1 绪论
1.1 航空发动机叶片测量技术概述
1.1.1 航空发动机叶片的特性
叶片是航空发动机的重要零件，从性能上看，叶片决定了总增压比，叶片的水平限制了涡轮前的温度。因此，叶片基本决定了航空发动机热力循环的两个专业参数。从可靠性上看，无论是研制过程，还是在役使用的发动机，叶片故障率相对较高。叶片设计与制造的好坏直接决定着发动机的性能、安全与寿命。由于内流的复杂性，加上大量复杂的各种试验，以及发动机对叶片材料、工艺、技术不断更新的要求，使一代高性能、长寿命叶片成为高技术结晶。
1.1.2 航空发动机叶片制造技术概述
叶片在发动机中的功能使命及基工作特点，决定了叶片使发动机中复杂三维曲面、尺寸跨度大、受力恶劣、承载最大的零件。它在高温、高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等材料制成;为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求、叶片又必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。因此，叶片制造技术是航空发动机制造过程中最复杂的技术之一，也是机械制造业中涉及专业面最宽的一种技术，它涵盖了锻、铸、热、表、焊接、激光、机加、电化等多种冷热加工技术，包括对叶片尺寸、形状、物理和力学等多种检测技术。因此叶片制造技术不公是航空发动机制造业中十分重要的一部分，而且叶片制造技术的水平在一定程度上反映了发动机制造技术的水平。
1.1.3 叶片检测技术现状
目前,叶片几何形状和尺寸检测按测量方法分为:专用测具测量,电感测量,光学投影检测,三坐标机测量。
1 电感测量
电感测量是利用电感的方法将机械位移量变成电量,并进行放大,处理,最后显示出机械位移量的测量方法。
电感测量仪不能单独进行测量,它必须配备使用被测零件定和相对运动以及固定传感器的测量机械装置.配有专用测量机械装置的电感测量仪,成为专用测量仪器。
2 光学投影测量
光学投影仪按原理可分为透射式投影仪,反射式投影仪,光学跟式投影仪,光学机械式投影仪,断面投影仪以及公差带投影仪,常用于叶片检测的光学投影仪有断面投影仪和光学跟踪投影仪。
3 三坐标测量
三坐标测量机具有x y z三个相互垂直移动的导轨,它以空间直角坐标为参考系,检测机械零件轮廓上各被测点的坐标值,并对其数据群进行处理,求的零件各几何元素形位尺寸.
1.2 课题研究内容及意义
叶片是发动机中最关键且种类繁杂的零件之一。叶片加工质量对发动机的各项性能指标起着极其重要的作用。因此，在发动机零件生产过程中，可靠的工艺装备是必不可少的辅助工具。对于加工形状复杂、精度要求较高的叶片来说，其最终精度主要靠高质量高精度的叶片测具来保证，所以，叶片测具的好坏对叶片的质量起着极其重要的作用。叶片测具的最大特点是形状复杂、精度要求高；装配关系复杂且装配周期短,在生产加工时,为了达到设计要求,检测时通常要设计专用测具.测具的实用性和定位可靠性会直接影响叶片的加工质量。
本课题任务：某发动机压气机第四级整流叶片，采用双辊锻轧制，叶片材料为1G11Ni2W2MoV，经粗、精轧、终轧及全切等过程加工。叶片型面复杂，不带叶冠，粗糙度0.8，同时，叶片扭角增大，从0—>Ⅵ截面，扭角从33°6´－>35°58´。
零件图的技术要求有：
（1）允许叶型剖面变形而扭转在±10´，范围如图1所示，这由型面测具来保证，
（2）叶片长度为28.44mm，分为6个截面，间隔为5.1mm-3.25mm,间隔过密，样板测量时无法档住定位销测量，故Ⅱ、Ⅳ剖面不检测，数据仅供模具设计使用;
