一种环形外罩内环表面等离子喷涂型面的加工方法

摘要

一种环形外罩内环表面等离子喷涂型面的加工方法，用于对喷涂有等离子喷涂材料的所述环形外罩的内环表面的等离子喷涂型面进行精加工。所述方法包含如下步骤：沿所述环形外罩的轴线方向将所述环形外罩划分成多个连续的环形块，分别测量获得每个环形块的内环表面的等离子喷涂型面的实际测量直径；对符合设计要求的实际测量直径构建一条样条曲线，用样条曲线上测量获得的加工直径确定加工余量，最后将每个所述环形块所对应的加工余量设置到数控机床中，利用数控机床去除每个所述环形块的所述加工余量，最后获得加工完毕的所述环形外罩，从而可以保证环形外罩的内环表面的等离子喷涂型面的轮廓度符合设计要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空零部件的加工方法，尤其是一种航空发动机的叶轮 外罩类零件的加工方法，特别是一种环形外罩内环表面等离子喷涂型面的加 工方法。

背景技术

叶轮外罩类的环形外罩是航空发动机系统中常见的零件，图1显示了一 种典型的叶轮外罩类的环形外罩1的立体结构示意图，该环形外罩1的内环 表面需要通过等离子喷涂在其上形成一层等离子喷涂材料，以增加其硬度和 耐磨性能。该环形外罩的基体材料为镍基合金，等离子喷涂材料为铝合金-氮 化硼可磨耗型粉末（组成成分：硅、氮化硼、铝、有机固体）。

该环形外罩一般的加工方法为，通过零件基体尺寸间接保证型面轮廓度 和跳动要求，但是零件基体材料为镍基合金，与等离子喷涂材料的机械加工 性能存在差异，零件基体材料数控车床加工中存在让刀，而且喷涂型面轮廓 和零件内孔同一把刀一次加工，通过测量内孔的直径尺寸确定加工余量和刀 补，间接保证型面轮廓度和跳动要求，而间接控制的方法受到机加性能差异 的影响，很容易导致加工余量控制不准确，导致喷涂型面轮廓度和跳动超差。

也就是说，现有环形外罩对等离子喷涂型面轮廓度的要求较高，等离子 喷涂材料和零件基体材料的机械加工性能不同，轮廓度无法直径测量控制， 而通过测量零件基体尺寸来间接控制喷涂型面的轮廓度，加工结果很容易出 现偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种环形外罩内环表面等离子喷涂型面 的加工方法，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种环形外罩内环表面等离子喷涂 型面的加工方法，所述加工方法用于对喷涂有等离子喷涂材料的所述环形外 罩的内环表面的等离子喷涂型面进行精加工，其特征在于所述方法包括如下 步骤：

沿所述环形外罩的轴线方向将所述环形外罩划分成多个连续的环形块， 分别测量获得每个环形块的内环表面的等离子喷涂型面的实际测量直径；

根据所述环形外罩的内环表面的等离子喷涂型面的理论尺寸，构建每个 所述环形块的宽度中间位置处的内环表面的等离子喷涂型面的一个理论最大 直径和一个理论最小直径；

将每个所述环形块的实际测量直径与所述理论最大直径和理论最小直径 进行比较，将实际测量直径落入所述理论最大直径和理论最小直径范围内的 所述环形快的实际测量直径定义为第一直径，将实际测量直径超出所述理论 最大直径和理论最小直径范围的所述环形快的实际测量直径定义为第二直 径；

以每个所述环形块沿所述环形外罩的轴线方向的长度为横轴，以直径为 纵轴形成一个坐标系，根据所有具有第一直径的所述环形块的实际测量直径 在所述坐标系中构建一条样条曲线；

测量获得所述坐标系中每个所述环形块对应于所述样条曲线上的直径作 为加工直径，将每个所述环形块的加工直径与实际测量直径相减，获得每个 所述环形块对应的加工余量；

将所述环形外罩放置于数控机床上，将每个所述环形块所对应的加工余 量设置到数控机床中，利用数控机床去除每个所述环形块的所述加工余量， 最后获得加工完毕的所述环形外罩。

本发明所提供的环形外罩内环表面等离子喷涂型面的加工方法中，通过 沿环形外罩的轴线方向将环形外罩划分成多个连续的环形块，对符合设计要 求的环形块的等离子喷涂型面的实际测量直径构建一条样条曲线，用样条曲 线上测量获得的加工直径确定加工余量，从而可以保证环形外罩的内环表面 的等离子喷涂型面的轮廓度符合设计要求。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范 围。其中，

图1显示了一种典型的叶轮外罩类的环形外罩的立体结构示意图；

图2显示的是图1所示环形外罩的横截面剖视图；

图3显示的是图2剖视图的上半部分的放大视图；

图4显示的是用于确定加工余量的实际坐标系的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图 说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图2显示的是图1所示环形外罩1的横截面剖视图，图3显示的是图2 剖视图的上半部分的放大视图，正如背景技术部分所述的那样，图2、3中这 种环形外罩1可以是一种用于航空发动机的叶轮外罩，所述环形外罩1的基 体材料为镍基合金。如图3所示，加工时，首先用基体材料通过普通的机械 加工手段制造完成环形外罩1的坯体，然后在坯体的内环表面11上喷涂一层 等离子材料12，所述等离子喷涂材料为铝合金-氮化硼可磨耗型粉末（组成成 分：硅、氮化硼、铝、有机固体）。

