1.957)，如图11b，c所示。随后计算得到气膜孔内部实际点位Q′33的三维坐标值(5.139,10.615,2.183)。在得到Q′坐标后，即可计算得到气膜孔内部点位坐标修正值(Δx_内,Δy_内,Δz_内)36为(-0.331,0.469,0.025)。

5.将气膜孔理论外部点位P2与气膜孔实际内部点位Q′33相连，即为气膜孔实际轴线34，计算可得其气膜孔轴线与X轴实际夹角γ′35为为73.971°、气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′7为60.580°、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′8为34.297°；以及两点位之间的距离气膜孔实际深度t′38为1.524mm。

6.将上述运算结果交付机床用于打孔。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，步骤如下：

S1：涡轮叶片的设计及铸造，首先依据在气膜孔边开设半球形凹坑和圆滑凸肋结构的涡轮叶片模型，制造陶瓷型芯和蜡膜，并完成毛坯的制造；

S1.1：叶片外表面开设气膜孔的出口处，布置半球形凹坑(11)，所述半球形凹坑(11)穿过该球坑的气膜孔理论轴线(12)；在叶片内表面，气膜孔入口处，分别设有环形凸肋(13)、蛇形凸肋(14)、直凸肋(15)共计三类结构；三类肋结构凸出于叶片内腔表面，凸起部分的横截面近似为半圆形，并且穿过该凸肋的气膜孔理论轴线(12)；

S1.2：在完成铸件结构设计后，设计并确定气膜加工用理论参数，其方法为：首先基于涡轮叶片理论形面(1)与夹具(9)两者理论模型的组合装配，建立坐标系；在模型中定位气膜孔理论内部点位Q(30)，并统计其三维坐标理论值为(x_内,y_内,z_内)；在模型中定位气膜孔理论外部点位P(2)，其三维坐标的理论值为(x_外,y_外,z_外)；气膜孔理论轴线(12)与X轴之间的角度为气膜孔轴线与X轴理论夹角γ(31)，或采用同样方法获得该轴线与其他坐标轴的夹角；两点位之间的距离为气膜孔理论深度t(32)；以这些理论参数作为后续进行数值修正以及加工气膜孔，铸造获得涡轮叶片毛坯；

S2：定位面的加工，将铸造完成的毛坯，使用磨削方式去除部分多余的材料，加工出榫头定位面，用于叶片装夹；

S3：装夹定位，将叶片榫头定位面与夹具定位面相互配合，施加合适的夹持力将两者固定连接，该夹具应与S1中所设计的相同，具有同一坐标系；

S4：数字孪生模型的获取与点位修正，本发明首先对实际叶片内外型结构建立数字孪生模型，再以其为比对，计算与理论模型之间的偏差作为修正的依据；

S5：打孔；将叶片与夹具固定在机床上，首先将制孔工具(10)首先定位到气膜孔实际外部点位P′(6)，再依据气膜孔轴线与Y轴实际夹角α′(7)、气膜孔轴线与Z轴实际夹角β′(8)和气膜孔实际深度t′(38)，使用电火花打孔、电液束打孔、激光打孔工艺进行气膜孔的制孔过程。

2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S4具体操作如下：

S4.1、对于叶片实际结构数字孪生模型的获取，首先对叶片和夹具进行外形面的光学扫描，获得含叶片外部凹坑形面在内的一系列三维坐标点，并拟合出叶片外部轮廓，以及获得其在夹具坐标系内的绝对位置；然后对叶片和夹具再进行CT扫描，获得叶片内形特别是内腔中各凸肋形面的三维坐标点，并拟合出叶片内部轮廓，以及其在夹具坐标系内的绝对位置；对于通过两种方法得到的两套三维坐标点，首先依据它们在同一坐标系下的坐标，并以两者共有的外形面作为相互校验，再使用计算机编程语言，基于最小二乘法剔除异常噪点、捕捉定位特征点方式，最终生成了含有内外形面和外部凹坑、内部凸肋结构的叶片数字孪生模型；

S4.2、根据获得的实际叶片数字孪生模型，计算实际应该采用的打孔参数，并交付下一工序。

3.如权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S4.2，根据打孔机床的所用的数据格式和控制方法，对其提供的数据有以下两种方式：

1.实际绝对值，当机床未存储叶片打孔的理论参数时，将基于上述实际叶片的数字孪生模型所生成的全套打孔数据直接交付机床，包括：气膜孔实际外部点位P′(6)的三维坐标(x_外′,y_外′,z_外′)、气膜孔实际内部点位Q′(33)的三维坐标(x_内′,y_内′,z_内′)、两点连成获得的气膜孔实际轴线(34)、气膜孔实际深度t′(38)和与坐标系的实际夹角，供其进行制孔；

2.理论值+修正值，当机床已经储存原有气膜孔理论内部点位Q(30)的三维坐标理论值(x_内,y_内,z_内)，以及气膜孔理论外部点位P(2)的三维坐标的理论值(x_外,y_外,z_外)，只须将气膜孔内部点位坐标修正值(Δx_内,Δy_内,Δz_内)(36)与气膜孔外部点位坐标修正值(Δx_外,Δy_外,Δz_外)(37)作为坐标调整量交付给机床，让其自行修正得到气膜孔实际内部点位Q′(33)的坐标(x_内′,y_内′,z_内′)与气膜孔实际外部点位P′(6)的坐标(x_外′,y_外′,z_外′)，以及进一步计算得到气膜孔实际轴线(34)的位置，气膜孔实际深度t′(38)和与坐标系的实际夹角。

4.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的环形凸肋(13)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为60～90°，即孔倾斜方向近似为沿叶片径向，与燃气流动方向垂直，另外其气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ(17)为20～45°；由于冷却的需要，该类气膜孔通常沿径向、弦向排布十分密集，故单个环形凸肋与多个气膜孔相贯。

5.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的直凸肋(15)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为0～25°，即孔轴线方向近似水平，与燃气流动方向近似平行；每列中多个沿径向布置的这类气膜孔共用同一条直凸肋(15)。

6.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的蛇形凸肋(14)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为25～60°，即孔轴线方向倾斜，且倾斜程度位于前述两者之间；多个沿径向布置的这类气膜孔共用同一条蛇形凸肋(14)。

7.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的环形凸肋(13)、蛇形凸肋(14)、直凸肋(15)任一一种肋结构截面直径为圆滑凸肋截面理论直径φd₁(19)为1.5～2.5D；该凸肋结构凸出壁面的高度为圆滑凸肋凸起高度h(20)为0.2～0.8D；凸肋中心理论点位M(21)与气膜孔边缘之间的切向距离为圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L₁(22)为0.8D～1.8D，并以1.2D为宜。

8.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的位于气膜孔出口的半球形凹坑结构，其直径为半球形凹坑理论直径φd₂(24)为1.5～2.5D；该半球形凹坑凹进壁面的深度为半球形凹坑凹陷深度s(25)为0.2～0.8D；凹坑中心理论点位W(26)与气膜孔边缘之间的切向距离为半球形凹坑与气膜孔边切向距离L₂(27)为0.7D～1.3D；在壁面法向上观察，其与壁面相贯所形成的截线圆直径为半球形凹坑截线圆理论直径φd₃(28)，为1.1～2.5D。

9.如权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的凸肋中心理论点位M(21)与气膜孔边缘之间的切向距离为圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L₁(22)为以1.2D。

10.如权利要求8所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的凹坑中心理论点位W(26)与气膜孔边缘之间的切向距离为半球形凹坑与气膜孔边切向距离L₂(27)为D；叶片壁厚H(29)为0.8～3mm。