航空發動機精鍛葉片自適應數控加工技術*

西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室 任軍學 馮亞洲 米翔暢 許迎穎

為進一步推動國內航空航天等領域的重大裝備實現減重、增效和改善性能的目標，大量復合制造工藝背景下的新型葉片被應用到現役或在研的航空發動機風扇和壓氣機中。隨著大飛機的研制對航空發動機涵道比、推重比及服役壽命要求的不斷提高，新型航空發動機多采用精密鍛造方法制造葉片毛坯。精鍛成形是先進制造技術的一個重要組成部分，廣泛地應用于航空、航天、船舶等行業中復雜零件的加工制造，能夠有效地節約能源和原材料，簡化生產工序，其技術效益和經濟效益都十分可觀。與普通模鍛葉片相比，精鍛葉片可節省20%～25%左右的金屬，材料利用率提高50%以上[1]。采用精鍛工藝制造葉片毛坯在降低葉片制造成本的同時，對精鍛葉片的高效精密數控加工技術提出了更為苛刻的要求。

在精鍛葉片制造過程中，由于存在加工工藝復雜、毛坯一致性差、裝夾定位精度不高等問題，使加工后的葉片精度差、效率低、廢品率較高。研究如何利用數字化檢測的手段，對零件毛坯進行快速測量與定位，并進一步實現數字化檢測、模型重構、數控加工一體化的自適應加工技術[2]對提高航空發動機葉片類零件的制造精度、加工效率和自動化水平意義重大。自適應數控加工技術已成為制約我國航空發動機葉片類零件高效精密加工的關鍵技術問題。本文將分析航空發動機精鍛葉片的結構特點及目前制造工藝中存在的問題，討論自適應數控加工關鍵技術在航空發動機精鍛葉片數控加工中的應用。

航空發動機精鍛葉片制造中存在的問題

航空發動機精鍛葉片、葉身型面為復雜空間曲面，且進/排氣邊圓弧半徑小，整個葉片部分的曲率、扭轉變化較大，是典型的薄壁復雜曲面零件。精鍛葉片型面質量由鍛模保證，成型精度高，成型后葉身型面不需要二次加工，受限于目前的精鍛工藝技術，葉片的榫頭、進/排氣邊均無法精鍛成型，需要進行數控加工。在精鍛葉片制造過程中，由于存在加工工藝復雜、毛坯一致性差、裝夾定位精度不高等問題，其加工后的葉片精度差、效率低、廢品率較高。因此，精鍛葉片葉身曲面的精確定位和進/排氣邊的光滑過渡加工是其數控加工技術的關鍵問題，精鍛葉片幾何模型如圖1所示。

目前，精鍛葉片通常使用專用夾具和校準工具進行初步裝夾，再由操作人員反復調試實現最終裝夾與定位。然而，精鍛葉片屬于薄壁類零件，其精鍛葉身型面不一致以及夾具工裝等因素導致定位的精度和效率較低，甚至無法滿足加工精度的要求。采用專用夾具定位葉身曲面的方法加工葉片榫頭，容易出現榫頭與葉身位置度超差、加工效率低、產品一致性差等問題。

航空發動機葉片進/排氣邊加工主要采用手工拋磨、數控磨削、數控銑削等制造工藝[3]。傳統手工拋磨的方式是依據樣板控制葉片截面形狀，加工過的精鍛葉片進/排氣邊表面精度低、易燒傷、效率低且產品質量不穩定。采用數控磨削工藝加工精鍛葉片進/排氣邊，不能很好地解決余量分布不均勻、截面曲面形狀及位置超差等問題。采用數控銑削的方式加工進/排氣邊，可以很好地解決上述加工工藝中存在的問題。然而精鍛葉片屬于薄壁類零件，精鍛后因應力分布不均以及裝夾變形等因素會導致葉身型面的幾何參數與理論模型出現差異。依據理論模型進行數控銑削加工，會出現過渡區域無法光滑拼接的問題，影響精鍛葉片加工質量。

