航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片葉尖損傷修復(fù)自適應(yīng)加工技術(shù)研究與應(yīng)用

吳志新 昂給拉瑪 張 云 劉德健

(①中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043；②北方工業(yè)大學(xué)，北京 100041；③北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的動力核心，在航發(fā)的各組成部件中，渦輪工作葉片的功能使命及其工作特點(diǎn)決定了它在航空發(fā)動機(jī)中是受力惡劣、承載最大的轉(zhuǎn)動部件之一[1]，這也造成渦輪工作葉片常見失效破損。其中，裂紋失效出現(xiàn)的概率最高，其危害也最大，主要為離心力疊加彎曲應(yīng)力引起的疲勞裂紋、振動環(huán)境引起的顫振疲勞裂紋以及有環(huán)境介質(zhì)引起的腐蝕損傷導(dǎo)致的高溫疲勞裂紋[2]?，F(xiàn)階段，為了降低發(fā)動機(jī)使用成本，對損傷渦輪工作葉片的再制造修復(fù)有著極其重大的意義[3]。

20世紀(jì)70年代末，美、英等國就在軍/民用噴氣發(fā)動機(jī)葉片部件修復(fù)技術(shù)的研究中投入了巨額資金。至今，損傷葉片的再制造修復(fù)技術(shù)仍被國外壟斷[4]，如MTU、Chromalloy等國外著名發(fā)動機(jī)制造和維修企業(yè)大都采用激光熔覆結(jié)合自適應(yīng)磨拋加工，葉片修復(fù)后有良好的精度和性能[5]。而國內(nèi)航空公司和發(fā)動機(jī)制造廠由于缺少葉片部件的修復(fù)技術(shù)，或是直接按葉片報(bào)廢處理或是依賴國外技術(shù)資源進(jìn)行維修，價(jià)格昂貴，進(jìn)度很慢，頗受制約與限制[6]。

在渦輪葉片修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)中，自適應(yīng)加工技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)破損邊界光滑搭接與修復(fù)區(qū)域高精度成形的有效手段，得到了眾多研究人員的重視。英國TTL公司通過接觸式的測量方法，獲取葉片截面線的信息并利用測得的截面線輪廓信息通過沿Z向偏置完成葉尖磨損區(qū)域的模型重構(gòu)，并生成去除熔覆層的加工代碼[7]。英國Delcam公司針對渦輪葉片葉尖修復(fù)提出在機(jī)測量完成模型重構(gòu)方式[8]，通過在機(jī)測量減少了定位誤差累積問題；利用接觸式測量方式獲取熔覆層附近的兩個橫截面數(shù)據(jù)，計(jì)算出該直紋葉片葉尖的磨損的待修復(fù)幾何模型，從而進(jìn)行磨削加工完成了整個修復(fù)過程。丁華鵬[9]基于灰色系統(tǒng)理論，預(yù)測了損傷區(qū)域葉型中弧線和厚度，進(jìn)而重構(gòu)完整的葉片模型，然后通過布爾求差得到修復(fù)缺損模型，從而獲得了一定的修復(fù)效果。HouF[10]等提出了一種葉片葉身自適應(yīng)的修復(fù)方法，包括焊接表面建模以及目標(biāo)修復(fù)曲面的優(yōu)化建模，并最后用仿真證明該修復(fù)方法的有效性。Zhang X[11]等提出了一種發(fā)動機(jī)葉片自動化損傷區(qū)域修復(fù)方案，直接通過材料熔覆成型，與傳統(tǒng)的修復(fù)工藝方法相比，有一定的創(chuàng)新性，但針對復(fù)雜型面渦輪葉片存在一定難度。

上述研究表明，航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù)是國內(nèi)外航空領(lǐng)域研究的一個熱點(diǎn)。在修復(fù)的機(jī)加工領(lǐng)域，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域與非破損區(qū)域之間的光滑搭接，以及修復(fù)后的高精度成形。因此，本文在上述修復(fù)研究的基礎(chǔ)上，以破損渦輪工作葉片為例，開展葉尖損傷修復(fù)的自適應(yīng)加工技術(shù)應(yīng)用研究，保證修復(fù)后葉片的加工區(qū)域與非加工區(qū)域能實(shí)現(xiàn)光滑過渡搭接，且整體修復(fù)型面滿足修復(fù)葉片的最終公差要求。

1 葉片葉尖損傷修復(fù)工藝性分析

圖1為典型渦輪工作葉片葉尖裂紋缺陷，由此提出一種航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片葉尖損傷再制造修復(fù)方法，建立一套葉尖損傷部位去除—熔焊堆積焊料(如圖2所示)—葉片點(diǎn)云獲取—葉片數(shù)字化模型重建—葉片自適應(yīng)加工的再制造修復(fù)解決方案，實(shí)現(xiàn)葉片幾何尺寸精度的自適應(yīng)修復(fù)與性能恢復(fù)。修復(fù)后的葉片質(zhì)量與性能滿足設(shè)計(jì)要求，可用于修理現(xiàn)場實(shí)時(shí)修復(fù)，為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)破損構(gòu)件批量修復(fù)加工提供了一種有效解決方法。

