葉片型面數(shù)控加工精度與測(cè)量誤差分析

蘇輔軍，王呈，于菲

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110043)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面幾何形狀直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)效率和動(dòng)力性能，因此，成為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家十分關(guān)注的問題。近幾年來(lái)，生產(chǎn)廠家為滿足葉片設(shè)計(jì)要求，提高葉片型面的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，大量引進(jìn)了高精度五坐標(biāo)數(shù)控加工中心，有效地保證了葉片型面形狀加工的精度和發(fā)動(dòng)機(jī)研制的進(jìn)度要求。

但是，葉片型面的形狀誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求，需要通過測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行證實(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確主要取決于測(cè)量設(shè)備的精度、測(cè)量方法的選擇和測(cè)量人員的技術(shù)水平。目前，葉片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量設(shè)備主要有接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、非接觸式白光葉片測(cè)量機(jī)等等。本文就葉片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)五坐標(biāo)數(shù)控加工中心、樣板及其配套的測(cè)具、接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，分析葉片型面加工精度和葉片型面測(cè)量誤差，簡(jiǎn)要介紹與五坐標(biāo)數(shù)控加工中心相適應(yīng)的葉片型面測(cè)量新方法。

1 葉片加工誤差

葉片型面加工方法最初采用鑄造成型后修光法、石蠟精密鑄造法、電火花加工法、三坐標(biāo)仿形銑削法［1］，隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷推出四軸、五軸及以上多軸數(shù)控加工中心，并被廣泛應(yīng)用于葉片型面加工領(lǐng)域，大大提高了葉型加工精度和效率。

由于加工設(shè)備、刀具、環(huán)境等各種因素不能處于理想狀態(tài)，往往會(huì)造成葉片型面的加工誤差，其中加工設(shè)備的精度是造成加工誤差的主要原因，基本可代表葉片整個(gè)加工過程的誤差狀態(tài)?，F(xiàn)以C.B.Ferrari A17 五坐標(biāo)數(shù)控加工中心精銑某葉片(如圖1所示)葉身型面為例，計(jì)算葉片型面加工誤差。

加工設(shè)備工作行程:X≥800 mm，Y≥400 mm，Z≥400 mm;A 軸360°;B 軸±50°;定位誤差(X，Y，Z 軸，全行程)≤0.008 mm;重復(fù)定位誤差(X，Y，Z 軸，全行程)≤0.005 mm，A，B 軸旋轉(zhuǎn)角度定位誤差≤0.002°。設(shè)葉片型面誤差為δ，則理論計(jì)算值為

圖1 葉片簡(jiǎn)圖

式中:葉身高度H=100 mm;弦長(zhǎng)b=50 mm;垂直于弦方向的寬度c=40 mm;工作臺(tái)面到葉尖的距離S=200 mm。通過計(jì)算可知采用C.B.Ferrari A17 五坐標(biāo)數(shù)控加工中心加工圖1所示葉片的型面誤差為7μm，型面加工精度比較高。

2 樣板和測(cè)具測(cè)量誤差分析

2.1 樣板和測(cè)具

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)葉片型面的主要手段之一仍然是樣板及其配套的測(cè)具，如圖2所示。

葉背和葉盆樣板，其型面理論值用x 表示，給定公差為y=±0.01 mm ;葉片測(cè)具梳板銷距基準(zhǔn)的定位公差為±0.05 mm。

2.2 測(cè)量方法

將葉片裝夾在測(cè)具上，按照葉身型面圖紙給定的截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…的型面，選擇對(duì)應(yīng)截面的葉盆葉背樣板，使其與測(cè)具上對(duì)應(yīng)的梳板貼合，并使樣板刃口與被測(cè)葉片葉型自然接觸(不能用力推壓)，目視和借助塞尺檢查葉身型面樣板刃口的間隙(葉身型面各樣板肋下間隙為0)，以此判斷葉型是否合格，如圖2。

