整體葉盤數(shù)控砂帶磨削技術(shù)及其試驗(yàn)

劉智武，陳貴林，黃 云，鄒 萊，劉秀梅，肖貴堅(jiān)，張 美

（1.中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

劉智武

研究員級(jí)高級(jí)工程師，中航發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域首席技術(shù)專家，長(zhǎng)期從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤環(huán)、機(jī)匣等關(guān)鍵零部件的制造及航空先進(jìn)制造技術(shù)的研究工作，曾獲中航工業(yè)技術(shù)獎(jiǎng)10項(xiàng)，國(guó)防及省部級(jí)技術(shù)獎(jiǎng)3項(xiàng)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤是新一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心關(guān)鍵零部件[1]。這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)大大降低了整體葉盤重量、減少了氣流的泄露，對(duì)于改善壓氣機(jī)的穩(wěn)定性、減少了輪盤沿徑向的溫度梯度、降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障率、提高其耐久性與可靠性具有重要影響[2-3]。

目前整體葉盤葉型加工的主流工藝是數(shù)控精密銑削加工→手工拋光→振動(dòng)（或磨粒流）光飾，由于銑削加工存在切削刀痕，僅靠振動(dòng)（或磨粒流）光飾工藝無法有效去除銑削刀痕，手工拋磨預(yù)處理仍是目前國(guó)內(nèi)主要的整體葉盤加工方式，存在形狀尺寸可控性差，型面精度、表面質(zhì)量一致性差，表面紋理不一致問題，同時(shí)存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，對(duì)操作人員的技能水平要求高，難以滿足四、五代機(jī)整體葉盤的產(chǎn)品要求[4-5]。

在國(guó)外，美國(guó)ACME、Huck等公司采用機(jī)器人夾持拋光輪和砂帶磨頭的方法實(shí)現(xiàn)了整體葉盤的精密加工，并且取得良好的效果。德國(guó)的Metabo公司采用六軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨削技術(shù)實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面的加工，但是目前仍然沒有解決葉片根部及邊緣的加工，而且對(duì)于整體葉盤的加工，還鮮見報(bào)道[2]。

重慶大學(xué)黃云等針對(duì)國(guó)內(nèi)整體葉盤的設(shè)計(jì)、制造工藝的需求，運(yùn)用七軸六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體葉盤的拋光加工，提出了一種適用于航空航天整體葉盤葉片內(nèi)、外弧面的砂帶磨削裝置[6-7]。在此基礎(chǔ)上魏和平[8]對(duì)整體葉盤葉片內(nèi)外弧型面砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行了研究。劉召洋[9]對(duì)整體葉盤葉片型面砂帶磨削路徑規(guī)劃與機(jī)床空間軸系進(jìn)行了分析。同時(shí)，Xiao和Huang[10]通過對(duì)整體葉盤定載荷自適應(yīng)數(shù)控砂帶磨削加工方法以及進(jìn)排氣邊砂帶磨削技術(shù)的研究，提高了整體葉盤單個(gè)葉片型面磨削精度以及表面質(zhì)量。

吉林大學(xué)張雷等設(shè)計(jì)了一種用于整體葉盤自動(dòng)磨拋的砂帶工具系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤葉片凸面和凹面的磨拋，有效避免磨拋過程中砂帶與相鄰非磨拋葉片的干涉[11]。在此基礎(chǔ)上，提出了用于整體葉盤葉片進(jìn)排氣邊和葉根磨拋的集成式工具系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了研究[12]。張福慶[13]對(duì)整體葉盤磨拋機(jī)床虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)分析來研究其靜動(dòng)態(tài)特性，并建立了整機(jī)多柔體動(dòng)力學(xué)模型。張小光[14]采用 CATIA 建立機(jī)床的三維模型，并運(yùn)用ANSYS Workbench 對(duì)立柱和床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。孫振江[15]和徐義程[16]對(duì)整體葉盤磨拋力/位解耦控制進(jìn)行了研究，建立了永磁同步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了基于干擾觀測(cè)器的磨拋力PID控制器和模糊 PID控制器。