本发明要解决的技术问题是对喷涂有所述等离子喷涂材料12的所述环 形外罩1的内环表面11的等离子喷涂型面进行精加工，至于之前形成坯体和 喷涂的过程都属于现有技术，可以采用现有加工手段完成，不属于本发明的 要点，因此在此不详细描述，而且本发明仅仅要求保护的是对内环表面11的 等离子喷涂型面进行加工的方法。

需要说明的是，一般情况下，环形外罩1的坯体加工完成之后，应当对 其进行测量检验，只有测量尺寸符合设计要求的坯体才会进行下一步的喷涂 加工。然而，由于喷涂过程随意性较强，很难保证等离子喷涂材料12的喷涂 厚度保持一致，因此一般情况下喷涂的厚度都是需要超过设计参数范围的下 限的，否则没有办法重新喷涂。例如，如果设计要求的等离子喷涂材料12的 厚度应该为0.1±0.02mm，那么实际喷涂的等离子喷涂材料12的厚度至少要 大于0.08mm，但是这种情况下，有些地方喷涂的厚度却会超过0.12mm，这 个时候就需要采用本发明的加工方法，切除掉超过设计要求的部分等离子喷 涂材料12。

然而，问题是究竟应该设定多大的加工余量来去除这部分等离子喷涂材 料12是很困难的。例如，假设设计厚度还是0.1±0.02mm，测量得知环形外 罩1的内环表面A处的等离子喷涂材料12的厚度为0.13mm，超出了设计范 围，此时到底应该切除掉0.01mm的加工余量呢，还是切除掉0.05mm的加工 余量，或者任意设置一个加工余量，使之落入数值范围0.01mm到0.05mm之 间即可？

这个问题在实际解决过程中，还需要考虑如何保证环形外罩1的内环表 面11的等离子喷涂型面的轮廓度问题，也就是说，当通过加工切除掉超出设 计要求的环形外罩1的内环表面A处的部分等离子喷涂材料12之后，相邻 区域符合设计要求不需要加工的等离子喷涂材料12的厚度要与经过加工的 等离子喷涂材料12的厚度相同才能保证相邻区域的等离子喷涂型面是光滑 的。例如，还是用上面的例子来说明，假设A处的等离子喷涂材料12的厚 度为0.13mm，而相邻区域的B处位置的等离子喷涂材料12的厚度为0.1mm， 则设定的加工余量最好是0.03mm，然而，如果另一处相邻区域C处位置的 等离子喷涂材料12的厚度为0.11mm，那么设定加工余量为0.03mm之后， 加工之后A处的厚度虽然与B处相同，但是却与C处形成了0.01mm的高度 差，因而会在A处和C处之间形成明显的落差，出现表面不平滑的现象。

因此，本发明正是基于上述问题提供了一种环形外罩内环表面等离子喷 涂型面的加工方法，用于对喷涂有所述等离子喷涂材料的所述环形外罩的内 环表面的等离子喷涂型面进行精加工，以保证环形外罩1的内环表面11的等 离子喷涂型面的轮廓度，亦即本发明的关键是找到一个合适的加工余量，以 保证等离子喷涂型面的轮廓度。

下面参照图2-4详细说明本发明的加工方法，图4显示的是用于确定加 工余量的实际坐标系的示意图。具体步骤如下：

首先，如图2所示，沿所述环形外罩1的轴线方向将所述环形外罩1划 分成多个连续的环形块K，分别测量获得每个环形块K的内环表面11的等离 子喷涂型面的实际测量直径D。

本步骤中，由于环形外罩1的内环表面11的等离子喷涂型面是连续光滑 的表面，理论上来说，沿所述环形外罩1的轴线方向的等离子喷涂型面的直 径都是不同的，测量的时候是不可能将所有的直径都测量出来的，因此本步 骤中将环形外罩1划分成了多个连续的环形块K，只要这些环形块K的宽度 足够小，就可以近似认为这些环形块K是个圆环，其直径只有一个。虽然理 论上而言划分的环形块K的数量越多，这些环形块K的宽度越小，每个环形 块K的内环表面11的等离子喷涂型面的实际测量直径D也就越精确，但是 这样做的工作量是很大的，而且也是没有那么必要的，后续步骤可以弥补这 方面的问题。

其次，根据所述环形外罩1的内环表面12的等离子喷涂型面的理论尺寸， 构建每个所述环形块K的宽度中间位置处的内环表面的等离子喷涂型面的一 个理论最大直径D1和一个理论最小直径D2。例如，所述环形块K的宽度中 间位置处的直径为200mm，离子喷涂材料的设计厚度是0.1±0.02mm，则D1 为200-2*（0.1-0.02）mm，即199.84mm，D2为200-2*（0.1+0.02）mm，即 199.76mm。

