3D掃描可大幅提高葉盤(pán)銑削過(guò)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(dòng)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(dòng)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(hù)希望提高葉盤(pán)銑削過(guò)程的精度和效率。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉盤(pán)具有復(fù)雜的高曲率表面，因此制造過(guò)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(cè)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(pán)在減少阻力、優(yōu)化發(fā)動(dòng)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(pán)在20世紀(jì)八十年代中期推出，是一個(gè)由轉(zhuǎn)子輪盤(pán)和多個(gè)彎曲葉片組成的單一組件。由于葉盤(pán)不需要將每個(gè)葉片連接到裸露的輪盤(pán)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(dòng)機(jī)效率。

葉盤(pán)由非常堅(jiān)硬的高價(jià)值金屬（通常是鈦或鎳基合金）制成。迄今為止，銑削是葉盤(pán)制造過(guò)程中最重要的加工工藝，而且由于葉盤(pán)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(pán)銑削通常先通過(guò)粗銑和半精銑加工制成近終成形工件，然后再通過(guò)精銑制成最終的高精度葉片和轉(zhuǎn)子表面。

挑戰(zhàn)

葉盤(pán)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(pán)的精銑過(guò)程是一個(gè)勞動(dòng)密集型且成本日益增加的工藝。

盡管使用觸發(fā)式測(cè)頭可進(jìn)行機(jī)內(nèi)葉盤(pán)測(cè)量，但在銑削后需要將每個(gè)工件從數(shù)控機(jī)床上取下進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)量和檢測(cè)，然后再重新裝回機(jī)床上進(jìn)行后續(xù)加工。這個(gè)過(guò)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(cè)和銑削過(guò)程約占葉盤(pán)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(dòng)±0.064 mm，實(shí)際輪廓偏差0.082 mm。縱截面的偏差與橫截面相似：殘留余量波動(dòng)±0.082 mm，實(shí)際輪廓偏差0.111 mm。

導(dǎo)致邊緣加工過(guò)程中產(chǎn)生偏差的主要原因可歸結(jié)為：加工過(guò)程中機(jī)床的五軸運(yùn)動(dòng)誤差；葉片在切削過(guò)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(guò)程中發(fā)生彈性變形�！�

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

開(kāi)發(fā)用于葉盤(pán)銑削的CNC加工過(guò)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(cè)
•        根據(jù)檢測(cè)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(kāi)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(shuō)：“我們已經(jīng)與雷尼紹合作多年，我們?cè)诟魇綑C(jī)床上配備雷尼紹觸發(fā)式測(cè)頭來(lái)達(dá)到完美的測(cè)量精度�！�

“對(duì)于此項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，很顯然需要基于掃描測(cè)頭開(kāi)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(cè)量技術(shù)滿(mǎn)足了我們的所有技術(shù)要求�！�

結(jié)果

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

通過(guò)在機(jī)床上對(duì)葉盤(pán)進(jìn)行高速3D掃描和測(cè)量，大幅節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，從而顯著提高了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率。

在葉盤(pán)銑削精度方面，加工后的葉盤(pán)橫截面和縱截面偏差均有顯著改進(jìn)：從原來(lái)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(shuō)：“制程控制模式的執(zhí)行能夠基于OSP60測(cè)頭提供的3D葉片掃描數(shù)據(jù)，自動(dòng)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(shuō)：“將SPRINT 3D掃描技術(shù)與Productivity+ CNC軟件結(jié)合在一起，即使葉盤(pán)形狀發(fā)生極細(xì)微的偏差也能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別出來(lái)，而使用觸發(fā)式系統(tǒng)卻無(wú)法檢測(cè)到這些偏差。”

“這項(xiàng)投資帶來(lái)的回報(bào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)期。葉盤(pán)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(cè)頭搭載雷尼紹獨(dú)特的SPRINT技術(shù)。

測(cè)尖（測(cè)球）可沿葉盤(pán)表面進(jìn)行精確測(cè)量移動(dòng)，測(cè)頭能夠精確記錄高分辨率測(cè)針偏折數(shù)據(jù)，獲取超靈敏測(cè)尖在X、Y和Z軸上的亞微米級(jí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

OSP60測(cè)頭采用高速、抗噪的光學(xué)傳輸連接，每秒可將1000個(gè)XYZ測(cè)尖中心數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸?shù)絆MM-S接收器。然后，使用高級(jí)算法處理測(cè)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(pán)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(cè)量速度有時(shí)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(pán)，則無(wú)需在加工過(guò)程中取下工件。

該軟件可在屏幕上實(shí)時(shí)顯示高精度測(cè)量結(jié)果，并利用這些數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整機(jī)床設(shè)置，以便進(jìn)行后續(xù)的精銑過(guò)程。還可將測(cè)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(pán)檢測(cè)程序，同時(shí)可通過(guò)Productivity+交互式前端平臺(tái)簡(jiǎn)單易懂的圖形屏幕來(lái)編輯和模擬測(cè)頭檢測(cè)程序，用戶(hù)無(wú)需直接應(yīng)對(duì)復(fù)雜的NC代碼。