可見，針對(duì)整體葉盤的數(shù)控拋磨技術(shù)國(guó)內(nèi)外做了很多的研究工作，但是磨料磨損、表面質(zhì)量一致性等關(guān)鍵技術(shù)的未突破制約了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

整體葉盤全型面數(shù)控砂帶磨削技術(shù)

1 新型砂帶磨削技術(shù)

砂帶磨削是將砂帶通過張緊機(jī)構(gòu)張緊，在壓力作用下使得砂帶與工件表面接觸，并利用驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)使之高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精密砂帶磨削加工。根據(jù)砂帶磨削的機(jī)理可以將砂帶磨削分為開式砂帶磨削和閉式砂帶磨削（圖1）。圖1（a）是典型的閉式砂帶磨削的基本形式，此種形式應(yīng)用最為廣泛。圖1（b）所示的開式砂帶磨削在精密加工和超精密加工之中有很好的應(yīng)用，由于將砂帶纏繞在卷輪上，可使用的砂帶很長(zhǎng)，可以節(jié)省換帶時(shí)間。

圖1 砂帶磨削示意圖Fig.1 Schematic diagram of abrasive belt grinding

閉式砂帶磨削形式在磨削過程中砂帶的磨損會(huì)影響整體葉盤表面質(zhì)量及型面精度，然而現(xiàn)有的開式砂帶磨削僅用于軸類零部件的精密加工，對(duì)于具有復(fù)雜曲面特征的整體葉盤的精密加工，存在一定的局限性。為了提高型面精度一致性，減小砂帶磨損對(duì)表面質(zhì)量以及型面精度的影響，提出了新型砂帶磨削方法（圖2）。

新型開式砂帶磨削主要包括卷帶輪 1、10，過渡輪 2、4，張緊輪 3，接觸輪6，接觸桿7。初始砂帶纏繞在卷帶輪1上作為儲(chǔ)帶輪，砂帶依次繞過過渡輪2、張緊輪4、過渡輪3、接觸輪6，最后纏繞在卷帶輪9上。

該方法通過壓力控制軸7控制砂帶與工件型面的接觸壓力Fa，在磨削進(jìn)給速度為Vf的同時(shí)，儲(chǔ)帶輪與卷帶輪的同步運(yùn)動(dòng)保證在帶輪半徑RL和RR不斷變化的情況下通過控制同步運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速nL和nR以及轉(zhuǎn)角θL和θR保證砂帶同步線速度VsL和VsR以及砂帶拉力TL和TR相同，進(jìn)而形成砂帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)線速度Vs。

新型砂帶磨削方法對(duì)實(shí)現(xiàn)型面精度一致性具有如下優(yōu)勢(shì)：一方面通過收卷輪驅(qū)動(dòng)輪系的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂帶不間斷自動(dòng)更新；另一方面在輪系的共同作用下，砂帶能夠產(chǎn)生一定速率的磨削運(yùn)動(dòng)(振動(dòng)頻率f和振動(dòng)幅度b)，在工件只做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的條件下，利用砂帶微切削快速累積效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)銑削殘差層的高效去除加工。由于葉盤單個(gè)葉片加工砂帶損耗少（3～5mm/cm2,其中分子為砂帶損耗長(zhǎng)度，分母為葉盤拋磨面積），長(zhǎng)卷砂帶耐用性強(qiáng)，通常，一卷砂帶（200～300m）便能夠滿足整個(gè)葉盤的加工需要。

圖2 新型砂帶磨削方法Fig.2 New method of belt grinding

2 整體葉盤型面壓力自適應(yīng)砂帶磨削技術(shù)

