航發(fā)葉片7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶拋磨編程技術(shù)*

張明德，王加林

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶　400054)

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航發(fā)葉片7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶拋磨編程技術(shù)*

張明德，王加林

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶400054)

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的終加工表面質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的整體性能起著決定性作用。為此，利用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床對(duì)葉片型面進(jìn)行高效高質(zhì)量拋磨加工，在此過(guò)程中，對(duì)葉片型面進(jìn)行了相應(yīng)的拋磨軌跡規(guī)劃，并進(jìn)行了數(shù)控砂帶磨床的運(yùn)動(dòng)求解過(guò)程。將求解算法整合于OCC(Open CASCADE)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)拋磨仿真的基礎(chǔ)上生成了數(shù)控加工程序。最后，對(duì)某公司生產(chǎn)的航發(fā)葉片進(jìn)行了粗精拋磨加工實(shí)驗(yàn)，從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，此拋磨加工方法在提升葉片加工質(zhì)量的前提下大大提高了加工效率。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；拋磨加工；葉片

0引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直以飛機(jī)的“心臟”而著稱(chēng)，而葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一，其加工精度優(yōu)劣及表面一致性高低與否對(duì)飛機(jī)整體工作性能起著至關(guān)重要的影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)葉片)主要由內(nèi)弧面、外弧面、進(jìn)排氣邊、榫頭等組成，其中內(nèi)外弧面形狀極為復(fù)雜，傳統(tǒng)葉片精整方式仍采用工人借助于靠模樣板進(jìn)行手工打磨，伴隨著國(guó)內(nèi)軍工尖端技術(shù)領(lǐng)域的日漸崛起，加之葉片量產(chǎn)速度正趨于數(shù)量級(jí)上升，葉片型面扭曲程度變化較大、極化現(xiàn)象大面積鋪開(kāi)，傳統(tǒng)拋磨方式加工效率低、成本大及對(duì)工人身體健康危害程度大的缺點(diǎn)已成為其短板而存在，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足新時(shí)代高速發(fā)展要求。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者[1-2]對(duì)葉片拋磨加工手段進(jìn)行了深入的研究，并已獲得較好的磨削效果，但較國(guó)外先進(jìn)葉片拋磨技術(shù)相比還有一定差距。本文針對(duì)7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床，研究了葉片型面拋磨軌跡規(guī)劃及砂帶磨床各軸運(yùn)動(dòng)求解算法等問(wèn)題，基于OCC開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)生成了NC程序，解決了葉片型面高質(zhì)量拋磨加工難題，并且加工后葉片型面一致性較好。

1葉片型面7軸聯(lián)動(dòng)拋磨方法

為契合空氣動(dòng)力學(xué)原理，葉片型面幾何設(shè)計(jì)型線多數(shù)是通過(guò)復(fù)雜分析與大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正而得到以適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高載、高溫等惡劣且復(fù)雜的工況，此設(shè)計(jì)流程對(duì)于提高功率常居于數(shù)十萬(wàn)千瓦航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能而言起著至關(guān)重要的作用。為使接觸輪能夠完全貼合于葉片型面，數(shù)控砂帶磨床如圖1所示需要具備三個(gè)直線軸分別為X軸、Y軸、Z軸以控制刀觸點(diǎn)的可達(dá)性，其中X軸為葉片所在工作臺(tái)的左右移動(dòng)，Y軸為葉片所在工作臺(tái)的前后移動(dòng)，Z軸為磨頭相對(duì)于工件的上下移動(dòng)。其次，為適應(yīng)其型面參數(shù)線曲率的變化，機(jī)床須增設(shè)三個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別為A軸、B軸與C軸并輔以第7軸M軸用于控制浮動(dòng)壓力的大小。

圖1　數(shù)控砂帶磨床

磨頭機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、浮動(dòng)壓力機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向輪、砂帶等組成如圖2所示，在機(jī)床作業(yè)過(guò)程中，借助于浮動(dòng)壓力系統(tǒng)內(nèi)部的壓力氣缸完成刀觸點(diǎn)處的法向壓力控制，并完成不同程度拋磨量材料的切除動(dòng)作。在拋磨過(guò)程中，浮動(dòng)壓力系統(tǒng)并不孤立存在，其兼有壓力監(jiān)控作用，通過(guò)其內(nèi)部的壓力傳感器將實(shí)時(shí)拋磨壓力大小數(shù)據(jù)傳送給數(shù)控系統(tǒng)以防止磨削壓力過(guò)大而導(dǎo)致過(guò)拋現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2　7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床運(yùn)動(dòng)原理圖