（3）叶片型面上对规定型面的单边偏差在两边缘3mm上减薄不大于0.06，其余部位减薄或增厚不大于0.06，这可作为工人检查型面透兴的依据。
（4）叶片积叠轴对理论积叠轴沿Y´向偏移允许差0.08，如图（2）所示。
图1
2 工艺分析
2.1、零件图分析：
图中标明采用轧制方法加工，本零件采用辊锻轧制。这是在轧制工艺应用到锻造生产中的一种新工艺，辊锻是使坯料通过装有圆弧形模块的一对相对旋转的轧辊时，靠摩擦力的作用，得以连续进入轧辊受压而变形的生产方法。它是实现叶片生产高效，无余量的主要工艺之一，此种工艺的经济效益特别明显，与铣削旧工艺相比，材料利用率提高4倍，生产率提高2.5倍，且叶片质量大为提高，由于是毛坯直接轧到无余量，手工劳动量大为减少，劳动条件大大改善，产品的表面硬度也提高了，抗拉强度及疲劳度均优于模锻毛坯。
叶片材料1G11Ni2W2MoV，属于马氏体型热强不锈钢，由于添加了W、Mo、V等强化元素，其室温和高温强度，持久强度，蠕变极限都很高，同时具有良好韧性和抗氧化性能工艺塑性好，技术条件YB677-71，品种规格为GB708-65，板材限厚0.5-4mm。根据工艺要求，我们选取板厚是3.2±0.2mm，供应状态为热轧软态。
叶片型面复杂，不带叶冠，粗糙度0.8，要求低，WS11整流叶片相对与WJ6整流叶片来说相应尺寸的公差减小一倍多，故尺寸精度提高，给加工带来一定难度。同时叶片的扭角增大，从0→VI截面，扭角从2从33°6′→35°58′，扭角过大，不利与后续工序如：冷轧、全切等加工，原理如图所示：
F和F′是一对大小相等，方向相反的力。
F可分解为F1和F2两个分力。
F1= Fcosa ，F2= Fsina 。
随着a的增大，F1增大，F2减小。
图2
由此可知，在冷轧或全切中，叶片型面上将受到一对相反的轴向分力，故需将设计图进行坐标转换。
图3
在本零件中，我们取接近平均值的0截面摆平（a=0°）这也就是将原始坐标系XY顺时针旋转33°6′，建立新的坐标系X′Y′，如右图所示。
旋转后的数据见零件图。
零件图的技术条件中有：
(1)允许叶型剖面变形而扭转在±10´，范围如图1所示，这由型面测具来保证，
(2) 叶片长度为28.44mm，分为6个截面，间隔为5.1mm-3.25mm,间隔过密，样板测量时无法档住定位销测量，故Ⅱ、Ⅳ剖面不检测，数据仅供模具设计使用;
(3)叶片型面上对规定型面的单边偏差在两边缘3mm上减薄不大于0.06，其余部位减薄或增厚不大于0.06，这可作为工人检查型面透兴的依据。
(4))叶片积叠轴对理论积叠轴沿Y´向偏移允许差0.08，如图（2）所示。
图4
（4）叶片积叠
轴对理论积叠轴沿Y′向偏移允差0.08，如图（2）所示。
2.2 工艺路线安排
（1）某整流叶片的工艺路线安排如下：领料（0）—→标号（5）—→退火（10）—→下料（15）—→去毛刺（20）—→铣左右端面（25）—→铣前后端（30）—→依图样铣型（35）—→依图样铣型40）—→磨平（45）—→去毛刺、打标记（50）—→退火（55）—→粗轧（60）—→退火（65）—→精轧（70）—→钻孔（75）—→清洗（80）—→开坯（85）—→开坯（90）—→全切（95）—→退火（100）—→钳工（105）—→标号（110）—→探伤（115）—→抛光（120）—→抛光（125）—→检验（130）
（2）其中0~55工序为毛坯准备阶段，60~120为精加工阶段。叶片轧制（60、65、80、85）及全切（90）为关键工序，钳工及检验为辅助以序，几次退火为热处理工序。其余为机械加工工序。
以下就一一加以分析：