目前，采用傳統葉片加工工藝方法，已難以滿足精鍛葉片對表面完整性和精度控制的要求，制約了復合制造工藝背景下葉片類零件的高效精密加工制造水平和制造能力的提升。

自適應數控加工技術的應用

自適應加工可以分為工藝自適應與幾何自適應。工藝自適應又可分為最佳自適應控制系統（Adaptive Control Optimization，ACO）和約束式自適應控制系統（Adaptive Control Constraint，ACC）兩大類。ACO追求一種最佳的加工過程指標，如加工時間、切除率或表面質量某項指標達到最優。ACC則是要保持某種約束的恒定，如扭矩、切削力或切削功率，以提高加工效率、保持加工過程穩定及保證加工質量。幾何自適應是隨零件的形狀或位置變化而進行的加工，也稱為自適應數控加工。自適應數控加工技術集成了數字化檢測、工件定位和模型重構等數字化制造領域中的多項技術，是實現航空發動機葉片類零件高效精密加工的一種系統解決方案。鑒于自適應數控加工技術的廣闊應用前景，各發達國家開展了相關技術研究。如歐盟第六框架下優先發展的航空空間項目——航空發動機渦輪部件的自動化修復系統(AROSATEC)即為自適應加工技術應用的典型案例[4]。該系統集成了德國BCT公司的自適應加工技術，通過在線檢測葉片修復區域的幾何形狀，自動生成加工路徑。英國TTL公司的自適應加工技術相當成熟，并已成功應用于葉片類零件的數控加工和修復加工中[5]。英國Delcam公司推出的PowerINSPECT自適應加工模塊件，在數字化檢測過程中監測零件的實際位置，并自動建立零件與加工路徑的位置對應關系[6]。國內自適應加工技術的研究起步較晚，GAO等[7]通過待修復加工零件的精密檢測，基于重構模型重新規劃刀位軌跡，實現了航空復雜零件的自適應修復。西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室在薄壁葉片高效精密數控加工方面積累了豐富的經驗，并且在自適應數控加工技術方面開展了大量的研究工作，目前已基本突破自適應數控加工的關鍵技術問題，建立了葉片類零件的自適應數控加工系統，并通過了試驗驗證。

自適應數控加工技術適用于余量不均勻的復雜曲面加工、整體葉盤的修復加工及空心葉片的數控加工，是提高傳統數控加工精度和效率的有效辦法。從技術實現角度，自適應數控加工技術是以待加工零件的設計模型及相應的加工程序為基礎，根據加工區域的實測結果獲取零件模型的方位變化及形狀偏差，在名義加工程序的基礎上自適應地生成實際加工區域的加工代碼，并保證與前期工藝加工曲面模型的光滑過渡。該項技術涵蓋了CAD/CAM領域中的數控加工編程、曲面建模、數字化檢測、逆向工程、工件裝夾定位等多項關鍵技術，是先進制造技術的重要組成部分。

自適應數控加工系統主要由4個模塊組成：（1）數字化檢測模塊，通過三坐標測量或在機測量的方式，分別獲取配準定位和模型重構所需的特征點集；（2）配準定位模塊，基于測量的特征點集，通過配準算法確定理論模型在毛坯中的位置，實現加工余量的自適應優化；（3）工藝幾何模型重構模塊，基于測量的特征點集，重新生成待加工區域的工藝幾何模型。（4）加工軌跡自動生成模塊，基于重構的工藝幾何模型，自動生成數控加工刀位軌跡，最終完成零件的自適應數控加工。自適應數控加工基本工作流程如圖2所示。

