自適應加工技術在整體葉盤制造中的應用 - 圖文-

1、大飛機發(fā)動機關鍵技術Key Technology of Aeroengine for Large Commercial Aircraft 2008 年第13 期航空制造技術51作為大型飛機的心臟,大推力高涵道比渦扇發(fā)動機普遍采用了復合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤、整體葉環(huán)、單晶葉片等先進技術。為確保我國大飛機研制的順利進行,必須采用先進的理論和方法突破上述關鍵零部件制造難題。自適應加工技術在整體葉盤制造中的應用Application of Adaptive Machining Technology in Blisk Manufacturing西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實

2、驗室 張定華 張 瑩 吳寶海 李 山 張莎莎自適應加工技術通過數(shù)控加工過程中加工區(qū)域提取、工件裝夾定位、余量優(yōu)化和變形誤差的自適應控制,實現(xiàn)大飛機發(fā)動機整體葉盤的高效精密加工。它不僅能應用于整體葉盤復合制造工藝流程中的精密數(shù)控加工,還適合于葉盤、葉片類零件的修復及再制造加工,同時也是提高傳統(tǒng)粗加工-半精加工-精加工效率和精度的有效方法。張定華西北工業(yè)大學機電學院院長,現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室主任,教授,博士生導師,主要研究方向為高速切削工藝、多坐標數(shù)控加工理論、葉片葉盤類零件的高效精密數(shù)控加工及無損檢測等。自適應加工技術不僅能用于大飛機發(fā)動機整體葉盤復合制造工藝流程中的精密數(shù)控加

3、工,還適用于先進葉片、葉盤類零件的修復及再制造加工,同時也是提高傳統(tǒng)數(shù)控加工精度和效率的有效方法。本文以大型飛機發(fā)動機整體葉盤為研究對象,結合其結構工藝特點和目前西北工業(yè)大學已經開展的研究工作,討論自適應加工技術在整體葉盤生產和修復中的應用及其相關的關鍵技術。整體葉盤的結構特點及制造工藝整體葉盤是20世紀80年代中期西方發(fā)達國家在航空發(fā)動機設計中采用的最新的結構和氣動布局形式。它將葉片和輪盤設計成一個整體的結構,省去了傳統(tǒng)連接需要的榫頭、榫槽和鎖緊裝置,減少了結構重量和零件數(shù)量,還避免了榫頭氣流損失,使發(fā)動機結構大為簡化。同時,整體葉盤在氣動布局上采用了新的寬弦、彎掠葉片和窄流道,從而進一步提

4、高了氣動效率。據國外報道,采用整體葉盤結構可使發(fā)動機重量減輕20%30%,效率提高5%10%,零件數(shù)量減少50%以上。因此,整體葉盤在先進發(fā)動機上得到了廣泛應用。與上述優(yōu)點相對應,航空發(fā)動機FORUM 論壇52航空制造技術2008年第13 期綜合目前整體葉盤的制造方法可以看出,線性摩擦焊接方法具有節(jié)省材料、減少加工時間、綜合性能高等優(yōu)點,是目前最為理想的整體葉盤加工及修復的方法。就其實現(xiàn)過程而言,線性摩擦焊技術得到的是相當于已完成粗加工的毛坯,最后的精加工過程仍然需要五軸數(shù)控加工的方法實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比,這種復合工藝的顯著優(yōu)點在于可以節(jié)省大量的貴重金屬,加工效率大幅提高。線性摩擦焊

5、技術還可以將兩種不同的材料焊接在一起,這樣可以根據葉片和輪轂工作條件的不同選擇相應的材料,轉子性能及重量可進一步優(yōu)化。另外,與常規(guī)結構不同的是,整體葉盤應用面臨的一大難題是葉盤的修復問題。由于發(fā)動機使用過程中不可避免地會遇到一些外物,特別是鳥打傷葉片的情況,采用常規(guī)的設計可以輕易地更換損傷的葉片,而整體葉盤這種結構卻不能簡單地更換葉片。因此如果沒有方便而適用的損壞葉片修復方法,整體葉盤的應用就會受到限制。而利用線性摩擦焊技術,可以將損壞的葉片切去后再焊上新葉片,從而實現(xiàn)對被損壞葉片的修復。無論是整體葉盤的加工還是修復,線性摩擦焊過程相當于完成零件的粗加工過程,而更嚴格的加工精度、形狀、位置要求

