3D掃描可大幅提高葉盤銑削過程的精度和效率

Technopark Aviation Technology公司位于俄羅斯烏法，是一家教育、科研和工程服務(wù)提供商。它與俄羅斯規(guī)模最大的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)提供商合作密切，后者設(shè)計(jì)和制造高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，服務(wù)于固定翼和旋轉(zhuǎn)翼飛機(jī)行業(yè)以及天然氣和石油生產(chǎn)領(lǐng)域。

Technopark的一位客戶希望提高葉盤銑削過程的精度和效率。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的葉盤具有復(fù)雜的高曲率表面，因此制造過程非常具有挑戰(zhàn)性。

為了攻克這項(xiàng)難題，Technopark采用了搭載SPRINT™技術(shù)的雷尼紹OSP60機(jī)內(nèi)3D掃描測頭和Productivity+™掃描軟件包。

背景

在由壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪組成的精密機(jī)械組件中，葉盤在減少阻力、優(yōu)化發(fā)動機(jī)內(nèi)的氣流及其產(chǎn)生的推力方面發(fā)揮著重要作用。

葉盤在20世紀(jì)八十年代中期推出，是一個由轉(zhuǎn)子輪盤和多個彎曲葉片組成的單一組件。由于葉盤不需要將每個葉片連接到裸露的輪盤上，因此有效改進(jìn)了渦輪設(shè)計(jì)，大大減少了零件數(shù)量，并提高了可靠性和發(fā)動機(jī)效率。

葉盤由非常堅(jiān)硬的高價值金屬（通常是鈦或鎳基合金）制成。迄今為止，銑削是葉盤制造過程中最重要的加工工藝，而且由于葉盤具有高曲率表面，因此需要使用多軸數(shù)控機(jī)床和先進(jìn)的軟件進(jìn)行加工。

葉盤銑削通常先通過粗銑和半精銑加工制成近終成形工件，然后再通過精銑制成最終的高精度葉片和轉(zhuǎn)子表面。

挑戰(zhàn)

葉盤具有高度復(fù)雜性和嚴(yán)苛的制造精度要求，這意味著其各式葉盤的精銑過程是一個勞動密集型且成本日益增加的工藝。

盡管使用觸發(fā)式測頭可進(jìn)行機(jī)內(nèi)葉盤測量，但在銑削后需要將每個工件從數(shù)控機(jī)床上取下進(jìn)行離線測量和檢測，然后再重新裝回機(jī)床上進(jìn)行后續(xù)加工。這個過程需要重復(fù)多次，而且容易受到人為誤差的影響。

據(jù)該公司推斷，機(jī)外檢測和銑削過程約占葉盤生產(chǎn)總?cè)肆Τ杀镜?0％至60％。此外，葉片尺寸偏差（在前緣和后緣加工之后）的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果證明存在誤差。

結(jié)果顯示，葉片橫截面的偏差為：殘留余量波動±0.064 mm，實(shí)際輪廓偏差0.082 mm�？v截面的偏差與橫截面相似：殘留余量波動±0.082 mm，實(shí)際輪廓偏差0.111 mm。

導(dǎo)致邊緣加工過程中產(chǎn)生偏差的主要原因可歸結(jié)為：加工過程中機(jī)床的五軸運(yùn)動誤差；葉片在切削過程中由于其剛性低而發(fā)生彈性變形；以及刀具在金屬切削過程中發(fā)生彈性變形�！�

“這個過程需要大量的人工干預(yù)，但是由于人為誤差不可避免，會導(dǎo)致廢品率增加。我們迫切需要開發(fā)一種全新的解決方案，以提高葉盤銑削速度和精度�！�

開發(fā)用于葉盤銑削的CNC加工過程包括以下要求：
•        使用參數(shù)化控制程序進(jìn)行半精銑加工
•        機(jī)內(nèi)工件檢測
•        根據(jù)檢測結(jié)果修正參數(shù)化控制程序
•        使用修正后的參數(shù)化控制程序?qū)�工件進(jìn)行精銑