圖2 自適應數控加工基本工作流程

精鍛葉片自適應數控加工關鍵技術

基于精鍛葉片的結構特點及制造工藝，自適應數控加工以葉片理論模型為基礎，通過數字化檢測的方式獲取基于配準與建模的特征點集，將葉片特征點集與其理論模型進行配準，實現葉片的快速定位。在此基礎上，通過配準方法實現葉片待加工區域余量的自適應優化，并結合葉片理論模型進行工藝幾何模型的自動構建。最后，根據葉片理論模型、工藝幾何模型，聯機自動生成葉片加工軌跡并傳送至數控系統，實現精鍛葉片高效精密自適應數控加工。精鍛葉片自適應數控加工涉及的關鍵技術有以下3個方面：

1 裝夾方案

精鍛葉片的數控加工通?；诰懗尚偷娜~身曲面進行定位，在規劃裝夾方案時，不僅要保證定位的準確性、穩定性和由裝夾引起的葉片自由曲面的夾緊變形控制，而且要滿足裝卸便捷、定位精度高、夾緊力均勻、重復裝夾一致性好等要求。本文使用硬裝夾的方式規劃精鍛葉片的裝夾方案，要求夾具通過對精鍛葉片葉身的定位和夾緊，在保證曲面定位精度的前提下，滿足自適應數控加工要求的重復性和穩定性要求。精鍛葉片自適應數控加工夾具由兩部分組成，分別實現對葉片榫根、葉尖和進/排氣邊的數控銑削加工。夾具設計模型如圖3所示。

圖3 夾具設計模型

精鍛葉片自適應數控加工夾具主要由轉動臺、夾具箱體、箱蓋、工藝臺定位塊、緊固螺栓、錐形定位銷、定位塊等構成，設計滿足六點定位原理。其中箱體部分與葉片接觸面根據葉身型面加工獲得，起到貼合和夾持的作用；通過內六角螺栓對零部件的傳遞實現對葉片夾緊，起到夾緊力均勻、平穩的作用；葉片裝夾時使用力矩扳手緊固螺栓的方式實現葉片的夾緊過程，裝夾便捷且避免葉片的夾傷和脫落；夾具通過氣動快換卡盤連接機床，方便自動化生產線中機械手的裝卸。該夾具結構簡單，安裝方便，定位精度高，可多次裝拆而不影響定位精度，滿足精鍛葉片自適應數控加工的要求。

2 數字化檢測

數字化檢測是通過特定的測量設備和測量方法，獲取葉片表面離散點數據的測量過程。其通過獲得零件的表面三維信息，為實現復雜曲面的配準、建模和數控加工提供基礎數據。針對精鍛葉片的結構特點及高效精密自適應數控加工的要求，將三坐標測量和在機測量相結合是目前較為理想的測量方法。同時，測量點的分布和數量都直接影響配準定位的精度和曲面模型重構的準確性。因此，高效率、高精度地實現零件表面的數據點采集是非常重要的。

測量點數目通常依據設計圖紙給定的型面公差、加工精度、測量系統和自由曲面形狀及尺寸等情況確定。測量點的分布形式與自由曲面的曲率有很大的關系，如何根據曲面曲率變化情況，自動調整測點分布使其與曲面特征一致，實現測點的自適應分布，已有很多國內外學者開展過相應的研究。根據測點在曲面上的分布形式，曲面采樣方法主要有均勻采樣法、曲率采樣法、混合采樣法等。

針對精鍛葉片在進/排氣邊圓弧半徑小、曲率變化較大的結構特點，可以采用將葉身曲面劃分為進氣邊、排氣邊、葉盆、葉背4個區域。在葉片進/排氣邊測量時按照曲率采樣法分布測量點，而葉盆、葉背按照等弧長和等參數的混合采樣法分布測量點，如圖4所示。