如右图：铣加工出的工艺凸台是为了后续工序的定位，夹紧需要，铣去的斜角的大小根据以往经验给出，由试加 工生产来最后确定。
冷轧是关键工序之一，叶片型面由坯直接轧至无余量如右图所示，毛坯准备阶段加工出的工艺凸是轧制过程的加工基础，而终轧出的两锥孔2-φ4既是本工序的测量基准，又是后工序全切的加工基准。参考试轧记录的参数进行开坯，粗轧、精轧工序，最后使叶片个截面满足技术要求，如无需要，粗轧工序可以不进行。当叶片型面不合格时，就需要修模，轧模型面的好坏直接影响叶片型面的质量。
另外，因叶片进气边比排气边缘半径大，在轧制过程中，进气边材料流动慢，排气边材料流动快，故轧制出的叶片形状如图所示，为避免叶片装夹在测具中引进干涉，故规定最大长度为25mm，但
最小长度必须大于4mm。
在每一道轧制工序后，钢件的机械性能低劣，存在残余应力。如果不用中间退火，一直轧到底，除成型困难，容易损坏模具之外，叶片表面还会被“拉”裂。故在每道工序之间安排退火，以除应力，改善钢材的机械性能，使塑性增强。硬度降低，为后续工序做准备。中间退火温度700±10℃，保温4h，用真空炉。
95工序全切是一道关键工序。全切，即一次切去四周多余部分，本工序采用线切割加工，有利于保证精度。
本工序后，叶片基本成型。如图所示：其中叶片长度及型面完全加工最终尺寸，a尺寸留有0.05mm余量由抛光工序（115）抛去，t尺寸留有0.25mm的余量由钳工工序（115）打磨掉。故本道工序全切的质量对于加工有很大的影响。
如图所示，零件图中给出的尺寸27.38±0.15无法直接测量，可将其换算至A.M两点，借助φ3的芯棒测量H，换算过程如下：
在△ABCk，
AB=1.5ctg∠1=1.5*ctg(90°-5°40′)/2
=1.6562
BC=Abcosa=1.6562*cos5°40′
=1.6481
XA=BC+BE=1.6481+2.76
=4.4081
取XA=4.4081其公差由工装设计给出。
AF=XD-XA=6.3627-4.4081
=1.9546
DF=1.9546tg5°40′
=0.1939
H=ZA-2.5=ZD-FD-2.5
=30.354-0.1939-2.5
=27.66
取H=27.66±0.1故尺寸27.388±0.15由测量27.66±0.1间接保证。为消除因尺寸换算及芯棒测量定位带来的累积误差，所以公差由±0.15缩小为±0.1。
本工序中的两圆孔为加工基准，而全切后的叶片以0——VI剖面为测量基准，故两剖面的精度要求较高。两孔至积叠轴的距离由工艺确定，中心孔一般取在剖面最大厚度处Cmax，这样的优点是可防止冲切叶片时因摆放不平衡而产生翻转。另外，需特别注意的是，在全切与抛光工序中共用一套型面测具，测具基准相同，故其测具原理一致，但在全切（95）工序中，定位面处留有0.05的余量由钳工工序（115）
打磨去，故其定位件与抛光（120）工序用定位件有所区别，这样才能即准确又经济地进行测量。
叶片经过轧制及全切两道关键工序后基本定形，再经抛光，进排气边边缘半径，即达到零件图的技术条件。最后按工艺说明书
Q/2B356进行磁检（130）。 按YJ0058验收。
100工序为最终退火，本工序与前几道热处理工序有所区别。退火温度580±10℃，保温4h，用真空炉。其主要作用是使叶片硬度达到3.8≤HBd≤4.3。根据零件图的要求，热处理工序按照工艺说明书Q/2B364进行。
3、冷轧叶片工艺的优点
（1）精度高：目前中、小叶片型面精度可控制在0.12mm之内，是当国内叶片加工精度最高的工艺方法。
（2）工效高，叶片冷轧一道机动循环时间只5s左右。
