熔煉葉片的自適應(yīng)加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過機加工來精加工渦輪發(fā)動機葉片形狀的方法，其中，通過熔煉生產(chǎn)帶有加厚部分的一個區(qū)域(8)；所述加厚部分與周圍型面一起構(gòu)成第一表面(10)，理論型面由第二表面(11)確定；其特征在于，該方法包括如下步驟：在第二表面（11）上確定由構(gòu)成節(jié)點和方格形成的格柵（13）；根據(jù)加權(quán)系數(shù)(CPi)確定刀具(20)通過的每一點P；加權(quán)系數(shù)(CPi)等于分配給刀具所處方格的節(jié)點（Ni）的權(quán)重，以便成為分配所述系數(shù)的節(jié)點的重心；對于在外邊界(12)之外的每個節(jié)點Ni，測量所述節(jié)點處第一表面(10)和節(jié)點的理論位置之間的差δ(Ni)；通過已知的δ采用內(nèi)插法計算外邊界(12)內(nèi)每個節(jié)點Nj的差δ(Nj)；使用所述加權(quán)系數(shù)(CPi)，根據(jù)所述點P所屬于的方格的節(jié)點δ(Ni)的加權(quán)和確定應(yīng)用到每個點P上的差δ(P)。
【專利說明】熔煉葉片的自適應(yīng)加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動機部件的制造，特別涉及采用熔煉或鍛造生產(chǎn)部件的精加工。
[0002]更一般地來講，本發(fā)明涉及毛坯部件的精加工，即最終尺寸的精加工，這些部件依然需要最終加工，或精加工。特別是，本發(fā)明適用于熔煉的或鍛造的渦輪噴氣發(fā)動機葉片。
【背景技術(shù)】
[0003]渦輪發(fā)動機的渦輪葉片通常都是用所謂的“失蠟”技術(shù)來制作，該技術(shù)直接生產(chǎn)出所要求的部件大部分形狀，無需生產(chǎn)坯件，該坯件然后還不得不經(jīng)過機加工以形成最終形狀。然而，這種技術(shù)依然必須進行最終機加工，包括在前緣上作業(yè)以去除所轉(zhuǎn)移的顆粒，在后緣上作業(yè)以去除后緣條和在平臺上作業(yè)，該平臺用于與葉片表面相連。
[0004]熔煉技術(shù)對于生產(chǎn)非常薄的面板(或隔板)并不是完全有效，諸如，在葉片后緣和其通風排氣口處的面板(或隔板)。為了克服這個問題，葉片薄端的熔煉都會帶有加厚部分，該加厚部分而后在制造工藝結(jié)束時通過加工來去除。采用這種方法存在的問題是，必須采用來自鑄造廠的葉片基準對葉片在用于該加工的空間里的定位基準進行校準。在現(xiàn)有技術(shù)中，所用基準是在葉片根部，葉片是根據(jù)該根部上的基準點來加工的。這種方法會引起諸多尺寸不規(guī)則，且實施起來很費時間。由于在根部基準和葉片基準之間存在可能的不一致，在葉片表面和所加工表面之間的連接處常常存在精度不準的問題，部件表面上也會出現(xiàn)突起。
[0005]此外，理想的是，數(shù)控機床可用來進行這些精加工作業(yè)，以避免尺寸上的不規(guī)則現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是通過提出一種熔煉或鍛造部件的加工方法克服這些問題，與此同時，限制尺寸上的不規(guī)則并保證熔煉或鍛造部件與部件表面加工部分的良好連接。這種加工稱為自適應(yīng)加工，因為機床刀具軌跡適應(yīng)于毛坯部件的幾何形狀。
[0007]因此，本發(fā)明的目的是提出一種通過加工來對渦輪發(fā)動機葉片形狀進行精加工的方法，按照這種方法，至少所生產(chǎn)的一個區(qū)域較所要求的型面厚，所述加厚部分與周圍型面一起構(gòu)成第一表面，所述加工方法旨在使用合適刀具去除該加厚部分以獲得第三表面，此夕卜，所述部件理論型面由第二表面確定，其特征在于，為確定在加工所述區(qū)域期間所述工具刀尖的位置，本發(fā)明方法包括如下步驟:
[0008]在第二表面上確定由構(gòu)成節(jié)點和方格邊界的線交叉而形成的格柵，所述格柵覆蓋了需要加工區(qū)，并延伸以便加工區(qū)的外邊界被完全包圍在格柵的外邊界內(nèi)；
[0009]通過參照接觸點P所在方格的節(jié)點Ni的位置加權(quán)，確定沿理論型面加工的工具/部件之間每個接觸點P的位置；
