汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床可控磨削力磨頭結(jié)構(gòu)設計*

(①南京理工大學泰州科技學院機械工程學院,江蘇 泰州 225300；②揚州大學機械學院，江蘇 揚州 225009)

汽輪機葉片是汽輪機的重要部件，其表面加工質(zhì)量直接影響汽輪機的效率。汽輪機葉片一般為復雜的曲面型面，國內(nèi)外采用五軸聯(lián)動銑削加工中心加工葉片型面的表面，由于精度和表面質(zhì)量達不到希望的要求，所以還需要對其表面進行光整加工。國內(nèi)外研究使用砂輪和砂帶兩種技術(shù)對葉片表面進行磨削加工，可以集磨削和拋光于一體。由于砂帶磨削具有高效率和冷態(tài)的特性，所以其技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)能夠用于干磨、高速、大吃刀量等的重磨削領域及高精密零件的磨削加工領域。國內(nèi)很多高校、研究所和企業(yè)也都做了研究，并取得了可喜的成果。揚州大學機電研究所從事葉片磨削技術(shù)研究多年，相繼研制了四軸聯(lián)動、五軸聯(lián)動的數(shù)控葉片砂帶磨床樣機[1-2]。

本課題針對以前研究存在的問題結(jié)合最新的研究成果，在江蘇省科技支撐計劃BE2010141項目的支持下，開展了六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床可控力磨削技術(shù)磨頭結(jié)構(gòu)研究設計。

1 砂帶磨削運動及磨削特點分析

1.1 砂帶磨削運動分析

汽輪機葉片具有復雜型面，砂帶磨削是由主動輪經(jīng)張緊輪帶動柱形接觸輪轉(zhuǎn)動，接觸輪帶動包裹在它外層的砂帶運動，對葉片型面進行磨削包絡成型，如圖1所示。為了使砂帶磨削盡可能地減少欠切或過切，必須使砂帶接觸輪軸線矢量與曲面型面磨削點處的最小曲率方向一致[3]，如圖2所示。為了達到這一要求，需要配置有3個直線運動和3個回轉(zhuǎn)運動的六軸聯(lián)動控制[4]。

1.2 砂帶磨削特點分析[5]

(1)汽輪機葉片屬于難加工的材料，砂帶屬于柔性材料，砂帶的磨鈍是砂帶磨損最普通和最根本的形式。在磨削過程中，隨著磨損時間和材料去除量的增長，砂帶磨損高度均逐漸增大，磨損高度因砂帶磨粒材料不同而不同，研究表明，一般可達0.2～0.4 mm，如圖3和圖4所示。

(2)葉片在被磨削過程中，其被磨削位置的材料去除量與磨削位置的壓力、相對磨削速度以及磨削時間有關，服從式(1)。

(1)

對于磨削點而言，磨削時間可以認為是瞬時，相對磨削速度可以設定，因此材料去除量與磨削位置的壓力有很大的關系。磨削位置的壓力可分解為法向力和切向力，主要受法向力的影響。即只要控制好法向力就能得到預想的材料去除量，磨削和光整加工的質(zhì)量就可以有保證。

2 磨頭結(jié)構(gòu)設計

磨頭是磨床的重要機構(gòu)，理論研究表明磨頭設計存在2個難點：(1)砂帶在磨削過程中磨損高度一般達到0.2～0.4 mm，磨削位置法向力隨磨削位置材料磨削量的變化而變化；同理，磨削力變化，磨削位置的材料磨削量就發(fā)生變化。因此要精確控制磨削量，就必須為磨削提供可控制的磨削力。(2)接觸輪(含砂帶)刀軸矢量方向與葉片型面上磨削點的最小主曲率方向一致的機械結(jié)構(gòu)如何設計才能使刀具在軟件控制下實現(xiàn)精確的軌跡包絡。

2.1 可控力磨削磨頭機械結(jié)構(gòu)研究設計

通過以前的實驗積累和最新的思考，設計出用恒力氣缸、補償彈簧和平行四邊形四桿機構(gòu)組合而成的可控磨削力砂帶磨頭機械結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其原理如圖6所示。原理闡述如下：作用在接觸輪上的力有：磨頭重力F重、氣缸壓力F氣、彈簧補償力F彈、砂帶磨削力F磨，F(xiàn)重和F彈保持不變，F(xiàn)磨由工藝設定，在確定F磨后，由程序計算出F氣大小，使式(2)平衡。