2葉片型面拋磨軌跡布排

葉片體征為壁薄，型面各點(diǎn)曲率變化大，進(jìn)出氣邊邊緣圓滑。其型面的雛形可歸結(jié)為組合非均勻有理B樣條曲面(NURBS曲面)并可拆解為多組復(fù)雜解析曲面。葉片表面粗糙度、位置與形狀精度等評(píng)判其整體質(zhì)量?jī)?yōu)劣的要素對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率與整機(jī)工作性能的影響極大。為規(guī)避加工過(guò)程中易出現(xiàn)的變形、表面完整性差、弦長(zhǎng)超差等系列加工缺陷，拋磨工具走刀軌跡的合理布排與刀軸位姿的動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)葉片最終磨削效果至關(guān)重要。

圖3　葉片表面殘留銑削紋路

葉片精銑后表面殘留銑削紋路較大如圖3所示，若按走刀方式對(duì)拋磨軌跡進(jìn)行分類(lèi)可以分為縱向磨削與橫向磨削?；诒疚拇庸と~片表面銑削紋路實(shí)際狀況，橫向磨削為接觸輪沿著紋路波峰或波谷方向進(jìn)行走刀，縱向磨削為接觸輪沿著其波峰或波谷垂直方向進(jìn)行走刀。由于縱向磨削單次走刀可切除的材料較橫向磨削相比更高，根據(jù)實(shí)際工況考慮，采用縱向磨削方式進(jìn)行走刀,在去除葉片型面銑削紋路的基礎(chǔ)上提高了機(jī)床作業(yè)效率。

根據(jù)葉片型面的特點(diǎn)，完成拋磨工具加工軌跡線的設(shè)定，并經(jīng)過(guò)系列前置處理，得到數(shù)控機(jī)床的加工刀觸點(diǎn)如圖4所示，單條加工軌跡線上相鄰刀觸點(diǎn)之間的距離(走刀步長(zhǎng))須安排合理，過(guò)小或過(guò)大都將直接影響到機(jī)床的加工效率，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成燒蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4　數(shù)控砂帶磨床加工刀觸點(diǎn)

3數(shù)控砂帶磨床各軸運(yùn)動(dòng)求解方法

為在軟件平臺(tái)上生成NC程序減小人工輸入程序的難度，所以對(duì)數(shù)控砂帶磨床各軸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解。首先對(duì)機(jī)床各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，建立機(jī)床的運(yùn)動(dòng)原理圖如圖2所示。為便于分析，分別建立葉片型面刀觸點(diǎn)P處與磨頭中心處(刀位點(diǎn)c)的固聯(lián)坐標(biāo)系OpXpYpZp，OcXcYcZc及機(jī)床的坐標(biāo)系ObXbYbZb。對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)原理圖進(jìn)行分析，可以看出B軸與C軸的軸心線相交于K點(diǎn)，并且該相交點(diǎn)距刀位點(diǎn)c之間的線性距離為H，記與葉片固聯(lián)的坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的線性平移關(guān)系為T(mén)rans(X2,Y2,Z2)，與拋磨工具固聯(lián)的坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的線性平移關(guān)系為T(mén)rans(X3,Y3,Z3)，cA=cosA，sA=sinA其余類(lèi)似標(biāo)注均為此意。那么從葉片型面刀觸點(diǎn)P至磨頭刀位點(diǎn)c之間總的變換矩陣可表示為：

Ja=

(1)

以上公式亦可以寫(xiě)為：

(2)

其中，

(3)

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行求解可以得到：

W=[Wx,Wy,Wz,0]=[sB,sA·cB,cA·cB,0],T=[Tx,Ty,Tz,0]=[sB·H+XH,sAcB·H+cA·YH+sA·ZH,cAcB·H-sA·YH+cA·ZH,1]。

數(shù)控砂帶磨床作業(yè)過(guò)程中，為使接觸輪與葉片型面保持最佳的接觸狀態(tài)，即此狀態(tài)下拋磨工具與葉片本身干涉程度最小，就必須拋磨工具位姿符合以下兩個(gè)條件：