解決方案

Technopark被指定負(fù)責(zé)開發(fā)和部署所需的制程控制技術(shù)。Technopark的副博士、創(chuàng)新部負(fù)責(zé)人Semen Starovoytov說：“我們已經(jīng)與雷尼紹合作多年，我們在各式機(jī)床上配備雷尼紹觸發(fā)式測頭來達(dá)到完美的測量精度。”

“對于此項(xiàng)目來說，很顯然需要基于掃描測頭開發(fā)軟件，因此我們決定向雷尼紹尋求合作。雷尼紹用于機(jī)床的SPRINT 3D掃描測量技術(shù)滿足了我們的所有技術(shù)要求�！�

結(jié)果

引入Productivity+軟件和OSP60測頭之后，葉盤制造過程的加工精度、速度和人力成本發(fā)生了顯著改變。

通過在機(jī)床上對葉盤進(jìn)行高速3D掃描和測量，大幅節(jié)省了生產(chǎn)時間，從而顯著提高了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率。

在葉盤銑削精度方面，加工后的葉盤橫截面和縱截面偏差均有顯著改進(jìn)：從原來的0.082 mm和0.111 mm提高到現(xiàn)在的1 μm和28 μm。

在機(jī)床人員配備方面，Starovoytov說：“制程控制模式的執(zhí)行能夠基于OSP60測頭提供的3D葉片掃描數(shù)據(jù)，自動調(diào)整CNC控制程序。這意味著工程師不再需要始終監(jiān)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)。”

他總結(jié)說：“將SPRINT 3D掃描技術(shù)與Productivity+ CNC軟件結(jié)合在一起，即使葉盤形狀發(fā)生極細(xì)微的偏差也能夠?qū)崟r識別出來，而使用觸發(fā)式系統(tǒng)卻無法檢測到這些偏差。”

“這項(xiàng)投資帶來的回報(bào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)期。葉盤的精銑精度提高了三倍以上，而且相關(guān)的人力成本降低了一半�！�

SPRINT™技術(shù)

OSP60機(jī)內(nèi)3D掃描測頭搭載雷尼紹獨(dú)特的SPRINT技術(shù)。

測尖（測球）可沿葉盤表面進(jìn)行精確測量移動，測頭能夠精確記錄高分辨率測針偏折數(shù)據(jù)，獲取超靈敏測尖在X、Y和Z軸上的亞微米級運(yùn)動數(shù)據(jù)。

OSP60測頭采用高速、抗噪的光學(xué)傳輸連接，每秒可將1000個XYZ測尖中心數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸?shù)絆MM-S接收器。然后，使用高級算法處理測頭偏折數(shù)據(jù)與機(jī)床位置編碼器數(shù)據(jù)，以生成精確的葉盤表面數(shù)據(jù)，最后再利用這些數(shù)據(jù)精確計(jì)算特征位置、大小和形狀。

Productivity+™技術(shù)

使用Productivity+ CNC plug-in軟件可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15,000 mm/min的掃描速度，機(jī)內(nèi)測量速度有時甚至可以比傳統(tǒng)觸發(fā)式系統(tǒng)快5倍。在機(jī)床上掃描葉盤，則無需在加工過程中取下工件。

該軟件可在屏幕上實(shí)時顯示高精度測量結(jié)果，并利用這些數(shù)據(jù)自動調(diào)整機(jī)床設(shè)置，以便進(jìn)行后續(xù)的精銑過程。還可將測量報(bào)告導(dǎo)出到文件中進(jìn)行分析或用于執(zhí)行質(zhì)保。

使用現(xiàn)有的機(jī)外圖形編程工具可基于實(shí)體模型幾何特征快速、輕松地生成葉盤檢測程序，同時可通過Productivity+交互式前端平臺簡單易懂的圖形屏幕來編輯和模擬測頭檢測程序，用戶無需直接應(yīng)對復(fù)雜的NC代碼。