F氣+F磨=F重+F彈

(2)

當砂帶磨損導致磨削深度減小，磨削力F磨減小時

F氣+F磨

(3)

當更換新砂帶或毛坯余量不均，致使磨削深度增加，導致磨削力F磨增大時

F氣+F磨>F重+F彈

(4)

由電氣比例閥、伺服氣缸、壓力傳感器等組成的反饋回路控制恒力氣缸使F氣變大或變小，使接觸輪下降或上升，磨削深度增大或減小，使磨頭系統(tǒng)歸于平衡，達到控制磨削精度的目的。

2.2 精確包絡軌跡運動磨頭機械結(jié)構(gòu)設計[6-7]

要實現(xiàn)精確的軌跡包絡，需要X、Y、Z和A、B、C等6根軸共同運動。設計為T字形結(jié)構(gòu)的機床床身上布置3根直線運動的X軸、Y軸、Z軸和3根回轉(zhuǎn)運動的A軸、B軸、C軸。X軸由伺服電動機驅(qū)動，帶動夾持葉片的機床頭架和尾座沿著床身導軌作軸向移動(左右移動)，安裝磨頭機構(gòu)的立柱在電動機驅(qū)動下沿著床身Y軸方向作徑向移動(前后移動)，磨頭機構(gòu)在電動機驅(qū)動下沿立柱導軌在Z軸方向作上下移動。3根移動軸確定接觸輪(包含包裹在接觸輪外周的砂帶)與葉片磨削點的相對位置。

A軸運動由伺服電動機帶動專用夾具連同葉片一起做回轉(zhuǎn)運動。B軸部件的機械結(jié)構(gòu)如圖7所示，它由安裝在垂直滑臺上的B軸伺服電動機經(jīng)減速器驅(qū)動B軸小齒輪，由小齒輪帶動固定于磨頭支架上的B軸大齒輪左右擺動,磨頭支架與垂直滑臺之間設置有圓弧導軌，以保證磨頭支架有較高的支撐剛度和精確的定位導向，從而實現(xiàn)B軸繞Y軸軸線在±45°范圍內(nèi)高精度擺動。

機床磨頭C軸部件的機械結(jié)構(gòu)是由安裝在磨頭支架上的C軸伺服電動機經(jīng)減速器驅(qū)動C軸小齒輪，帶動裝于C軸回轉(zhuǎn)軸上的大齒輪使C軸繞Z軸在±90°范圍內(nèi)擺動，如圖8所示。

B軸與C軸控制接觸輪(包含砂帶)刀軸矢量方向，與A軸共同作用，使刀軸矢量方向與葉片型面上磨削點的最小主曲率方向一致，滿足磨削干涉量最小的要求。

3 磨頭結(jié)構(gòu)運動仿真分析和有限元分析

磨頭系統(tǒng)是數(shù)控砂帶磨床的一個關鍵結(jié)構(gòu)件，其設計質(zhì)量直接關系到磨床設計的成敗。為了保證所設計的磨床滿足葉片磨削時強度、剛度和運動協(xié)調(diào)性要求及磨削加工精確、可靠，本文在磨頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計初步完成后，對磨頭系統(tǒng)作運動仿真分析和對磨頭支架作力學性能分析，以檢驗磨頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的正確性。

3.1 磨頭系統(tǒng)運動仿真分析[8-9]

對磨頭系統(tǒng)進行仿真首先需對磨頭機構(gòu)所涉及的各個運動部件設置約束連接；其次，確定機構(gòu)初始零位置；最后，為恒力磨削機構(gòu)添加伺服電動機作為驅(qū)動源。以接觸輪中心點的位移和連架桿轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為研究對象進行分析，設置伺服電動機仿真驅(qū)動位移函數(shù)為s=30cos(60t+90) mm，仿真時間周期為6 s。

(1)選擇接觸輪中心點位移為檢測對象。分別選擇X軸(左右方向軸)坐標、Y軸(前后方向軸)坐標和位移矢量模在一個仿真周期內(nèi)的位移量進行測量，得到如圖9所示的結(jié)果。由圖9可見，在一個時間周期內(nèi)，接觸輪中心點在左右軸X方向最大位移量為1.4 mm，位移較小；在Y軸正負方向位移分別達到+29 mm和-28 mm，位移較大；接觸輪中心點位移矢量模與Y軸運動近似。因此可以認為接觸輪中心點的運動是前后運動。