(1)使拋磨工具的刀軸矢量與葉片型面刀觸點(diǎn)處的法向矢量n重合。

(2)使接觸輪軸線平行于刀觸點(diǎn)處的切向矢量t。

如圖5所示，實(shí)際就是通過(guò)調(diào)控ABC三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸控制拋磨工具的位姿，并使其符合以上兩個(gè)條件。

圖5　數(shù)控機(jī)床ABC軸動(dòng)作調(diào)整過(guò)程

由于技術(shù)人員建模等原因，葉片三維幾何模型刀觸點(diǎn)處的法向矢量n可能指向葉片型面負(fù)向，即Wy≤0，所以必須轉(zhuǎn)動(dòng)A軸角度進(jìn)行預(yù)處理，故可以得到A軸與B軸的求解公式：

(5)

(6)

(7)

其中

(8)

式(8)中U為變換之前葉片型面切削點(diǎn)處主曲率方向，N為單位化之后的刀軸矢量。

同樣可以求得XYZ的求解公式：

(9)

第7軸M軸主要用于微調(diào)浮動(dòng)壓力軸壓力大小以不致于因壓力過(guò)大而產(chǎn)生過(guò)拋現(xiàn)象。

4拋磨加工實(shí)驗(yàn)

為了解數(shù)控砂帶磨床拋磨葉片的實(shí)際效果，取某航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)際拋磨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分為兩次進(jìn)行，將上述七軸算法整合于OCC軟件平臺(tái)生成加工程序并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真如圖6所示，實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)部分加工工藝參數(shù)如表1所示。

表1　某公司航發(fā)葉片實(shí)際拋磨工藝參數(shù)

圖6　OCC開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)下運(yùn)動(dòng)仿真及生成數(shù)控加工程序

如圖7所示，經(jīng)數(shù)控砂帶磨床拋磨加工后，葉片表面質(zhì)量有了較高程度上的提升，加工效率較人工拋磨加工相比提升約5倍，并且表面一致性較好，葉片型面整體檢測(cè)結(jié)果如表2所示，符合公司所給定的加工要求。

圖7　葉片拋磨前后表面效果

類(lèi)目加工要求檢測(cè)結(jié)果平均值標(biāo)準(zhǔn)差尺寸偏差/mm±0.050.008-0.0250.0170.0012粗糙度/Ra/μm0.350.13-0.270.210.0106

5結(jié)論

本文研究了7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床，并將其各軸運(yùn)動(dòng)求解算法集成于OCC開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，生成了相應(yīng)的數(shù)控加工程序，并在軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)仿真，最后進(jìn)行相應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果證明了用數(shù)控砂帶磨床加工航發(fā)葉片的可靠性，在提升質(zhì)量的前提下較高程度上提高了葉片拋磨加工效率。

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(編輯趙蓉)

7-axis NC Belt Grinding Programming Technology of Aero-Engine Blade

ZHANG Ming-de,WANG Jia-lin

(School of Mechanical Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,China)

Abstract：The final machined surface quality of aero-engine blade plays an important role in the overall performance of a plane. For this purpose, high efficient and quality grinding was carried out on the blade surface with multi-axis CNC abrasive belt grinding machine, in this process, planning the corresponding grinding trajectory on the blade surface, and the movement solving algorithm was implement on CNC abrasive belt grinding machine. The OCC(Open CASCADE software development platform integrated this algorithm, the software generated NC program based on the realization of the grinding simulation. Finally, this paper implement the practice grinding experiments to the blade which some company produced, from the test results, in the premise of improving the quality of blade and greatly improving the processing efficiency in this grinding method.

Key words：aero-engine ; grinding ; blade

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張明德(1975—)，男,四川蒼溪縣人，重慶理工大學(xué)副教授，碩士,研究方向?yàn)閺?fù)雜曲面零件智能化設(shè)計(jì)制造及檢測(cè)，(E-mail)zmd@cqut.edu.cn；通訊作者：王加林(1991—)，男，江蘇鹽城人，重慶理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制,復(fù)雜曲面拋磨，(E-mail)WJL9107@163.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014ZX04001031)

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-27

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0113-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.030