（3）表面光洁度高，目前生产条件下，可达0.4以上。
（4）模具寿命长：有资料介绍，是相应精锻模的五倍。
（5）设备动作简单：相对吨位小。
（6）省材料：属无切削成形加工，目前虽然要切去一部分工艺基准用料和少量毛边，但仍比其他工艺方法省料。
（7）金属材料在轧制变形中沿叶片纵向流动，纤维组织正合零件工作要求，强度高，并因表面残留压应力，疲劳性能好，
（8）经济效果明显优于苏联老工艺。
4、轧制中的缺陷及分析
轧制叶片本身动作比较简单，然而，轧制过程中影响因素比较复杂，因此，要轧得精确的无余量型面，就比较困难，有些现象似乎很难解释，但是经长期试验和生产的实践逐渐认识到，轧制叶片过程中金属变形的不均匀性是主要矛盾。现分别叙述几个主要问题。
①正弯现象及其克服
所谓正弯，是指叶片的工轴在YO′Z平面内的弯曲，叶盆挺起，简称“挺肚”，叶盆凹下简称“拱背”。轧制叶片容易“挺肚”，因为叶型的特点是中间厚，两边（进、排气边）薄，用轧模轧制时，叶片变形就不均匀，即两边相对压下量明显地大于中间部分，因而两边延伸大于中间部分，这是主要矛盾。
如图所示，由于叶型是弯曲的，所以从K向看，较薄的进
排气边在较厚的中间部分的上方，轧后ab延伸大于cd，即a′b′> c′d′，那么，在自由轧制（不用夹钳控制）的情况下，叶片必然如图那样变弯，即“挺肚”。这是主要原因。
“挺肚”现象，我们主要用升高工作台的方法来克服，因为延伸包括前滑和后滑二部分，所以即便叶片两边与中间延伸不等，只要前滑能相等，叶片就轧直了。
叶片座标轴
图10
如果工作台升得太高，就会“拱背”，应适当降低工作台，直至轧得合格的平直叶片。
图11 叶片挺肚原因
②波浪弯的现象及其克服
波浪弯是正弯的一种特殊情况，即叶片先辊的前半段叶身“拱背”，而后出辊的叶身“挺肚”。
克服波弯的现象，我们将夹钳的工作台作成可调倾斜角度的。
③侧弯现象及其克服
侧弯现象是指叶片的工轴在ZOX平面内弯曲，参见图10。
轧制叶片侧弯的主要原因是因为叶片进、排气边延伸率不
一致造成的，一般是向进气边弯曲，因为排气边比进气边薄
很多，绝对压下量相同时，排气边相对压下量就大于进气边，
所以排气边延伸率大于进
气边，因此产生向进气边 a
侧弯。 进气边
为克服侧弯现象，在
进气边铣出一斜角a，a大
小由经验，及试轧情况确定。参考图12。 图12
④叶型扭角的弯化及其控制
用与叶片型面扭角相同的模具轧制叶片，但轧出叶型扭角有的增大，有的减小。
其根本原因是叶片两边相对变形量大于中间部分，因而两边的前滑两大于中间部分的前滑量，这时如果由于工作台夹钳控制叶片无法“挺肚”时，在扎制力作用下，相对中间部分逐渐增长的两边金属就会造成叶型扭角的增大。
克服扭角增大的办法：
①增大压下量，
图13 叶型扭角增大原因
此法由于压下量增大，变形区长度增大，因此两边展宽增大，前滑量相对减少，所以扭角减小。
②减小两边毛边宽度。
③增大两边毛边厚度。
这两种方法都是通过减少两边延伸率的办法，减少两边的前滑量，达到减小扭角的目的。
④分多次轧制，使每次轧制的变形量小。
5 工艺尺寸及其确定
零件坯料开坯前的工艺尺寸，都是经过多次试轧后，根据谨严得出的。且在实践中证明是可行的。
叶片开坯后的工序尺寸，是通零件图给出的数据经坐标换算后得出的。
3 测具设计
检验测具是检验零件合格与否的专用夹具，本夹具对某第四级整流叶片全切后工序的检验测具（简称测具），因为某整流叶片要求高，叶型是空间曲线，所以本测具结构较复杂。现就设计分析如下：
3.1、测具基本要求。
1）对零件的质量进行检验，
2）提高生产率，使用方便，