3 模型配準定位

常用的配準方法可以總結為以下3類：（1）基于標記的配準方法。該方法是一種簡單有效的配準定位方法,一般用于產品幾何形狀檢測中多視測量數據的拼合定位；（2）基于特征的配準方法。該方法使用產品測量數據與模型上的幾何特征作為參考，進行模型的配準定位；（3）基于表面點集的配準方法。該方法使用產品的表面測量數據點進行模型配準運算，確定待配準模型之間的空間變換矩陣[8]。迭代最近點(Iterative Closest Point,ICP)算法是典型的基于表面點集的配準方法[9]，由于這個算法通用性好，在自由曲面的工件定位與檢測中得到了廣泛應用。

圖4 精鍛葉片測量點分布

模型配準是實現零件定位、模型評估、誤差分析等的前提條件，配準問題的研究對提高數字化檢測精度和效率。針對精鍛葉片幾何形狀檢測中的配準定位問題，依據葉片型面不同區域不同公差的設計要求，可以在ICP算法的基礎上，采用基于約束區域的配準方法，以實現精鍛葉片測量數據與理論模型的快速配準。

以理論模型表面S為基準，其向內和向外的誤差曲面S1和S2之間所形成區域稱為約束區域，約束區域外的區域為自由區域，如圖5所示。

圖5 約束區域示意圖

通過判斷數據點是否位于等距曲面S1與S2之間的區域，來確定該點在配準過程中不同的權值。其中，權因子與點到曲面距離有關的函數，可表示為：

其中，ε1為曲面S1與S之間的距離；ε2為曲面S2與S之間的距離；且ε1與ε2都大于0，表示在第t次迭代過程中，數據點P到理論模型上投影點P1的距離表示在第t-1次迭代過程中，所有數據點到理論模型對應投影點距離的最大值。引進約束區域權因子的目標函數數學模型如下：

式中，Pi（i=1，2，…，N）為待配準模型上的測量數據，Pi'為Pi在理論模型曲面上的最近點，R、T分別為配準時的旋轉矩陣和平移矩陣。通過求解旋轉矩陣R與平移矩陣T，從而達到了目標函數F1最小，求解目標函數中變換矩陣R、T是一個帶約束的優化計算問題，可以基于ICP算法進行目標函數數學模型的求解。ICP算法通過求取最小平方和來減小每一次迭代過程中對應點集的平均誤差，以及通過查找最近鄰點來減小對應點對之間的距離，ICP算法的收斂效率與參與配準的數據點集相關。

基于曲面變形的工藝幾何模型重構

圖6 工藝幾何模型重構方案

針對葉片類零件自適應數控加工工藝幾何模型重構，若不存在設計模型，可直接將測量數據擬合成NURBS曲線，再根據截面線放樣生成葉身曲面得到葉片型面；若存在設計模型，可以通過對變形區域特征點的采集與分析，建立待加工區域與設計模型之間的映射關系，構造基于理論模型的工藝幾何模型，以精確描述葉片的幾何形狀變化，從而生成自適應加工程序代碼?？梢愿鶕~片類零件的結構特點和制造工藝選擇工藝幾何模型重構方案。工藝幾何模型重構方案如圖6所示。

精鍛葉片是復雜薄壁類零件，由于鍛造工藝、裝夾變形等影響因素，設計階段的理論模型不能直接應用于進/排氣邊的數控加工編程。此時，需要根據精鍛葉片毛坯的實際測量數據，自適應地構建其工藝幾何模型以精確描述待加工區域的幾何形狀，并以此為基礎規劃刀位軌跡，從而實現精鍛葉片的高效精密自適應數控加工。

結論

本文針對航空發動機精鍛葉片制造工藝中存在的問題進行分析，對自適應數控加工中裝夾方案、數字化檢測、配準定位、工藝幾何建模等關鍵技術進行了系統的闡述。此項技術的深入研究與應用不僅可以有效解決精鍛葉片加工中存在的技術難題，同時對復合制造工藝背景下葉片類零件的高效精密加工具有一定的指導意義。該技術作為智能加工的重要組成部分，在滿足幾何自適應的基礎上，實現工藝參數的自適應控制，是未來自適應加工技術的發展方向。

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