6、需要最終的數(shù)控加工手段來保證。因此,研究如何在整體葉盤線性摩擦焊結果的基礎上實現(xiàn)高效、高精和自動的數(shù)控加工成為航空領域的一項重要課題。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝相比,前期焊接工藝對后期數(shù)控加工過程的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1由于焊接精度和裝夾方式改變的影響,導致整體葉盤焊接毛坯的數(shù)控加工基準可能發(fā)生變化。(2焊接變形的影響使得不同葉片的變形程度與變形結果均存在差異,葉片焊接結果的一致性差,導致焊接毛坯數(shù)控加工過程定位困難和余量分布不均勻,從而影響整個葉盤的加工精度。(3在整體葉盤修復中,由于葉片零件的部分缺失,必須通過對已有模型的重構和延拓實現(xiàn)對缺失部分模型的重建。同時,葉盤在經過長時間運行后

7、,其葉片的實際形狀與理論模型之間存在差異,在重建缺失部分模型的過程中還必須充分考慮葉片實際模型與理論模型之間的變形,實現(xiàn)葉片修復部分與已有部分的光滑過渡。(4為滿足整體葉盤加工及修復的高精度要求,數(shù)控加工過程中必須考慮前期變形(如焊接變形和葉盤運行導致的葉片形狀變化和數(shù)控加工變形的綜合影響,并實現(xiàn)綜合補整體葉盤自適應加工系統(tǒng)整體葉盤焊接毛坯模型重構整體葉盤修復毛坯模型重構與延拓數(shù)字化檢測自適應工藝模型建模整體葉盤自適應加工數(shù)控加工刀具軌跡綜合誤差補償加工區(qū)域模型余量優(yōu)化模型工藝變形模型質量檢測模型變形誤差補償加工實驗位移場分析整整體葉盤的制造工藝面臨著非常嚴峻的挑戰(zhàn)。由于整體葉盤結構復雜,加工

8、精度要求高,葉片型面為空間自由曲面,形狀復雜且通道開敞性差,而且為適應高溫、高壓、高轉速的工作條件,整體葉盤廣泛采用鈦合金、粉末高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物等先進復合材料,材料的可加工性差,造成整體葉盤的綜合制造技術成為世界級的技術難題。目前,整體葉盤制造主要采用幾種復合制造工藝:精鍛毛坯+精密數(shù)控加工;焊接毛坯+精密數(shù)控加工;高溫合金整體精鑄毛坯+熱等靜壓處理等。利用五坐標數(shù)控加工中心實現(xiàn)整體葉盤加工是目前航空發(fā)動機風扇及壓氣機整體葉盤研制的主要方法之一,其關鍵是需要解決數(shù)控編程中的通道五軸加工方式的確定、多約束加工干涉和復雜的刀軸矢量計算等技術問題,以及加工過程中的切削參數(shù)確

9、定、顫振抑制、弱剛性系統(tǒng)變形控制等工藝問題。這種加工方法的顯著優(yōu)點是加工設備簡單、精度高;缺點在于加工過程中要切削大量金屬,加工效率低、周期長、成本高,因此不適于大型及超大型風扇的加工。近年來,隨著摩擦焊技術的迅速發(fā)展,線性摩擦焊技術已經應用于羅羅、普惠等國外先進航空發(fā)動機制造廠家的整體葉盤加工中。采用線性摩擦焊加工整體葉盤時,首先分別加工單個葉片和輪轂,輪轂的輪緣處已作好連接葉片的凸座,而葉片根部作有較厚的裙邊;第二步將葉片緊壓在輪盤輪緣的凸座上,使其高頻振蕩,造成葉片底部表面與凸座表面間高速摩擦,產生足以使兩者之間原子相互移動所需的高溫,然后停止振蕩并保持將葉片緊壓在輪轂輪緣上,直到兩者結

10、合成一體為止;最后采用五坐標數(shù)控加工的方式將多余材料銑掉。 償?？梢钥闯?與傳統(tǒng)數(shù)控加工整體葉盤不同的是,焊接毛坯+數(shù)控加工這種復合制造工藝背景下整體葉盤的數(shù)控加工基準、余量分布、軌跡規(guī)劃及變形誤差補償?shù)染蕾囉谌~盤毛坯的實際結果。因此,利用數(shù)字化檢測的手段對實際的葉盤毛坯進行快速測量和重構,并進一步實現(xiàn)數(shù)字化測量-模型重構-數(shù)控加工一體化的集成加工,是提高大飛機發(fā)動機整體葉盤的制造精度、加工效率和自動化水平的關鍵核心技術,這就是整體葉盤的自適應加工技術。自適應加工技術的應用現(xiàn)狀及系統(tǒng)框架自適應加工技術實現(xiàn)了數(shù)字化檢測、模型重構及配準、裝夾定位及余量優(yōu)化、數(shù)控加工等數(shù)字化制造領域多項技術的有機