[0010]對于在外邊界之外的每個節(jié)點Ni，測量所述節(jié)點處第一表面和第二表面上節(jié)點理論位置之間的差5 (Ni)，所述差沿垂直于第二表面來測量；
[0011]通過選擇所述節(jié)點所屬于的且其它節(jié)點差δ (Ni)或(Nj)已知的方格，以及根據(jù)連接所述節(jié)點各段長度加權(quán)，從所述差δ (Ni)或(Nj)采用內(nèi)插法，逐步計算外邊界內(nèi)每個節(jié)點Nj的差δ (Nj)。
[0012]使用參照節(jié)點Ni所執(zhí)行的所述加權(quán)，通過對所述點P所屬于的方格的節(jié)點δ值(Ni)的加權(quán)和，相對于輸入到機床內(nèi)的基準信息，確定應(yīng)用到每個點P上的差δ (P)以獲得部件和刀具之間的接觸點P’。
[0013]這種方法確保在加工表面和周圍表面之間不會出現(xiàn)突起，而且，兩個表面在同一切線平面上接合。
[0014]優(yōu)選地，通過分配加權(quán)系數(shù)CPi給每個點P來進行權(quán)重處理，對應(yīng)于分配給所述方格節(jié)點的權(quán)重以便該點P為分配所述系數(shù)的所述節(jié)點的重心。有利的是，構(gòu)成格柵的線是直線。
[0015]構(gòu)成方格的多邊形優(yōu)選為四個邊的多邊形。
[0016]在另一個實施例中，構(gòu)成方格的多邊形是三個邊的多邊形。
[0017]在一個具體實施例中，位于外邊界之外的至少其中一個節(jié)點并不是由第一表面產(chǎn)生，因此，該點的δ值(Ni)差通過由所述第一表面所產(chǎn)生的鄰近節(jié)點的δ值(Ni)差之間采用內(nèi)插法計算得出，按照連接所述節(jié)點各段長度加權(quán)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]以說明性的且非限定性的示例并參照所附示意圖給出的本發(fā)明實施例的如下詳細解釋性描述，將更好地理解本發(fā)明，并更好地說明了本發(fā)明的其它應(yīng)用、細節(jié)、特性和優(yōu)點。
[0019]在這些附圖中:
[0020]圖1是作為毛坯鑄件的高壓渦輪發(fā)動機葉片的主視圖；
[0021]圖2為圖1的葉片在采用根據(jù)本發(fā)明的方法進行精加工之后的主視圖；
[0022]圖3為將要采用根據(jù)本發(fā)明的方法加工的區(qū)域的透視示意圖；
[0023]圖4為圖3所示區(qū)域及其周圍區(qū)域的示意圖；
[0024]圖5為采用根據(jù)本發(fā)明的方法加工的渦輪葉片的內(nèi)弧面的透視圖；
[0025]圖6為取自圖3所示區(qū)域的截面的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1示出了“失蠟”熔煉作業(yè)結(jié)束時的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片1，所示為從內(nèi)弧面一側(cè)看去。葉片包括根部2和彼此通過平臺4相隔開的扇葉3。為了確保較薄部分的強度，在后緣排氣口處和扇葉3與平臺4之間的連接處在熔煉期間留出加厚區(qū)域。將會被拆除的保持條5也平行于后緣布置，以方便熔煉作業(yè)。
[0027]圖2示出了精加工后的同一個渦輪葉片，精加工包括拆除保持條5和削薄后緣6。在葉片內(nèi)弧面上，人們可看到加工區(qū)8，通過削薄內(nèi)弧面，加工區(qū)8露出后緣的通風排氣口
7。由于空氣動力學質(zhì)量的原因，最好使葉片內(nèi)弧面粗糙熔煉表面和加工表面之間的切向連續(xù)性在該加工區(qū)的邊緣處。最后，該加工作業(yè)在扇葉3和平臺4之間的連接處(具體為后緣附近)結(jié)束，并且葉片尖部被刨平。
[0028]在圖3中，在制造相同熔煉或鍛造部件期間，人們可看到兩個外表面和對應(yīng)于兩個步驟的加工區(qū)，部分該部件帶有要去除的加厚區(qū)域。第一表面10對應(yīng)于熔煉或鍛造后的部件，第二表面11對應(yīng)于要生產(chǎn)的部件的數(shù)字模型所設(shè)計的理論定義。所希望的是，表面10盡可能靠近表面11，但不會在加工區(qū)8邊緣處形成切向不連續(xù)性。在第二表面11上，確定要加工的加厚區(qū)8的外邊界12和帶有直線段或彎曲線段的格柵13，所述格柵13分別用NI至N30標記的節(jié)點來描繪。
