航空发动机零部件的自动化修理
仪器信息网 · 2009-08-02 21:40 · 28727 次点击
自动化修理是发动机整体叶盘应用的关键因素。本文介绍的自适应CNC技术可以自动化地修理发动机叶片并提高整个维修供应链的效率。
在航空发动机维修业,自动化的修理工艺及自适应切削加工方法非常重要。在考虑用整体叶盘代替普通叶盘时,其可行性取决于有无自动化的修理能力。手工修理,特别是焊接和再仿形铣工艺,因为缺乏满意的可靠性、质量及竞争力,不能用于现代化的整体叶盘修理。因此,在军民用发动机中采用整体叶盘时,自动化修理是一关键因素。
目前发动机零部件修理的大部分工艺均是手工进行的,从成本及可靠性来看不能令人满意。另一个共性问题是整体叶盘及叶轮等部件太复杂,不能进行有效的手工处理,需要用自动化的修理系统。
自适应切削法可以补偿零件与零件之间的差异以及夹具定位不准确等问题,使工件的公差保持极小。数控(NC)路径对实际工件几何形状的几何适应是自动完成的。自适应系统被整合到焊机、机床工具以及现有的CMM、CAD、CAM及CAQ环境中。
在维修中特别耗时并需要高精度的工序是检查、焊接、铣削及抛光。航空发动机部件的自动化维修工艺在多数情况下,按如下顺序进行:第一步是对零件进行目视检查及CMM检验以观察其总的可修理性并且找出损伤及其位置。然后用NC切削工艺对损伤处进行清理以便进行修补,修补的方法是用激光焊。最后是对焊补区在NC铣削设备上进行重新仿形铣(用铣床)、抛光(用柔性砂轮)。
单个叶片
叶尖和边缘的修复是压气机及涡轮叶片的标准修理过程。对于此类型的零件的修理已有可靠的NC设备和自适应应用软件,可用于激光涂覆,以及清理、再仿形铣和抛光用的NC切削加工。此方法可处理任何三维形状的叶片。名义几何参数(主几何参数)是用切削设备上常用的触发式探头根据一个新的或修理好的叶片以自动逆向工程的方式提供。同样的设备也可用作其他修理,例如带冠叶片(刀刃封严件、互换面)、导向叶片(如叶型、叶根缘板)的修复、整体叶盘叶尖的修理等。
自适应应用软件包加上标准的5坐标切削机床构成修理站,可用于自动修复单个叶片,使其成为终加工的叶片。用户还可自己编程,进行新叶片的修理或改变加工方式,可加快响应时间并降低成本。当采用自适应方案时,还可以省去价格昂贵的标准夹具的使用。
复杂部件
对于像整体叶盘、叶轮之类更复杂零件的修理,在自动化方面则要下更大的工夫。这些发动机部件需要先进的5坐标NC工艺。因此,名义几何参数的CAD数据(通过逆向工程或者从原设备制造商取得)以及关于名义几何参数的CAM生成的NC程序,就成为自适应过程的附加的输入量。
在叶尖、边缘、角及叶型上碰到的不同类型的损伤必须加以不同考虑。特别是主要用于军用发动机前端的整体叶盘可能受到严重损伤。而叶轮、高压压气机整体叶盘通常只需修复磨损区。修理有如下几种方式:
●叶尖、边缘、角及叶型的焊接;
●角、边缘、叶尖的打补丁;
●用线性摩擦焊更换整个叶片。
自动化的修理过程包括以下几个步骤:
●检验(发现修理及其部位);
●清理(清理/铣削修理区);
●焊接(激光焊涂覆);
●再仿形铣(对焊接及打补丁部位重新仿形)。
虽然没有必要让所有的工序全部实现自动化,但是安装数据处理系统可以改进效率,因为它可以在维修链上促进数据流动及工厂自动化。
检验的目的是评估零件的可修理性,发现并定位损伤。通常自动化的尺寸测量及最后检验均在坐标测量机或"机械手"上进行。经验证的测量方法有多种如触发式探头、连续测量头、点激光器、线扫描仪以及距离成像系统。入厂检验的结果对于随后的NC修理工艺很有价值,特别是对自适应清理及激光焊。为此,检验系统必须通过数据管理系统与其他工艺相链接。
对损伤部位进行处理为以后的焊接做准备。最好只用有限数量的几何形状确定的光滑表面。例如前缘修理的清理区可以允许宽度为Xmm的台阶以及宽度为Ymm的台阶。清理部位的这种尺寸上台阶式参数化可以使随后的修理过程自动化。主要的清理技术是:铣、磨以及激光切割。在维修工序中,清理工序是最简单工序,一些经验证的切削技术也可用于清理。数控路径的几何适应法限于用最佳拟合法,可以利用入厂检查的测量数据。
数控激光焊接设备越来越多地代替手工焊用于翻修磨损的发动机部件,因为激光焊技术可以进行经济、精确的焊接及涂覆,质量更高。在某些情况下,现行的方法不能应用时,某些叶片现在可以采用激光焊技术进行大修。另外,近净成形(near-net-shap)激光焊可以降低最后重新仿形的难度,使精加工的量最少。
整体叶盘的磨损、叶片叶轮及其他航空发动机部件的几何形状与新部件的名义(CAD)几何形状有显著的差异。因为精密的激光焊及涂覆系统可提供高精度,重复精度大约为0.1mm,CNC路径必须根据待焊零件实际几何形状来生成。如果检验程序采用一体化的模式合理选择检验方法,则