1.1 工藝難點(diǎn)分析

由于鑄造精度的問題，葉片成品與理論設(shè)計(jì)模型存在個體差異。葉片輪廓尺寸在新品狀態(tài)形成，在使用一個工作周期后，又會產(chǎn)生不同程度的變形及缺陷，由于被加工對象個性化，如若按照設(shè)計(jì)圖理論尺寸修復(fù)加工，將破壞原有葉片的形狀精度，如若每件加工時(shí)都需按照CAD模型重新生成一套加工代碼，則大大影響零件整個加工周期。

葉尖部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉尖下部2～3 mm處有凸臺和蓋板，后緣尾縫最狹窄處寬度僅為0.5 mm。葉片是內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，葉身型面分布多排氣膜孔，切屑易進(jìn)入內(nèi)腔及氣膜孔，難于清理。

1.2 主要技術(shù)要求

(1)葉尖修復(fù)加工后，內(nèi)、外曲面輪廓形狀符合設(shè)計(jì)圖，與原基體葉型連接光滑過渡。

(2)保證葉尖后緣尾縫處沿葉型最小壁厚0.41 mm，其余部位沿葉型最小壁厚0.51 mm(如圖3所示)。

(3)保證葉片高度尺寸。

(4)粗糙度不大于Ra0.8 μm。

(5)內(nèi)腔及氣膜孔不允許殘留切屑及其他雜質(zhì)。

(6)熒光檢查修復(fù)區(qū)域，無裂紋、夾雜等，按熒光檢測標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 葉片葉尖損傷修復(fù)自適應(yīng)加工技術(shù)

自適應(yīng)技術(shù)是為了滿足某些特殊領(lǐng)域的需求而發(fā)展起來的一項(xiàng)新的綜合集成應(yīng)用技術(shù)，它在多種加工技術(shù)領(lǐng)域都有應(yīng)用。自適應(yīng)加工技術(shù)是保證產(chǎn)品最終外型尺寸的閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。它的運(yùn)行機(jī)理是通過在線的測量加工區(qū)域，工件裝夾位置等，了解零件的余量分布及彈性變形，計(jì)算出目標(biāo)曲面，透過對理論模型和路徑接觸點(diǎn)進(jìn)行比對，重新自動生成運(yùn)動軌跡，確保加工出的零件與設(shè)計(jì)相符。自適應(yīng)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件可以反傳回質(zhì)量控制管理系統(tǒng)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫可以進(jìn)行輸出。自適應(yīng)加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于葉盤、葉輪、葉片、機(jī)匣、輻板、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料及飛機(jī)部裝零部件等的自適應(yīng)制造及維修，在設(shè)備支持上支持銑削、磨削、激光熔覆、激光打孔、機(jī)器人打磨、等離子處理和增材等應(yīng)用。

2.1 自適應(yīng)加工技術(shù)路線

針對渦輪工作葉片葉尖修復(fù)工藝的難點(diǎn)，即：每片修復(fù)的葉片的變形不一致，裝夾的位置、角向不同，原有精鑄精度的問題，諸如以上的實(shí)際問題都可以通過自適應(yīng)加工技術(shù)快速地在線檢測每一件待加工零件或部位，了解實(shí)際形狀及位置分布，然后系統(tǒng)通過測量的數(shù)據(jù)，重新構(gòu)造與設(shè)計(jì)相符的目標(biāo)數(shù)模，生成唯一的個性化路徑軌跡以滿足產(chǎn)品制造，最終與設(shè)計(jì)、實(shí)物相符。

自適應(yīng)加工技術(shù)路線如圖4所示。

2.2 CAD模型數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)

由于被加工對象毛坯個性化特征，重構(gòu)出的CAD模型缺乏規(guī)則的基準(zhǔn)平面找到其坐標(biāo)系統(tǒng)，需要采用配準(zhǔn)技術(shù)找正其坐標(biāo)系統(tǒng)?？臻g兩點(diǎn)集即理論模型X{xi}和被加工對象測量信息P{pi}，將P點(diǎn)集經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移使其與X點(diǎn)集的距離最小，建立測量信息P{pi}和理論模型信息X{xi}之間的空間變換關(guān)系，所述空間變換關(guān)系包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。再采用最近點(diǎn)配對的方法，將P中每一個點(diǎn)，都在X中尋找一個與其距離最近的點(diǎn)配對，形成新的點(diǎn)集X’，如圖5所示。

計(jì)算公式如下：

奇異值分解：W=V·∑·UT

計(jì)算旋轉(zhuǎn)R矩陣：R=U·VT

旋轉(zhuǎn)P矩陣：

P=R·P

求解平移T矩陣：

T=μX-R·μP

一次迭代：

P=R·P+T

3 葉片葉尖損傷修復(fù)自適應(yīng)加工技術(shù)驗(yàn)證

自適應(yīng)加工系統(tǒng)包括自適應(yīng)加工軟件和機(jī)床、刀具等硬件系統(tǒng)，二者的集成是最終實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工的關(guān)鍵。在某型號高壓渦輪工作葉片修理工作中，采用自適應(yīng)加工系統(tǒng)開展葉片的修復(fù)加工，并完成多臺發(fā)動機(jī)葉片的修復(fù)加工與應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)步驟