3）结构简单，有良好的结构工艺性和劳动条件。
测具设计时，要对基本要求有辨证的统一。
本测具设计时，重点是保证零件的检验，使用方便，检测直观，所以结构较复杂。
3.2、测量原理：
本测具检验时，用叶盆、叶背样板靠住叶片，调整间隙，观察样板与叶片间隙，通过透光检查叶片质量。
3.3、叶片定位装置及压紧装置
零件检验，就是使零件在测具中有一个正确位置，这就需要对零件定位，这是检测零件的关键。
叶片定位时，选择叶片前缘两点，叶背两点，及叶片两端面定位，如图（1）
图（1）叶片定位
定位时，零件进气边（前缘）支在定位板24和35的刀口上，限制了叶片的X′、Y′，叶背靠在定位板9和7上，限制了叶片Y′、Z′、X′。叶片的一端顶在定位销32上，限制了叶片Z，这样叶片就全定位在测具上。
零件定位好了，还需要夹紧，否则零件在测量时位置移动，在叶片另一端面弹性顶尖45顶住，压杆26从叶盆面压住叶片，这样叶片就压紧了。
3.4、测量装置
叶片在测具上定位，夹紧后，即可测量，测量时叶盆样板和叶背样板，样板上有一段曲线分别是对应叶盆，叶背的形状，样板上有编号分别检不同剖面。
叶片定位后，由于叶片在空间的角度不一定完全满足要求，这就需要调整角度，本测具设计了这样的装置。
调整支架7， 7可绕0-0中心旋转，再细调，这时，叶片随整个支架定位，夹紧机构绕0’-0’中心旋转，至到满足测量要求时。
图（2）叶盆样板 图（3）叶片位置
测量时，样板支靠在定距板18上，并且与定距板18上定位销靠紧，叶盆型面与叶片盆面靠紧，调整调整板38，可调整样板与叶片盆面见的间隙，通过透光，检查叶片型面是否合格。
根据工艺规程要求，在型面测具上检查型面透光，当板板与测具的调整板38间隙为0值，进出气边缘3mm内不大于0.08，其余不大于0.12，即在两边缘3mm上减薄不大于0.02，增厚不大于0.06，其余部位减薄或增厚不大于0.06。
测量叶背与叶盆。
定距板刻有0、1、3、5、6数字及刻线，分距检验0、I、III、V、VI剖面，测具总装图上的0、1、3、5、6刻线与定位销32的距离尺寸分别是0、I、III、V、VI剖面带 的数据计算而来。
要控制精度，给予±0.03的公差。
这些尺寸是制造样板厚度的依据。
定距板18距0-0中心距离25±0.02须严格控制，因为样板与定距板18接触的表面距样板型面的积叠轴的距离25，所在此尺寸关系到样板与叶片的位置关系。
定距板18表面和底座底面K有平行度要求，允差0.01。
定位销对K及两侧N有⊥要求，允差0.005。
3.5、定位误差分析：
定位板18上的刀口与测具中心距离3.44±0.02。
定位板18上的刀口与测具中心距离2.81±0.02。
这两尺寸是保证叶片积叠轴与测量中心（重合的关系）在同一水平内重要尺寸。
△=0.04。
由于X′、Y′坐标是XY坐标旋转33°6′（详见工艺分析）得出。即0截面a=0,与0截面扭角最大的VI截面扭角差2°52′。
在Y′方向误差：
△Ymax=△Xtga
=0.04*tg2°52′
=0.002
△Ymax很小，对本测具不影响检验精度。
即使再加上样板误差，测具安装误差，均能满足使用要求。
3.6总体布局
本测具主要有底座1，底座上开有定位孔和螺纹孔，定距板18通过键7螺钉8安装在底座中间部位，18上有六个定位销21，21两边分别安装支架4和12在底座1上，支架4上安装定位板18和9，还装有顶尖19，定位销3及压紧机构，详见测具总装图。
3.7样板制造
样板形状见图（2），须保证⊥要求，关键是叶型面，根据坐标换算后的数据加工出叶型面，且保证样板叶型积叠轴的尺寸50±0.02。
图4. 样板