2.3 誤差分析與計(jì)算

2.3.1 梳板定位公差的影響

梳板定位公差影響被檢測(cè)截面的理論正確位置，使檢測(cè)截面偏離理論正確截面，由此引起的型面測(cè)量誤差δ梳板。

以某葉片為例，使用插值計(jì)算法計(jì)算梳板實(shí)際位置偏離理論位置所引起的葉片型面測(cè)量誤差。

圖2 葉片樣板與測(cè)具

已知測(cè)具圖紙給出的梳板定位公差為±0.05 mm，Ⅳ截面理論位置是(15.15±0.05)mm，在Ⅳ截面上任意取一點(diǎn)A(x=57.94 mm，y=49.69 mm)，對(duì)應(yīng)Ⅴ截面的某點(diǎn)坐標(biāo)B(x=57.87 mm，y=49.86 mm)，計(jì)算測(cè)具的定位公差引起的型面測(cè)量誤差，見表1。Ⅴ截面理論位置(20.15±0.05)mm，假設(shè)Ⅳ截面偏離+0.05 mm、Ⅴ截面理論設(shè)計(jì)位置值為20.15 mm，梳板實(shí)際位置值為15.20 mm，坐標(biāo)點(diǎn)為A1(x1，y1)，則

表1 點(diǎn)A1插值計(jì)算 mm

型面測(cè)量誤差

δ梳板=49.6917-49.69 ≈2(μm)

2.3.2 樣板型面公差的影響

樣板型面作為檢測(cè)葉片型面的標(biāo)準(zhǔn)型線，其公差直接影響標(biāo)準(zhǔn)型線的形狀，引起葉片型面的測(cè)量誤差為δ樣板。

樣板型面設(shè)計(jì)圖給出型線上任意點(diǎn)x 坐標(biāo)處于理論正確位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)的y 坐標(biāo)公差為±0.01 mm，即由此引起的誤差為

δ樣板=10 μm

2.3.3 積疊軸與測(cè)具基準(zhǔn)軸線不重合帶來(lái)的誤差

葉片測(cè)具6 點(diǎn)定位［2］實(shí)際積疊軸與測(cè)具基準(zhǔn)軸線不重合形成一定的角度，增大了樣板與葉型間隙，造成測(cè)量誤差δ積疊軸。

實(shí)際積疊軸與測(cè)具基準(zhǔn)軸線的角度方向是難以確認(rèn)的，分析起來(lái)比較復(fù)雜，因此，這里假設(shè)在水平方向上實(shí)際積疊軸與測(cè)具基準(zhǔn)軸線的角度為10'，葉身長(zhǎng)度為100 mm，則由此引起的誤差為

δ積疊軸=100×sin10'=2.9(μm)

2.3.4 目視分辨誤差

正常人能夠分辨靠近的兩個(gè)物點(diǎn)的極限值，即眼睛分辨力ε=1'，明視距離L=250 mm，對(duì)線誤差Δ=ε/6，在正常照度下的目視分辨縫隙誤差δ目視為

總誤差

3 存在的問題

通過上述計(jì)算，我們得到:測(cè)具和樣板測(cè)量方法總誤差為0.016 mm，五坐標(biāo)數(shù)控銑床加工葉片型面的加工誤差為0.007 mm，測(cè)量誤差＞加工誤差，表明選擇這種測(cè)量手段和方法不能反應(yīng)五坐標(biāo)數(shù)控銑床加工誤差的實(shí)際技術(shù)狀態(tài)，容易產(chǎn)生誤判，這種測(cè)量屬于無(wú)效測(cè)量過程。

4 結(jié)束語(yǔ)

葉片型面測(cè)量設(shè)備和方法應(yīng)當(dāng)隨著加工設(shè)備技術(shù)水平的提高而采取相應(yīng)的變化，以適應(yīng)科研生產(chǎn)對(duì)測(cè)量技術(shù)的新要求。標(biāo)準(zhǔn)樣板法最早是用于葉片成品檢測(cè)的方法，它具有檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、便于現(xiàn)場(chǎng)使用等優(yōu)點(diǎn)，但由于測(cè)量誤差為0.1 mm ～0.5 mm［3］，已不適應(yīng)五坐標(biāo)加工葉片型面對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求。因此，應(yīng)當(dāng)采取數(shù)字化的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，如具有掃描測(cè)量功能的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三維光學(xué)快速掃描測(cè)量機(jī)、白光葉片測(cè)量機(jī)等等，借用這些數(shù)字化掃描測(cè)量手段和blade 葉片評(píng)價(jià)軟件，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的數(shù)字化測(cè)量與評(píng)價(jià)。

［1］吳小虎，葉片型面數(shù)控加工誤差分析與修正方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［2］孫海麗，錢寶娟，鄭松.淺談精鑄渦輪葉片綜合檢測(cè)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(18):106.

［3］陸佳艷，熊昌友，何小妹，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面測(cè)量方法評(píng)述［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29(3):1-3.