由于整體葉盤流道面深而窄，在磨削過程中，需要把接觸輪部件深入到兩葉片之間，為了避免磨削過程中與其他葉片發(fā)生干涉，同時(shí)實(shí)現(xiàn)流道、葉根與盤體轉(zhuǎn)接圓角過渡段等部位的磨削，接觸輪要做到足夠的小，直徑約為8mm，砂帶與接觸輪的包角也要很小。接觸輪的軸線要與葉片型面法線之間呈一定的角度α，避免產(chǎn)生側(cè)刃干涉，隨著葉片型面的變化，接觸輪軸線與葉片型面法線之間有微小的角度變量Δγ，并在加工過程中對(duì)該變量進(jìn)行修正保證接觸的最佳狀態(tài)。圖3是整體葉盤磨削磨頭結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖，磨削壓力F是氣壓缸通過杠桿原理傳給接觸輪，砂帶張緊邊的拉力為Fs，松邊的拉力為Fs'，砂帶與工件之間的摩擦力為Ff，砂帶與接觸輪軸線之間的角度為β。

根據(jù)圖3所示，接觸輪受到多個(gè)方向的力，其大小不一。為保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，受力平衡方程為：

圖3 磨頭機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Stress diagram of the grinding head

由于葉片型面的變化量非常小，因此Δγ趨于零，即cosΔγ≈1，式（1）可以簡(jiǎn)化為：

通過杠桿原理，氣缸的輸出力為Fc，活塞到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離l1與接觸輪到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離l2，3者決定了接觸輪處壓力Fc的值，即：

根據(jù)帶傳動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，在砂帶臨界打滑的狀態(tài)時(shí)，緊邊拉力Fs和松邊拉力Fs'的比值是恒定的，由歐拉公式得：

式中，f為接觸輪與砂帶之間的摩擦系數(shù)，θ為接觸輪處的包角。把式（5）和式（6）帶入式（2）可得：

在實(shí)際的整體葉盤葉片型面磨削過程中，接觸輪軸線與葉片型面的法線之間的角度變量Δγ是隨型面變化的，磨削壓力F也隨之作微小的變化，能夠更好地保證葉片型面的一致性。

整體葉盤全型面數(shù)控砂帶磨削裝置

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤設(shè)計(jì)、制造工藝的需求及葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用戶單位和重慶大學(xué)聯(lián)合開展了整體葉盤全型面數(shù)控砂帶磨削工藝試驗(yàn)方案及其試驗(yàn)裝置（圖4）的研發(fā)，該裝置包含新型砂帶磨頭、床身、高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)和導(dǎo)軌等組成。該裝置保證整體葉盤在一次裝夾的情況下完成全型面的數(shù)控精密砂帶磨削，減少由于工件重復(fù)裝夾誤差對(duì)整體葉盤砂帶磨削表面精度及一致性的影響。

圖4 整體葉盤數(shù)控新型砂帶磨削裝置Fig.4 New-belt grinding CNC equipment for blisk

磨削加工時(shí)，將整體葉盤定位裝夾在轉(zhuǎn)臺(tái)工裝上，磨頭安裝在三軸回轉(zhuǎn)和三坐標(biāo)移動(dòng)的主機(jī)上，根據(jù)葉片型面數(shù)據(jù)，采用高檔數(shù)控系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)砂帶與葉片型面的定點(diǎn)接觸，同時(shí)通過同步運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)整體葉盤的砂帶磨削。

整體葉盤砂帶磨削裝置采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控加工軟件是自行研發(fā)的砂帶磨削加工軟件系統(tǒng)TBGS，該軟件能完成數(shù)控加工代碼生成、模擬仿真以及向數(shù)控砂帶磨床傳輸數(shù)控代碼等任務(wù)，具有精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

選取4個(gè)鈦合金整體葉盤試件，試件編號(hào)為 1#、2#、3#、4#，在完成數(shù)控精密銑削加工的基礎(chǔ)上開展砂帶磨削試驗(yàn)研究，砂帶磨削完成后分別在不同編號(hào)的整體葉盤上選取一個(gè)葉片，測(cè)量葉片葉型上3個(gè)截面的型面精度及其表面粗糙度。

