航空发动机涡轮叶片在机测量及自适应修复加工技术研究

【摘要】：涡轮叶片是航空发动机的核心零件,在服役期间长期工作在高温、高压的环境中,服役一段时间后往往会出现一定程度的损坏。对服役后破损的叶片进行修复,能有效提升工件的使用寿命,并显著降低使用成本。目前针对航空发动机涡轮叶片修复的解决方案主要依赖于人工操作,工艺分离,效率较低,修复质量稳定性差。本文提出一种涡轮叶片自动化修复方案,将叶片测量与修复工艺集成到一台数控机床上进行处理。首先,采用在机测量的方式采集损伤叶片工件三维数据;然后,基于采集数据重建叶片缺损模型,并对缺损模型进行激光熔覆路径规划;最后,再由数控机床执行运动控制指令完成叶片的修复加工。基于上述方案,本文对以下几个关键问题进行了研究:1)叶片在机测量路径规划及后置处理。针对叶片工件的测量问题,本文基于NX二次开发平台开发了叶片在机测量模块,可用于对叶片缘板面、径向面,叶身型线及自由曲面等特征进行测量路径规划。同时,基于UG提供的后置处理器配置软件Post Builder,实现了Heidenhain iTNC-530数控系统测量路径后置处理器的定制。2)叶片工件测量基准校正。针对服役后叶片工件再装夹测量基准存在偏差的问题,本文设计实现了基于参考平面和曲面测量的偏差校正方案。对叶片工件变形量较小的叶根部位特征面进行测量校正,可减小叶片工件的装夹误差。测量校正方案对于提高叶片工件的测量精度具有很好的实用性。3)叶身型线测量点云数据配准。针对服役后叶片存在扭转变形的问题,本文采用高斯混合模型配准算法对损伤部位附近叶片型线的偏移扭转进行计算。该配准算法采用概率模型作为点对匹配评价指标,具有较好的适用性。4)叶片顶部缺损模型提取。叶片顶部磨损是一种常见的叶片失效形式,本文设计了一种简化的缺损模型提取方案。基于型线配准结果对叶片模型做变换处理,然后采集叶片顶部截面测量数据,重建缺损模型截面,再用该截面截取叶片设计模型得到损伤模型。这种方式无需人为判断缺损模型的厚度,可以得到较为准确的提取结果。5)叶片缺损模型激光熔覆路径规划。叶片工件损伤截面具有多样性,而设计模型顶部截面相对比较规整,本文采用叶片设计模型顶部截面作为参考基面对损伤模型进行分层,然后逐层以轮廓偏置和Zigzag复合策略规划扫描路径。为了验证本方案的有效性与实用性,本文在Hermle C400 AC双转台数控机床上进行了在机测量实验,基于测量数据完成了叶片缺损模型的提取。实验结果表明测量基准校正算法与高斯混合模型配准算法对提高叶片缺损模型的提取重建精度起到了较好的作用。对于文中设计的损伤模型扫描路径规划算法,采用增材仿真的方式对修复加工效果进行了验证。