11、集成,是整體葉盤復合制造工藝背景下的一種系統(tǒng)解決方案。隨著數(shù)字化檢測技術的不斷發(fā)展,其檢測精度與速度已經能夠滿足現(xiàn)代生產流水線的需求,這為自適應加工技術的研究和應用創(chuàng)造了必備條件?；诿鞯膶嶋H檢測結果,通過模型重構來自動優(yōu)化零件數(shù)控加工過程的裝夾定位、余量分布和加工軌跡規(guī)劃,并實現(xiàn)工藝變形和加工變形的綜合補償是整體葉盤自適應加工的本質所在。自適應加工技術不但涵蓋了傳統(tǒng)數(shù)控加工中的C A D/ C A M技術、多軸數(shù)控編程技術,還涉及到數(shù)字化檢測、逆向工程等多項相關技術,成為目前先進制造技術研究與應用中不可缺少的一部分。近年來,國內外針對自適應加工技術在航空發(fā)動機制造中的應用開展了不同層次的研

12、究工作。美國G E公司通過實時監(jiān)測加工過程,利用后置處理器修改加工程序,完成了復雜鑄件的自適應加工。英國D e l c a m公司利用自適應加工的思想通過對未知毛坯的在線測量,判斷毛坯形狀和余量分布,并自動計算零件的最優(yōu)裝夾方位。大飛機航空發(fā)動機的研發(fā)將更加注重其設計、制造和維護過程中的可靠性、經濟性和可維修性。因此,在大型客機及運輸機發(fā)動機的設計制造過程中,自適應加工技術越來越多地應用到大型葉片及整體葉盤的修復加工中,其典型應用案例是歐盟第六框架下優(yōu)先發(fā)展的航空空間項目航空發(fā)動機渦輪部件的自動化修復系統(tǒng)(AROSATEC,該系統(tǒng)集成了德國BCT公司的自適應加工技術,改進部件修復過程,現(xiàn)已應用

13、于德國的M T U公司及愛爾蘭的SIFCO公司的葉片修復生產。在國內,整體葉盤及線性摩擦焊技術的工程應用尚處于起步階段。西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室在整體葉盤的五軸數(shù)控加工方面開展了大量的研究工作,積累了豐富的經驗。不僅實現(xiàn)了整體葉盤冷加工的技術跨越,綜合技術達到國際先進水平;而且,從“十五”計劃開始,實驗室在自然科學基金、航空基金等的支持下,同時開展了整體葉盤摩擦焊接裝備及相關工藝的研究,在部分理論及技術方面的研究取得了重要進展。為盡快突破整體葉盤高效加工中的關鍵技術,實現(xiàn)整體FORUM論壇54航空制造技術2008 年第13 期葉盤的工程化生產,實驗室在自適應加工方面也

14、已開展了預先研究工作。本文針對實驗室開發(fā)的整體葉盤自適應加工系統(tǒng)的構成及涉及的若干關鍵技術進行簡要介紹。整體葉盤自適應加工系統(tǒng)主要有3個基本模塊:一是數(shù)字化檢測模塊,測量當前加工零件的幾何信息;二是自適應工藝模型建模模塊,其主要功能不僅包括數(shù)控加工區(qū)域模型的建立,還包括余量優(yōu)化模型、工藝變形模型以及質量檢測模型的建立;三是自適應加工模塊,目的是生成數(shù)控加工綜合誤差補償?shù)牡毒哕壽E。自適應加工系統(tǒng)3個模塊相互聯(lián)系,通過文件的傳遞轉換相互作用。其中,基于數(shù)字化檢測的自適應工藝模型是自適應加工的基礎。自適應工藝模型是描述加工零件加工區(qū)域、裝夾方位、余量分布、變形控制和質量檢測的統(tǒng)一模型。按照加工零件和

15、工藝流程的不同,自適應工藝模型存在不同的表達形式,包括測量點集、三角網格、曲面特征、參數(shù)模型等,但都與加工零件的當前方位和形狀相適應。根據自適應工藝模型規(guī)劃加工軌跡,可實現(xiàn)整體葉盤的高效精密數(shù)控加工。自適應加工系統(tǒng)涉及的關鍵技術自適應加工系統(tǒng)是集數(shù)字化檢測、自適應工藝建模、自適應加工于一體的整體葉盤復合制造工藝系統(tǒng)解決方案。在模型重構的基礎上,通過分析、優(yōu)化、變形等操作建立自適應工藝模型,可實現(xiàn)整體葉盤快速裝夾和變形控制的高效精密數(shù)控加工,該系統(tǒng)涉及的關鍵技術主要有以下幾方面:1模型重構與分析方法模型重構與分析方法是自適應工藝模型建立的基本方法,用于整體葉盤的修復毛坯加工和質量檢測。其中,快速