步驟1：待修復(fù)葉片葉尖損傷區(qū)域經(jīng)過融覆、堆焊方式填充后，通過在機(jī)檢測獲取葉尖損傷鄰近區(qū)域的測量信息。

步驟 2：獲取葉片葉尖修復(fù)前的理論模型信息。

步驟3：用數(shù)據(jù)配準(zhǔn)建立測量信息和理論模型信息之間的空間變換關(guān)系(空間變換關(guān)系包括旋轉(zhuǎn)和平移)，得出旋轉(zhuǎn)和平移修正量，即最佳擬合后的旋轉(zhuǎn)和平移量。

步驟4：依據(jù)理論模型信息生成加工刀位軌跡CLSF文件， CLSF文件中的理論刀位點(diǎn)、理論刀軸矢量，根據(jù)步驟3得出的在XYZ方向修正量，生成修正后的刀位點(diǎn)和刀軸矢量。

步驟5：利用修正后的刀軌，進(jìn)行渦輪葉片葉尖損傷區(qū)域的磨削、拋光加工，從而實(shí)現(xiàn)精密葉尖的完整修復(fù)。

如圖6所示，采用RMP40測頭，φ6 mm測球在線檢測，在葉尖鄰近的2條截面各優(yōu)化獲得12個測量點(diǎn)，產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)文件可以反傳回電腦軟件系統(tǒng)，并依據(jù)測量數(shù)據(jù)在UG中自動生成加工模型。

試驗(yàn)采用三軸立式加工中心，葉片通過快換工裝托盤垂直懸臂安裝于工作臺，便于后續(xù)過程中機(jī)加工與特征加工重復(fù)裝夾精度。如圖7所示。

生成的加工刀位軌跡CLSF文件如圖8所示。

3.2 內(nèi)腔及氣膜孔保護(hù)

試驗(yàn)過程中，對于內(nèi)腔及氣膜孔不允許殘留切屑及其他雜質(zhì)的技術(shù)要求，工藝試驗(yàn)過程中對葉片內(nèi)腔及多排氣膜孔進(jìn)行了保護(hù)。本次技術(shù)研究采用的是功能膠，將內(nèi)腔及氣膜孔密封，達(dá)到了孔的保護(hù)作用。據(jù)了解，國外此類葉片修復(fù)時(shí)，空腔及氣膜孔保護(hù)，采用一種液體狀的“多功能環(huán)氧樹脂油灰膠”，冷卻后凝固，達(dá)到保護(hù)作用。對其加熱至100 ℃以上即溶化，變成“灰”，可吹掉，也可采用超聲波清洗去除掉，小孔內(nèi)也無殘留。在后續(xù)批量工程化應(yīng)用中，空腔及小孔的保護(hù)、清理將尤為重要，需繼續(xù)尋找更適當(dāng)?shù)姆绞椒乐骨行技半s質(zhì)的進(jìn)入。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過對修復(fù)后的渦輪工作葉片葉尖型面進(jìn)行測量，如圖9所示，形狀符合工藝技術(shù)要求。從外觀檢查可以看到，葉片修復(fù)區(qū)域與原有型面經(jīng)自適應(yīng)拋光后轉(zhuǎn)接光滑過渡，如圖10所示。內(nèi)外腔的壁厚合格，表面粗糙度達(dá)Ra0.8 μm以下，其他技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了工藝要求。通過熒光檢查，機(jī)加的過程并沒有造成新的裂紋等缺陷。

4 結(jié)語

本次渦輪工作葉片葉尖損傷修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用，提供現(xiàn)有設(shè)備單機(jī)的解決方案及工藝流程，自適應(yīng)功能得到完整的應(yīng)用與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)葉型與前、后緣的平滑轉(zhuǎn)接，確保品質(zhì)的穩(wěn)定，無需復(fù)雜的曲面重構(gòu)，大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率，可用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)修復(fù)，單片葉片修復(fù)時(shí)間小于0.5 h，快速實(shí)現(xiàn)低成本的再生制造，延長渦輪葉片的使用壽命。

未來將會有大批量航空發(fā)動機(jī)葉片的修復(fù)需求，葉片故障區(qū)域結(jié)構(gòu)也會更加復(fù)雜，快速實(shí)現(xiàn)低成本的再生制造，需要跨越數(shù)字化、自動化和智能化3個臺階，要建立葉片修復(fù)與再制造智能化生產(chǎn)線及全流程技術(shù)體系。葉片修復(fù)技術(shù)也需要多專業(yè)的融合，如葉片缺陷智能識別技術(shù)，線激光高效在線測量技術(shù)，激光熔覆(焊)與機(jī)加復(fù)合機(jī)床研制與應(yīng)用技術(shù)，增材制造技術(shù)等，使葉片修復(fù)系統(tǒng)具有自適應(yīng)、自修復(fù)的高效率修理能力。