葉片砂帶磨削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

袁秀坤 李德平 余繼斌 曹 杰 賈敬陽(yáng) 曲興田 張 雷

(①東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000;②吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130025)

葉片是汽輪機(jī)上數(shù)量最多的零件，其制造工作量占整臺(tái)汽輪機(jī)制造工作量的25%～40%。由于葉片型面多是復(fù)雜的空間自由曲面，所以葉片一直是汽輪機(jī)中最難加工的零件之一，葉片型面的加工質(zhì)量直接影響汽輪機(jī)整機(jī)的工作性能［1］。葉片的傳統(tǒng)加工多用銑削+手工拋磨來完成，其中有近40%加工工作量是由熟練操作工在拋光機(jī)上用手工完成。在葉片手工拋磨過程中每拋磨一次都要經(jīng)過一次樣板透光檢查，對(duì)工人的技術(shù)要求較高，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此，改進(jìn)葉片加工工藝，運(yùn)用數(shù)控加工原理，研制葉片數(shù)控砂帶磨削機(jī)構(gòu)，應(yīng)用在六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削機(jī)床中［2］，實(shí)現(xiàn)葉片型面磨削自動(dòng)化，以提高葉片加工精度及加工效率，降低葉片生產(chǎn)成本。

1 汽輪機(jī)葉片砂帶磨削方案設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片進(jìn)行數(shù)控砂帶磨削，首先必須對(duì)葉片砂帶磨削工藝進(jìn)行分析。其涉及內(nèi)容主要包括磨削方式、砂帶與工件的接觸形式、砂帶磨削的工藝參數(shù)等［3］。

1.1 砂帶磨削方式的選擇

砂帶磨削按其結(jié)構(gòu)形式有開式和閉式兩種磨削方式。其中開式磨削是將砂帶兩端分別纏繞在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，兩驅(qū)動(dòng)輪分別交替地驅(qū)動(dòng)砂帶，使砂帶作往復(fù)緩慢的磨削運(yùn)動(dòng)。工件作高速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磨頭或工作臺(tái)作橫向及縱向進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的磨削。開式砂帶磨削的磨削質(zhì)量高，且磨削穩(wěn)定，磨削一致性好，多用于精密或超精密磨削加工，但其磨削效率不如閉式砂帶磨削。閉式磨削是采用有接頭或無接頭的環(huán)形砂帶，通過張緊輪張緊，主動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)砂帶作高速的單向磨削運(yùn)動(dòng)，同時(shí)工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磨頭或工作臺(tái)作橫向及縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磨削加工。閉式砂帶磨削效率較高，但是同時(shí)更易發(fā)熱、噪聲大，一般用于粗加工、半精加工和精加工，但其磨削精度不如開式磨削。

汽輪機(jī)葉片型面為復(fù)雜曲面型面結(jié)構(gòu)形狀，在磨削過程中如高速旋轉(zhuǎn)，葉片局部不能磨削，所以必須依靠砂帶運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)磨削。因此采用閉式砂帶磨削方式磨削葉片。

1.2 砂帶與葉片接觸方式的選擇

按砂帶與工件接觸方式來劃分，砂帶磨削也可分為接觸輪式、壓磨板式和自由帶式，幾種類型優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用見表1。

表1 砂帶磨削的基本形式

由于被加工葉片型面是扭曲的空間自由曲面，其曲率半徑制約磨削時(shí)的接觸輪大小，接觸輪將砂帶壓向葉片表面，生成磨削壓力，以完成葉片型面的磨削。因此，本文選擇了接觸輪式的砂帶磨削方式來對(duì)葉片進(jìn)行磨削。

1.3 葉片砂帶磨削走刀方式分析

砂帶磨削的走刀方式常用以下兩種:

(1)縱向行距法這種走刀方式是使砂帶沿著葉片軸線方向走刀，如圖1a，加工軌跡近于直線，其磨削效率較高，但型面的加工質(zhì)量較差，一般用于直葉片或扭曲葉片的粗加工。

