3D 掃描可大幅提高葉盤銑削過程的精度和效率
Technopark Aviation Technologies 公司位於俄羅斯烏法，是一家集教育、科學研究和工程服務為一身的廠商。它與俄羅斯規模最大的燃氣渦輪發動機供應商密切合作，該公司設計和製造高性能燃氣渦輪發動機，用在定翼機和旋翼機上，以及天然氣和石油生產領域。
Technopark 的一位客戶希望提高其葉盤銑削過程的精度和效率。燃氣渦輪發動機的葉盤具有複雜的高曲率表面，因此製造過程非常具有挑戰性。
為了攻克這項難題，Technopark 採用了搭載 SPRINT™ 技術的 Renishaw OSP60 機上 3D 掃描測頭和 Productivity+™ 掃描套裝軟體。
背景
在由壓縮機、燃燒器和渦輪組成的精密機械裝配中，葉盤在減少阻力、優化發動機氣流及產生推力等方面發揮著重要作用。
葉盤在 1980 年代中期問世，是一個由轉子輪盤和多個曲面葉片組成的單一元件。由於不需要將每個葉片連接到輪盤上，因此葉盤有效地改進了渦輪設計，大大減少了零件數量，並提高了可靠性和發動機效率。
葉盤由非常堅硬的高價值金屬（通常是鈦或鎳基合金）製成。迄今為止，銑削是葉盤製造過程中最重要的加工過程，而且由於葉盤具有高曲率表面，因此需要使用多軸 CNC 機台和先進的軟體進行加工。
葉盤銑削通常先通過粗銑和半精銑加工製成近成形工件，然後再通過精銑製成最終的高精度葉片和轉子表面。
挑戰
葉盤具有高度複雜性和嚴苛的製造精度要求，這意味著各類葉盤的精銑過程是一個勞力密集且成本日增的製程。
儘管使用接觸觸發式測頭可進行機上葉盤量測，但在銑削後需要將每個工件從 CNC 機台上取下進行離線量測和檢驗，然後再重新裝回機台上進行後續加工。這個過程需要重複多次，而且容易受到人為誤差的影響。
據該公司估計，機外檢測和銑削過程約占葉盤生產總人力成本的 30％ 至 60％。此外，葉片尺寸偏差（在前緣和後緣加工之後）的統計分析結果證明存在誤差。
量測多種類的葉片需要使用快速量測系統
結果顯示，葉片橫截面的偏差為：預留量波動 ±0.064 mm，實際輪廓偏差 0.082 mm。縱截面的偏差與橫截面相似：預留量 ±0.082 mm，實際輪廓偏差 0.111 mm。
導致邊緣加工過程中產生偏差的主要原因可歸納為：加工過程中機台的五軸運動誤差；葉片在切削過程中由於其剛性低而發生的彈性變形；以及刀具在金屬切削過程中的變形。
「這個過程需要大量的人工干預，但是由於人為誤差不可避免，會導致廢品率增加。我們迫切需要開發一種全新的解決方案，以提高葉盤銑削速度和精度。」
開發用於葉盤銑削用的 CNC 加工製程包含以下要求：
- 使用參數化控制程式進行半精銑加工
- 機上工件檢測
- 根據檢測結果修正參數化控制程式
- 使用修正後的參數化控制程式對工件進行精銑。
這項投資帶來的回報遠遠超出了我們的預期。葉盤的精銑精度提高了四倍以上，而且相關的人力成本降低了一半。
Technopark Aviation Technologies (俄羅斯)
解決方案
Technopark 負責開發和導入所需的製程控制技術。該公司的創新部負責人 Semen Starovoytov 指出：「我們已經與 Renishaw 合作多年，我們在各式機台上配備 Renishaw 接觸觸發式測頭來達到完美的量測精度。」
此專案的情況很顯然需要開發用於掃描測頭的軟體，因此我們決定向 Renishaw 尋求合作。Renishaw 專用於加工機的 SPRINT 3D 掃描量測技術滿足了我們的所有技術要求。」
對葉片自由曲面進行接觸式掃描量測
SPRINT™ 技術
OSP60 機上 3D 掃描測頭搭載 Renishaw 獨特的 SPRINT 技術。
測針球可沿葉盤表面進行精確量測移動，測頭能夠精確記錄高解析度測針偏折資料，並獲取超靈敏測針球在 X、Y和 Z 軸上的亞微米級運動資料。
OSP60 測頭採用高速、抗噪的光學傳輸連接，每秒可將 1,000 個 XYZ 測尖中心數據點傳輸到 OMM-S 接收器。
然後，透過高級演算法處理測頭偏折與機台位置編碼器等資料，以生成精確的葉盤表面資料，最後再精確計算特徵位置、大小和形狀。
Productivity+™ 技術
使用 Productivity+ CNC plug-in 軟體可實現高達 15,000 mm/min 的掃描速度，機上量測速度有時甚至可以比傳統接觸觸發式系統快6倍。在機台上掃描葉盤，就無需在加工過程中取下工件。
該軟體可在螢幕上即時顯示高精度量測結果，並利用這些資料自動調整機台設置，以便進行後續的精銑過程。還可將量測報告匯出成檔，進行分析或用於品質管理。
使用現有的機外圖形程式設計工具可在實體模型的幾何特徵上快速、輕鬆地生成葉盤檢測程式，同時可透過 Productivity+ 互動式平台的簡易圖形螢幕來編輯和類比測頭檢測程式，使用者無需直接應對複雜的 NC 代碼。
結果
導入 Productivity+ 軟體和 OSP60 測頭之後，葉盤製程的加工精度、速度和人力成本有了顯著改變。
透過在工具機上對葉盤進行高速 3D 掃描和量測，大幅節省了生產時間，進而明顯提高了 CNC 機台的生產效率。
在葉盤銑削精度方面，加工後的葉盤橫截面和縱截面偏差均有顯著改進：從原來的 0.082 mm 和 0.111 mm 提高到現在的 1 µm 和 28 µm。
在機台人員配置方面，Starovoytov 表示：「製程控制模式的執行能夠在 OSP60 測頭提供的 3D 葉片掃描資料上，自動調整 CNC 控制程式。這意味著工程師不再需要一直監控機台運轉。」
Starovoytov 總結道：「將 SPRINT 3D 掃描技術與 Productivity+ CNC 軟體結合在一起，即使葉盤形狀發生極細微的偏差也能夠被即時識別出來，而使用接觸觸發式系統卻無法檢測到這些偏差。」
「這項投資帶來的回報遠遠超出了我們的預期。葉盤的精銑精度提高了四倍以上，而且相關的人力成本降低了一半。」