16、精確地提取數(shù)控加工區(qū)域邊界是整體葉盤葉片修復的關鍵技術問題。目前,加工區(qū)域模型的建立主要有兩種方法:一種是直接對比測量點集與理論模型,建立毛坯誤差分布,提取待加工區(qū)域邊界;另一種是根據數(shù)字化檢測結果,先采用逆向工程中模型重構的方法建立待加工零件的無缺陷模型,再與檢測結果對比,建立重構的模型誤差分布,提取加工區(qū)域邊界。2 工件定位與余量優(yōu)化技術整體葉盤焊接毛坯由于形狀復雜,裝夾調整困難,采用一般夾具往往難以保證裝夾和定位精度,而設計專用夾具則會導致成本高、周期長等問題。通常初步定位和夾緊后,利用機床檢測功能來找正工件位置,并同時實現(xiàn)加工余量的優(yōu)化分配。根據余量分布的不同,工件快速裝夾主要有兩種方

17、式:一是針對整體葉盤的部分結構或區(qū)域加工,而其他部分可能已完成了加工或不需要加工,如葉片的葉尖修復加工或葉盤過渡區(qū)域加工等,為了保證加工的一致性,通過提取若干定位特征點計算坐標變換矩陣,實現(xiàn)整體葉盤的快速定位。此時的定位方法與數(shù)字化檢測中的配準方法相同。二是針對帶余量的整體葉盤焊接毛坯加工,關鍵是找出加工坐標系和設計坐標系之間的坐標變換關系,通過迭代計算毛坯模型的測量點和數(shù)字設計模型的對應點之間的剛體變換來解決。但是,焊接變形引起各個葉片的變形均存在差異,在保證焊接毛坯和設計模型方位配準的同時,還必須增加“單個葉片余量分布盡可能均勻”的約束條件,這在一定程度上增加了優(yōu)化求解算法的難度,并且還可

18、能不存在最優(yōu)解。因此,本文提出基于軸對稱原則的整體葉盤余量優(yōu)化算法。在帶約束遺傳算法求解的基礎上,建立余量優(yōu)化自適應工藝模型,實現(xiàn)整體葉盤的快速裝夾和精密數(shù)控加工。設焊接整體葉盤毛坯的測量點集P =P 1,P 2,P n ,記設計坐標系中整體葉盤理論模型為M ,其中包含了N 個葉片,自適應工藝模型建立算法主要過程如下:(1建立疊加加工變形誤差補償?shù)恼w葉盤模型M ;(2以測量點集P 與整體葉盤模型M 實現(xiàn)方位配準,若存在最優(yōu)解,通過模型M 坐標變換建立自適應工藝模型M *1,退出;若不存在最優(yōu)解,轉到下一步;(3按照軸對稱原則提取整體葉盤部分模型M 12,M 22,并同時劃分測量點集P 得P

19、1,P 2,分別實現(xiàn)方位配準,判斷是否存在最優(yōu)解。若存在,建立自適應工藝模型M *2,退出;若不存在,進一步分解,直到以整體葉盤單個葉片作為方位配準對象,建立自適應工藝模型M *N 。3 工藝變形模型建模方法在整體葉盤復合制造工藝加工中,由于前期工藝變形的影響,原始理論模型可能不再適用于最后的精密數(shù)控加工,如葉盤焊接的過渡區(qū)域和葉尖修復加工。此時的加工定位基準、軌跡分布等均依賴于前期工藝M M *1M *2M *N M 12M 1N M 2N M N NM 22余量優(yōu)化的自適應工藝模型建立過程大飛機發(fā)動機關鍵技術Key Technology of Aeroengine for Large Co

20、mmercial Aircraft2008 年第13 期航空制造技術55加工結果描述工藝變形的自適應模型,并且還必須保證過渡區(qū)域的光滑連接。但是,整體葉盤葉片模型復雜多樣,而且變形各不相同,同時,還存在一定的特征約束,如前后緣半徑等,難以構造過渡模型。在數(shù)字化檢測方式下,如何突破有限的測量數(shù)據精確表征工藝變形,并建立自適應工藝模型是自適應加工系統(tǒng)的關鍵技術問題。因此,基于自由曲面變形技術,通過多尺度層次建模方法,實現(xiàn)測量點集、曲面特征、參數(shù)模型等不同層次數(shù)據表示之間的快速轉換,建立復合制造工藝變形的自適應模型,為后續(xù)的精確變形誤差補償提供實測模型基礎。4 變形誤差補償技術通常的C A D /C A M 系統(tǒng)均以零件的理論模