(2)橫向行距法該走刀方式是使砂帶沿垂直于葉片軸線的橫向截面型線走刀，如圖1b，砂帶每沿葉片截面型線磨削一周，然后再沿軸線方向移動(dòng)一個(gè)行距磨削下一條橫向截面線。這種磨削走刀方式效率相對(duì)比較低，但可得到比較好的表面粗糙度，常用在葉片的精磨或半精磨。

考慮到葉片實(shí)際應(yīng)用，為了得到較好的表面粗糙度，因此選擇以橫向行距法的走刀方式來進(jìn)行磨削加工。

1.4 砂帶磨削工藝參數(shù)分析

砂帶磨削用量選擇是否合理，可直接影響到工件的磨削精度和磨削效率。因而，必須根據(jù)被磨削葉片的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形狀要求，選取合理的磨削工藝參數(shù)，以達(dá)到理想的磨削效果。此外，汽輪機(jī)葉片砂帶磨削的工藝參數(shù)確定也為砂帶磨削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

(1)砂帶線速度 砂帶磨削的線速度越高，其磨削效率也會(huì)越高。粗磨時(shí)砂帶線速度一般為12～20 m/s;精磨時(shí)一般為25～30 m/s，應(yīng)盡可能地選擇較高的砂帶線速度。

(2)工件速度 增大工件的速度可提高磨削量、減少表面燒傷，一般在6 m/min范圍內(nèi)。

(3)磨削深度 隨著磨削深度增大，砂帶磨削的效率也會(huì)提高，但同時(shí)會(huì)降低磨削精度和砂帶壽命。通常，粗磨時(shí)的磨削深度一般控制在0.05～0.10 mm;精磨時(shí)在0.01～0.05 mm范圍內(nèi)。

(4)法向浮動(dòng)壓力 在相同的砂帶線速度下，法向浮動(dòng)壓力越大，其磨削力越大。但隨著切入工件深度加深的同時(shí)會(huì)造成工件表面粗糙度值的增大。強(qiáng)力磨削時(shí)，應(yīng)盡量加大法向浮動(dòng)壓力，獲得最大的材料去除率;在精磨和拋光時(shí)，浮動(dòng)壓力的選擇要保證葉片表面質(zhì)量和磨削余量要求。經(jīng)過試驗(yàn)，選擇0.5 MPa的浮動(dòng)壓力，既能保證葉片表面的加工質(zhì)量，有具有較高的效率。

根據(jù)汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)形狀以及自身材質(zhì)等特點(diǎn)，確定如下的葉片砂帶磨削工藝參數(shù)供葉片砂帶磨削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考:

砂帶線速度25～40 m/s;

工件速度0～6 m/min;

磨削深度0～0.20 mm;

法向浮動(dòng)壓力0.5 MPa。

2 葉片砂帶磨削方案實(shí)現(xiàn)

2.1 葉片砂帶磨削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)葉片為復(fù)雜薄壁類零件，型面為空間自由曲面，曲率變化大，磨削加工時(shí)，接觸輪的位置會(huì)隨著葉片表面的曲率變化而變化，這就要求砂帶的松緊能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)。根據(jù)以上葉片砂帶磨削工藝分析，采用傳統(tǒng)砂帶磨削機(jī)構(gòu)已不能滿足葉片一體化數(shù)控加工的要求，因此設(shè)計(jì)了以下新型砂帶張緊機(jī)構(gòu)來解決葉片型面數(shù)控加工的問題(如圖2)。其工作過程為:

(1)通過精密數(shù)字比例閥調(diào)節(jié)平衡氣缸2的推力，實(shí)現(xiàn)接觸輪6與工件表面接觸壓力的調(diào)節(jié)，同時(shí)通過鎖死砂帶機(jī)上的平衡氣缸2實(shí)現(xiàn)與支撐臂的剛性聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力磨削。需要采用隨形拋光時(shí)，可以解除鎖死機(jī)構(gòu)，釋放平衡氣缸，砂帶機(jī)就可沿曲面法向方向浮動(dòng)，滿足隨形拋光的要求。