本步骤中，环形块K的实际测量直径D是可以通过测量获得的，但是理 论上，该环形块K的内环表面的等离子喷涂型面的设计尺寸是可以计算获得 的，也就是说，设计的时候，理论上就知道环形外罩1的内环表面喷涂上等 离子喷涂材料之后所形成的等离子喷涂型面的尺寸大小，当然，由于存在制 造误差，这个理论尺寸不可能是一个固定值，而应该是一个范围值，也就是 说，每个环形块K的宽度中间位置处都会具有一个理论最大直径D1和一个 理论最小直径D2。之所以用宽度中间位置处的理论最大直径和最小直径，是 因为在理论计算的时候，无论环形块K的宽度多么小，但是也不可能是一条 线，在理论计算上肯定会有无数个理论最大直径和最小直径，为了便于计算， 可以将每个环形块K的宽度中间位置处的理论最大直径和最小直径视为其平 均值，以方便与前述的实际测量直径D相比较。

然后，将每个所述环形块K的实际测量直径D与所述理论最大直径D1 和理论最小直径D2进行比较，将实际测量直径D落入所述理论最大直径D1 和理论最小直径D2范围内的所述环形快K的实际测量直径D定义为第一直 径，将实际测量直径D超出所述理论最大直径D1和理论最小直径D2范围的 所述环形快K的实际测量直径D定义为第二直径。

本步骤中通过比较设计测量直径D与理论值的大小来判断，经过喷涂之 后，每个环形块K的等离子喷涂型面是否符合设计要求。如果符合设计要求， 就将其实际测量直径D定义为第一直径备用，不符合设计要求的，将其实际 测量直径D定义为第二直径，这个第二直径一般应该是小于理论最小直径D2 的，在后续的加工过程中，不符合设计要求的这个环形块K是需要切除掉一 个加工余量的，这个加工余量的确定后续步骤会详细说明。

从上面的描述来看，实际上并不需要知道理论最大直径D1，因为一般并 不会出现实际测量直径D大于理论最大直径D1的情况，本领域技术人员根 据本发明的描述完全可以将其忽略，因此本发明在此声明，这种忽略理论最 大直径D1的方案也应当是本发明的一种变形形式。当然，保留理论最大直 径D1也不是毫无用处，至少可以知道，如果出现实际测量直径D大于理论 最大直径D1的情形时，表明喷涂之后的环形外罩的质量是不合格的（涂层 厚度小于设计值），再进行机加工是没有必要的。

再之后，如图2所示，以每个所述环形块K沿所述环形外罩的轴线方向 的长度为横轴X，以直径为纵轴Y形成一个坐标系，根据所有具有第一直径 的所述环形块K的实际测量直径D在所述坐标系中构建一条样条曲线P。

图2中所示的坐标系中，Y轴方向上对应的是环形块K的半径而不是直 径，本领域技术人员应当可以理解，图2仅仅是为了方便与环形外罩1的剖 视图配合起来表示罢了，实际的坐标系中（图4），只需要将图2中的Y轴数 值全部乘以二就可以表示直径了，这仅仅为了表示更方便的一种变通。图4 显示的即为从图2演化而来的用于确定加工余量的实际坐标系的示意图，其 中已经将环形外罩1等实际部件去除，仅仅保留了模型数据，用于直观显示 后续步骤的内容。

另外，上述步骤中，将符合设计要求的实际测量直径D（第一直径）用 样条曲线P连接起来，忽略不符合设计要求的实际测量直径D（第二直径）， 因为第二直径部分需要切掉，连接起来没有意义。通过将所有符合设计要求 的直径D连接起来构件一条样条曲线P，那么样条曲线P上的每个直径都应 当是落入理论最大直径D1和理论最小直径D2范围内的，并且这些直径所构 成的整个等离子喷涂型面也会形成光滑过渡，相邻位置处的等离子喷涂型面 不会形成明显的落差，从而可以保证等离子喷涂型面的轮廓度符合设计要求。

然后就可以确定加工余量了，其步骤为：测量获得所述坐标系中每个所 述环形块K对应于所述样条曲线P上的直径作为加工直径D3，将每个所述 环形块K的加工直径D3与实际测量直径D相减，获得每个所述环形块K对 应的加工余量。

实际上，由于所有具有第一直径的环形块K都位于样条曲线P上，因此 对应的，所有具有第一直径的环形块K在样条曲线P上测量获得的加工直径 D3都与其实际测量直径D是相同的，因此加工余量都为0。这也很容易理解， 因为这些位置的实际测量直径D是符合设计要求的，根本就不需要进一步加 工，因此此处的加工余量当然为0。另一方面，凡是具有第二直径的环形块K 所对应的样条曲线P上的加工直径D3都应该大于其实际测量直径D，二者 的差值即为该环形块K对应的加工余量。

获得每个环形块K对应的加工余量之后，最后就是实际加工过程了，其 步骤为：将所述环形外罩1放置于数控机床（未示出）上，将每个所述环形 块K所对应的加工余量设置到数控机床中，利用数控机床去除每个所述环形 块K的所述加工余量，最后获得加工完毕的所述环形外罩1。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描 述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述 仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解， 并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式 来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范 围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的 等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。