1 整體葉盤表面質(zhì)量分析

圖5 整體葉盤磨削前后對(duì)比Fig.5 Comparing between after and before belt grinding for blisk

圖5所示為整體葉盤型面的數(shù)控砂帶磨削前后對(duì)比圖。可以明顯看出，在采用新型開式砂帶磨削以后，加工表面為典型的塑性磨削痕跡，無粘附物存在，葉片表面質(zhì)量顯著提高，基本消除了銑削刀痕及過渡區(qū)域的接刀，葉片表面無燒傷、刮痕等缺陷，表面質(zhì)量一致性好。同時(shí)為了直觀地分析整體表面局部特征，對(duì)葉片磨削后的局部點(diǎn)進(jìn)行了放大，可以看出，在整體葉盤開式砂帶磨削以后，葉片表面紋路細(xì)膩，形成方向一致可控的磨削紋路，且該磨削紋路沿著葉片縱向方向，有利于提升整體葉盤葉片的抗疲勞性能。

圖6所示為整體葉盤砂帶磨削（Belt Grinding，BG）前后葉背型面與葉盆型面的表面粗糙度，圖6（a）為整體葉盤葉盆型面表面粗糙度；圖6（b）為整體葉盤葉背型面表面粗糙度?？梢钥闯觯茔娤鳎‵inish Milling，F(xiàn)M），整體葉盤葉盆型面表面粗糙度Ra在0.52～1.09μm之間，整體葉盤葉背型面表面粗糙度Ra在0.64～0.99μm之間，表面粗糙度一致性較差，不能滿足設(shè)計(jì)Ra0.4μm的要求。采用砂帶磨削以后，整體葉盤葉盆型面表面粗糙度Ra在0.12～0.25μm之間，整體葉盤葉背型面表面粗糙度Ra在0.16～0.25μm之間，達(dá)到設(shè)計(jì)Ra0.4μm的要求。

圖7所示為整體葉盤砂帶磨削表面殘余應(yīng)力測(cè)試?？梢钥闯觯w葉盤葉片表面殘余應(yīng)力在-200～-400MPa之間，呈壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖6 整體葉盤表面粗糙度分析Fig.6 Analysis of surface roughness on blisk

圖7 整體葉盤葉片殘余應(yīng)力分析Fig.7 Analysis of residual stress on blisk blade

2 整體葉盤型線精度分析

如圖8所示，整體葉盤精密銑削后，葉片葉背型線精度在0.036～0.082mm之間，整體葉盤葉盆型線精度在0.029～0.103mm之間。在磨削以后，整體葉盤葉背型線精度在0.019～0.038mm之間，整體葉盤葉盆型線精度在0.025～0.042mm之間。由此可以看出，經(jīng)過砂帶磨削以后，能夠明顯地提高整體葉盤全型面的型線精度及其一致性要求。

結(jié)束語(yǔ)

圖8 整體葉盤型線精度分析Fig.8 Analysis of profile precision on blisk

（1）通過采用合作單位重慶大學(xué)在新型砂帶磨削理論及磨削控制技術(shù)上的最新研究成果，在定制研發(fā)的整體葉盤專用磨削裝置上實(shí)現(xiàn)了葉盤葉型表面的全型面磨削，驗(yàn)證了新型砂帶磨削理論及控制技術(shù)的工程可行性。

（2）整體葉盤采用新型砂帶磨削后，整體葉盤葉背和葉盆型面無刮痕、燒傷等表面質(zhì)量缺陷，表面紋路細(xì)膩且紋路方向一致性高，基本消除精密銑削缺陷以及過渡區(qū)域刀痕。

（3）整體葉盤磨削后，表面粗糙度小于Ra0.4μm，型線精度小于0.05mm，表面殘余應(yīng)力為壓力應(yīng)狀態(tài)，表面殘余應(yīng)力在-200～-400MPa之間，同時(shí)型面精度一致性有所提高。

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