[0029]所不統(tǒng)刀20在格柵13的其中一個方格的點P處抵靠在第二表面11上。該統(tǒng)刀將用來加工加厚區(qū)8，以便在外邊界12內(nèi)削薄扇葉內(nèi)弧面，直到第一表面10接近第二表面11，銑刀相對于將要加工的表面而傾斜，以獲得最佳切削條件。
[0030]圖4示出了相同的第二表面11和加工區(qū)8，其上繪出了格柵13的各節(jié)點的分布情況。從中可以看出，格柵完全包圍了加工區(qū)8，即使格柵四邊上的某些點在物理上并不位于第二表面11上。為此，位于加工區(qū)8上的格柵13的所有點都位于加工區(qū)外的格柵另兩個點之間。
[0031]圖5示出了在高壓渦輪葉片I是內(nèi)弧面上應(yīng)用格柵的情況，所述葉片定位在數(shù)字控制機床上，所示機床刀具20與葉片后緣相接觸。圖中僅示出了一排方格，方格的頂點或節(jié)點包圍了加工區(qū)8。在圖示情況下，人們可看出，只有圖符標記為N8至Nll的節(jié)點對應(yīng)于位于葉片內(nèi)弧面表面上的各個點，而外邊緣上的NI至N6和格柵13側(cè)邊緣的點N7和N12都位于完全無實體支持的與并與扇葉3相關(guān)的區(qū)域。
[0032]圖6示出了位于格柵13—個方格內(nèi)的表面11的點P，該點用其節(jié)點N1，N2，N7和N8來標識。其在這個方格中的位置通過分配給該方格每個頂點的權(quán)重來確定，以便點P為四個頂點的重心，每個頂點都分配有相應(yīng)權(quán)重。這樣，可獲得一組四個值(C1，C2，C7和CS)，這些值明確地確定了點P在已知其所位于格內(nèi)的第二表面11上的位置。
[0033]我們現(xiàn)在介紹根據(jù)本發(fā)明的加工方法，該方法從第一表面10處開始使我們獲得第三表面，該表面盡可能地靠近第二表面11，而且該第三表面與加工時不接觸的葉片的部分呈現(xiàn)切向連續(xù)性。
[0034]要制作的葉片的型面(即第二表面11的型面)由例如含在CATIA程序文件中的理論數(shù)字模型來確定，而實際部件，在熔煉或鍛造后，根據(jù)第一表面10而考慮可能的易脆性或局部工作難度，所具有的型面在不同點處加厚。與第二表面11相關(guān)的理論型面在理論CATIA數(shù)字文件中用其各個點的位置和在這些點處垂直于第二表面11的矢量的取向來表
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[0035]根據(jù)本發(fā)明的工藝的第一個步驟是在第二表面11上確定圍繞整個加工區(qū)8的格柵13，也就是說，所述格柵的周圍節(jié)點都在加工區(qū)8的外邊界12之外。在與機床相關(guān)的笛卡兒坐標系中，該格柵是一種由節(jié)點NI至N30所表示的方格的網(wǎng)格，其坐標都集成在CATIA文件內(nèi)。同樣，CATIA文件包括對應(yīng)于用來實施精加工作業(yè)的機床刀具20頭部位置和其軸線取向的數(shù)據(jù)。
[0036]第二步驟包括對刀具20在第一表面10加工作業(yè)期間所行進的路徑進行建模，以便在加工區(qū)8外的各點都完全定位在第一表面10上的情況下，刀具與部件之間的接觸點描述了第二表面11。該路徑首先由在加工區(qū)8內(nèi)循環(huán)并從而穿過格柵13每個方格的點P的一系列位置來確定，其次，由在每個所述點P處刀具軸線的所需取向來確定。為此，每個點P相對于方格的四個節(jié)點而確定，在這個方格內(nèi)，點P通過四個系數(shù)定位，稱之為加權(quán)系數(shù)Cpi (i是所述節(jié)點的參考號)。每個加權(quán)系數(shù)相當于分配給相應(yīng)節(jié)點的權(quán)重，為的是點P成為這四個節(jié)點的重心。換句話說，點P離節(jié)點越近，分配給該節(jié)點的系數(shù)就越高，反之，距離最遠的節(jié)點，則分配給低系數(shù)。為了使得這些加權(quán)系數(shù)能夠唯一確定，它們都彼此按比例縮減，從而它們的和等于I。例如，如果點P在方格的中心，四個系數(shù)都等于0.25 ;如果點P靠近其中一個節(jié)點，如圖6所示，系數(shù)CPi會等于0.5，而另三個的系數(shù)則是CP2為0.35，CP7為