(2)連架桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角測量，連架桿帶動接觸輪上下運動，連架桿運動由恒力氣缸活塞桿運動帶動。由圖9可知接觸輪前后方向運動極限位置是不對稱的，但位移相差不大。如果恒力氣缸活塞桿運動處于上、下兩個極限位置，而連架桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角不相等但角度相差不大，就可以得到磨頭系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計合理、運動協(xié)調(diào)的結(jié)論。由圖10可知，當活塞桿位于回程末端，即接觸輪運動至最上端時，連架桿轉(zhuǎn)動角度為6.8°；而當活塞桿位于進程末端，即接觸輪運動至最下端時，連架桿轉(zhuǎn)動角度為-6.5°?？梢娫诨钊麠U行程順逆對稱的情況下，對應運動的連架桿前后轉(zhuǎn)角并不對稱，而接觸輪在Y軸方向上下兩個極限位置也不對稱。該仿真結(jié)果與接觸輪中心點位移結(jié)果一致，證明了磨頭系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計的合理性和運動的協(xié)調(diào)性。

3.2 磨頭支架的有限元分析[10-11]

磨頭支架的剛度和強度將直接影響磨床磨削的剛度、強度以及各控制軸的傳遞精度。

磨頭支架為不規(guī)則形狀零件，Pro/E建模后導入ANSYS軟件分析。磨頭支架結(jié)構(gòu)單元的劃分選用SOLID92三維四面體單元，用6級精度進行智能網(wǎng)格劃分，模型分為10 302個單元，24 358個結(jié)點。

磨頭支架所受載荷主要有施加到其圓環(huán)套架上約1 500 N的磨頭重力載荷和磨頭支架自身約750 N的重力載荷。并且在垂直平面內(nèi)繞其轉(zhuǎn)軸在±45°范圍內(nèi)作往復擺動。本文就支架位于±45°最危受力工況下受力狀態(tài)進行分析，計算其靜剛度和強度，驗證其結(jié)構(gòu)是否滿足磨削作業(yè)要求。

建立有限元模型，施加邊界條件和工作載荷后，由軟件系統(tǒng)自動進行分析計算，得到整個磨頭支架有限單元的應力和應變，再經(jīng)后置處理，輸出支架的等效應力和應變云圖，如圖11所示。由圖中可知在最危受力工況下磨頭支架最大應力為11 MPa,接觸輪中心處最大應變?yōu)? μm，由分析結(jié)果可知，磨頭支架在±45°工況下變形較小，其剛度能夠滿足葉片磨削要求，即其結(jié)構(gòu)設計滿足要求。

4 結(jié)語

本文根據(jù)汽輪機葉片加工工藝的需要，進行了砂帶磨削特點分析和六軸聯(lián)動汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床磨削運動分析，研究和設計了數(shù)控砂帶磨床恒力磨削磨頭，對磨頭進行了運動學仿真分析，對磨頭支架進行了力學性能分析。通過制造出來的磨床樣機實際磨削驗證，所設計的磨頭結(jié)構(gòu)完全符合性能要求。圖12為磨床樣機和磨頭磨削實際運行圖片。

研究成果為葉片精整加工提供了較好的工具手段，使得葉片的加工精度、加工效率上了一個新臺階。但由于葉片數(shù)控磨削加工機床還剛剛研制成功，無論是在結(jié)構(gòu)上，還是在控制技術(shù)和編程方法上還有待進一步提高和完善。

[1]錢文明.汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床關鍵技術(shù)研究[D].揚州：揚州大學，2008.

[2]李悅.汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床自動編程系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].揚州：揚州大學，2009.

[3]梅向明，黃敬之.微分幾何[M]．北京：高等教育出版社，2003.

[4]王隆太，項余建.復雜曲面型面柔性砂帶磨削關鍵技術(shù)研究[J].機械設計與制造工程，2013，42(7)：1-4.

[5]黃智.葉片型面數(shù)控砂帶磨削技術(shù)基礎及應用研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[6]Γ Б 魯里耶.砂帶磨削[M].北京:機械工業(yè)出版社，1987.

[7]F T 法拉戈.美國磨削技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1991.

[8]姚召華.汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床結(jié)構(gòu)設計與分析[D].揚州：揚州大學，2010.

[9]林清安.完全精通Pro/Engineer野火4.0中文版綜合教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[10]張文志.機械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.

[11]鄧凡平.ANSYS 10.0有限元分析自學手冊[M].北京:人民郵電出版社，2007.