(2)砂帶張緊氣缸3驅(qū)動(dòng)張緊輪4調(diào)整砂帶的張緊程度。

(3)主動(dòng)輪5與伺服電動(dòng)機(jī)直接連接，通過電動(dòng)機(jī)的速度變化實(shí)現(xiàn)砂帶的線速度調(diào)節(jié)。

該新型砂帶磨削機(jī)構(gòu)操作方便、迅速，具有隨機(jī)性調(diào)節(jié)砂帶張力的能力。通過對(duì)比可以看出，新型砂帶張緊機(jī)構(gòu)的接觸輪和張緊輪的調(diào)節(jié)均通過氣缸控制，同時(shí)，精密數(shù)字電磁閥的運(yùn)用能夠非常有效地對(duì)接觸輪和張緊輪的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的定位，同傳統(tǒng)的機(jī)械式張緊機(jī)構(gòu)相比，這種采用全電氣控制的砂帶張緊快換機(jī)構(gòu)對(duì)汽輪機(jī)葉片復(fù)雜型面的加工能夠全數(shù)控自動(dòng)運(yùn)行，大大提高了工作效率。

2.2 磨削參數(shù)和磨削效果

以40英寸葉片為例，分析磨削參數(shù)和磨削效果，具體如下:

(1)粗加工:VSM180目砂帶，磨削壓力40 N，磨削線速度17 m/s，進(jìn)給速度4 m/min，磨削時(shí)間65 min。

(2)精加工:VSM400目砂帶，磨削壓力40 N，磨削線速度25 m/s，進(jìn)給速度6 m/min，磨削時(shí)間69 min。

(3)進(jìn)出汽邊磨削:VSM400目砂帶，磨削壓力40 N，磨削線速度 25 m/s，進(jìn)給速度6 m/min，磨削時(shí)間10 min。

(4)磨削總時(shí)間:2.4 h。

(5)葉片去重量:400～1 600 g。

圖3所示為葉片磨削前后的對(duì)比，圖3a為磨削前的葉片，可以看出葉片表面較粗糙;圖3b是利用該磨削機(jī)構(gòu)磨削之后的效果，表面粗糙度值明顯減小。利用該磨削機(jī)構(gòu)磨削的葉片表面粗糙度可達(dá)0.8 μm，磨削精度高，磨削效果好。

3 結(jié)語

本文通過研究磨削理論，設(shè)計(jì)了砂帶磨削機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于MK800、MK2000、MK2600等一系列數(shù)控砂帶磨床中，解決了以汽輪機(jī)葉片為代表的復(fù)雜曲面磨削拋光的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)控磨削，提高了葉片型面的幾何精度和表面質(zhì)量，填補(bǔ)了我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上的空白，滿足了國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃對(duì)核電機(jī)組的迫切要求。并且此研究成果也可直接用于大飛機(jī)項(xiàng)目中的大推力民用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的全數(shù)控制造，這一點(diǎn)無論是對(duì)能源動(dòng)力裝備還是對(duì)國(guó)防安全都有重大的戰(zhàn)略意義。

［1］陳光明，張旭陽(yáng).汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控加工技術(shù)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011(9):93－98.

［2］劉樹生，楊建中.葉片六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床與數(shù)控砂帶磨削單元化［J］.航空制造技術(shù)，2010(4):32－37.

［3］黃云，黃智.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2009.

［4］朱凱旋，陳延君，黃云.葉片型面砂帶磨削技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空制造技術(shù)，2007(2):102－104.

［5］肖剛，王春復(fù).現(xiàn)代汽輪機(jī)葉片型面制造技術(shù)［J］.熱力透平，2003(4):269－272.

［6］黃云，黃智.砂帶磨削的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18(18):2263－2267.

［7］Maxence Bigerelle，Benjamin Hagege，Mohamed El Mansori.Mechanical modelling of micro－scale abrasion in superfinish belt grinding［J］.Tribology International，2008，41(11):992－1001.

［8］Ren X，Cabaravdic M，Zhang X，et al.A local process model for simulation of robotic belt grinding［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，47(6):962－970.