0.10，以及 Cp8 為 0.05。
[0037]然后，包括由機床掃描的點P的加權(quán)值和刀具軸線的對應(yīng)取向的文件被轉(zhuǎn)換為一種格式，該格式為數(shù)字控制機床所理解并裝載到機床軟件中。
[0038]下一步驟包括針對葉片的實際表面(即第一表面10)對輸入到CATIA文件中的數(shù)字模型進行校準。這個階段用來確保在加工區(qū)8邊緣處第三表面與第一表面10完全一致，并因此而在加工區(qū)8外的扇葉的部分和該區(qū)域之間不會出現(xiàn)突起。為了實現(xiàn)校準，本發(fā)明規(guī)定的測量是采用標準方式在扇葉表面每個點處探測部件本身加工區(qū)域8邊緣節(jié)點位置。對于這些點的每一個點來說，這種探測會在理論CATIA文件中相關(guān)點的位置和探頭所測量的實際點之間產(chǎn)生一個差值，稱之為S值。沿垂直于表面的方向，將等于該S值的修正量應(yīng)用到刀具20刀頭的控制位置，對于加工區(qū)8之外的所有節(jié)點而言，可確保刀具刀頭與扇葉表面齊平，而沒有對其進行加工或與其保持一定距離。
[0039]舉一個有關(guān)圖3的例子。測量節(jié)點NI至N6的δ值，位于加工區(qū)8右側(cè)邊緣上的節(jié)點Ν7, Ν13, Ν19和Ν25的δ值，位于左側(cè)邊緣上的節(jié)點Ν6, Ν12, Ν18, Ν24和Ν30的δ值，以及位于底緣上的節(jié)點Ν25至Ν30的δ值。
[0040]然后，基于在加工區(qū)8外的節(jié)點上測量的δ值，本發(fā)明建議確定所有節(jié)點Ni的δ值，稱之為δ值(Ni)。為此，位于加工區(qū)內(nèi)的節(jié)點的δ值在鄰近節(jié)點的δ值之間通過內(nèi)插法來確定，所述鄰近節(jié)點的δ值已經(jīng)測量得到或計算得到。
[0041]例如，參照圖3，根據(jù)連接節(jié)點Ν8至另外三個節(jié)點的各段的相對長度，節(jié)點Ν8的δ值是在節(jié)點Ν1、Ν2和Ν7的δ值之間采用內(nèi)插法來確定。而后，節(jié)點Ν9的δ值根據(jù)節(jié)點Ν2和Ν3的δ值的測量值以及節(jié)點NS的δ值的計算值來計算。通過對所有方格重復(fù)該項操作，在所有這些方格中，四個節(jié)點的其中三個的S值已經(jīng)知道，就可以逐漸確定所有節(jié)點的S值。
[0042]在人們想要加工的扇葉的理論型面的特定情況下，那么，完全可以賦予加工區(qū)8內(nèi)各點S值為零值。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的下一個步驟是確定精加工期間部件和刀具20之間所有接觸點P’的定位δ值。為此，該δ值的計算考慮了此前計算的點P的加權(quán)系數(shù)和點P所在方格各節(jié)點的δ值(Ni)差。在點P處的δ值，即應(yīng)用到第二表面11的點P的修正值，確定為等于通過節(jié)點的每個S值乘以與之相關(guān)的加權(quán)系數(shù)獲得的各個值的和。
[0044]在由四個節(jié)點NI，Ν2, Ν7和Ν8形成的方格內(nèi)的點P的示例中，δ⑵的值等于CpI* δ (NI)+Cp2* δ (N2)+CP7* δ (N7)+CP8* δ (Ν8)。
[0045]然后，該δ (P)，即在點P處沿垂直于第二表面11延伸的差，會投射在機床的基準軸線上，以確定施加到笛卡兒坐標上的三個修正分量，所述坐標在精加工期間應(yīng)用到控制刀頭定位的程序中。
[0046]因此，通過數(shù)字控制機床來進行機加工，刀頭位置始終由來自相關(guān)方格各節(jié)點δ值和所述刀頭所位于的點的加權(quán)系數(shù)來修正。
[0047]由于靠近加工區(qū)8的節(jié)點上的刀頭位置重新調(diào)整和基于這些節(jié)點的內(nèi)插，這就確保了由此獲得的第三表面將與內(nèi)弧面的未加工表面相切，及在加工區(qū)8和該區(qū)周圍扇葉I表面之間不會出現(xiàn)突起。
[0048]上面參照圖4所示案例介紹了本發(fā)明的工藝，其中，在加工區(qū)8外的所有節(jié)點在物理上都由第一表面10來支撐，也就是說，可以使用探頭來測量各節(jié)點的δ值。
[0049]參照圖5，可以看出，格柵13可包括加工區(qū)8外的節(jié)點，但這些節(jié)點不是由葉片I內(nèi)弧面支撐。本發(fā)明建議為這些節(jié)點分配δ值，該δ值在由第一表面10所支撐的鄰近節(jié)點S值之間通過線性內(nèi)插法獲得，再次考慮了將相關(guān)節(jié)點連接到實施內(nèi)插節(jié)點的各段的長度。
[0050]在圖5所示格柵示例中，只有節(jié)點Ν8至Nll可以通過探頭來測量。分配給節(jié)點7和12的δ值分別是節(jié)點8和11的值，而節(jié)點I至6的值則被視為分別等于節(jié)點7至12的S值。
[0051]盡管本發(fā)明已經(jīng)通過由四邊形方格構(gòu)成的格柵進行了描述，但也可通過由三角形或任何其他封閉多邊形構(gòu)成的格柵來實施。此外，上面介紹的是應(yīng)用于渦輪發(fā)動機葉片，但是，該工藝也可應(yīng)用到任何其它部件，而且也都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.通過機加工來精加工渦輪發(fā)動機葉片形狀的方法，其中，所生產(chǎn)的至少一個區(qū)域(8)比所要求的型面厚，所述加厚部分與周圍型面一起構(gòu)成第一表面(10)，所述機加工方法的目的是使用合適的刀具(20)去除該加厚部分，以獲得第三表面，此外，部件的理論型面由第二表面(11)確定，其特征在于，該方法包括如下步驟，以確定所述刀具刀頭在所述區(qū)域機加工期間的位置: 在第二表面(11)上確定由構(gòu)成節(jié)點和方格邊界的線交叉而形成的格柵(13)，所述格柵覆蓋了需要加工區(qū)域(8)，并延伸以便加工區(qū)域(8)的外邊界(12)被完全包圍在格柵的外邊界內(nèi)； 通過參照接觸點P所在方格的節(jié)點(Ni)的位置加權(quán)，確定沿理論型面加工的部件和刀具(20)之間每個接觸點(P)的位置； 對于在外邊界(12)之外的每個節(jié)點Ni，測量所述節(jié)點處第一表面(10)和第二表面(11)上節(jié)點理論位置之間的差δ (Ni)，所述差沿垂直于第二表面(11)來測量； 通過選擇所述節(jié)點所屬于的且其它節(jié)點差δ (Ni)或(Nj)已知的方格，并根據(jù)連接所述節(jié)點各段長度加權(quán)，從所述差δ (Ni)或(Nj)中采用內(nèi)插法，逐步計算外邊界(12)內(nèi)每個節(jié)點Nj的差δ (Nj)； 使用參照節(jié)點N(i)所執(zhí)行的所述加權(quán)，通過所述點P所屬于的方格的節(jié)點δ (Ni)的加權(quán)和，相對于輸入到機床內(nèi)的基準信息，確定應(yīng)用到每個點P上的差δ (P)以獲得部件和刀具(20)之間的接觸點P’。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，加權(quán)是將加權(quán)系數(shù)(CPi)分配給每個點P來進行的，對應(yīng)于分配給所述方格的節(jié)點的權(quán)重以便該點P為分配所述系數(shù)的所述節(jié)點的重心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，構(gòu)成格柵的線是直線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，構(gòu)成方格的多邊形是四邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，構(gòu)成方格的多邊形是三邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的方法，其特征在于，位于外邊界(12)外的至少其中一個節(jié)點不是由第二表面(11)所產(chǎn)生，因此，按照連接所述節(jié)點的段的長度加權(quán)，該點的差δ (Ni)是通過在所述第二表面所產(chǎn)生的鄰近節(jié)點的差δ (Ni)之間通過內(nèi)插法計算得出。
【文檔編號】G06T17/20GK103608737SQ201280029740
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】伊馮·瑪麗-約瑟夫·羅斯登, 約瑟夫·塔米-里祖祖, 丹尼爾·夸馳, 帕特里克·維赫爾, 迪迪爾·里蓋 申請人:斯奈克瑪