航發(fā)葉片7軸聯(lián)動(dòng)砂帶柔性磨拋技術(shù)研究*

楊俊峰，張新冬，張明德，王加林

（1.重慶三磨海達(dá)磨床有限公司，重慶 400021；2.中航動(dòng)力西安分公司，西安 710021；3.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

航空航天是一個(gè)國(guó)家高端裝備科技實(shí)力的最好體現(xiàn)，而葉片作為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵零件之一，其所處地位舉足輕重。典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片（以下簡(jiǎn)稱葉片）加工主要經(jīng)過(guò)下料、精密銑削、型面粗精磨拋等重要的工藝流程。磨拋加工一般作為快速提高葉片表面光潔度與尺寸精度的重要工序之一，受限于國(guó)外高端數(shù)控裝備的首次巨額投資等原因，一般規(guī)模企業(yè)依舊采用傳統(tǒng)耗時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)能差、加工精度低的手工磨拋方式。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)葉片加工工藝及方法開展了不同程度的研究。藺小軍等[1]為提高葉片清根加工刀心軌跡的精度與自動(dòng)化處理程度，提出了初始點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整和多搜索中心分區(qū)域搜索優(yōu)化算法，并對(duì)其算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證實(shí)了其算法的有效性與可行性。黃云等[2]通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外砂帶磨削技術(shù)的差距，提出了包括新型砂帶研制、高端精密高效砂帶磨床研制等促進(jìn)我國(guó)砂帶磨削技術(shù)發(fā)展的新技術(shù)。

本文以7軸聯(lián)動(dòng)葉片專用數(shù)控砂帶磨床為研究對(duì)象，利用溫澤白光測(cè)量?jī)x結(jié)合刀觸點(diǎn)余量提取算法得到實(shí)際葉片型面余量分布云圖，以此余量分布信息為依據(jù)生成了變拋光力NC程序。最后，進(jìn)行了實(shí)際加工試驗(yàn)，機(jī)床作業(yè)過(guò)程中磨拋工具并沒有出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滯留不前及刀軸位姿出現(xiàn)突變等加工缺陷，磨拋后葉片表面粗糙度及尺寸精度均達(dá)到了實(shí)際加工要求。

1 7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床加工系統(tǒng)

本文研究的葉片型面7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床加工系統(tǒng)原理圖如圖1所示，為使葉片適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大推重比的苛刻要求，葉片型面幾何造型較為繁瑣復(fù)雜，并且表面各刀觸點(diǎn)處法向矢量與切向矢量變化頻繁。數(shù)控砂帶磨床的7個(gè)坐標(biāo)軸如圖1所示，葉片單次裝夾便可完成包括葉片主型面、葉根圓角、進(jìn)排氣邊、阻尼臺(tái)等諸多難加工區(qū)域的磨拋加工，較高程度上提高了葉片型面的磨拋加工精度及自動(dòng)化程度。其中第7軸可根據(jù)輸入NC程序中M軸數(shù)值的不同實(shí)時(shí)改變磨拋壓力大小。

2 葉片型面刀觸點(diǎn)加工余量計(jì)算

砂帶磨削在作業(yè)過(guò)程中同時(shí)有材料切除與提升表面質(zhì)量的雙重作用，因此其在復(fù)雜曲面類零件光整加工領(lǐng)域有著不可或缺的作用[3-6]。本文所應(yīng)用的砂帶磨削方式為接觸輪與工件表面相接觸，刀具與工件之間的接觸方式可近似看作為線接觸，此切削方式較其他接觸方式相比工作效率更高。分析葉片三維幾何模型與精密銑削后的工件，可以計(jì)算出各刀觸點(diǎn)處的余量分布信息，將此分布信息作為磨拋壓力施加的依據(jù)進(jìn)行實(shí)際加工試驗(yàn)，以上分析方法具體流程為：

a. 依據(jù)實(shí)際磨拋精度設(shè)定匹配精度并評(píng)估計(jì)算參數(shù)點(diǎn)數(shù)目；

b. 將磨拋前待加工工件置于白光測(cè)量?jī)x下，依據(jù)所設(shè)定的測(cè)量路徑得到刀觸點(diǎn)位置信息；

c. 將步驟b得到的刀觸點(diǎn)位置信息進(jìn)行預(yù)處理；

d. 結(jié)合葉片三維幾何模型、接觸輪半徑和砂帶厚度等信息得到實(shí)際磨拋余量分布信息；

e. 計(jì)算施加于接觸輪上的磨拋壓力Fp；

f. 依據(jù)步驟e得到的結(jié)果，對(duì)葉片型面進(jìn)行實(shí)際磨拋，以達(dá)到最終加工目的。

實(shí)際葉片型面各刀觸點(diǎn)處磨拋余量的計(jì)算須遵循磨拋工具去除工件表面材料的規(guī)律。如圖2所示，設(shè)定搜索容差為M，密度系數(shù)為l，記dm,n中m為葉片型面U方向上參數(shù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為V方向上參數(shù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。計(jì)算容差內(nèi)所有的磨拋量dm,n：

如圖2所示，將第一個(gè)計(jì)算點(diǎn)設(shè)定為搜索初始點(diǎn)，按理論型線的彎曲方向搜尋其與實(shí)際型線間的最短距離，此最短行程線恰巧與實(shí)際型線的參數(shù)點(diǎn)處的切矢垂直。沿實(shí)際型線各點(diǎn)的切向矢量方向計(jì)算各點(diǎn)的磨拋余量。

葉片型面各計(jì)算點(diǎn)處的磨拋余量大小可用數(shù)列形式表示：

圖1 數(shù)控砂帶磨床加工系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of processing system for CNC belt-grinding machine

圖2 參數(shù)線上刀觸點(diǎn)處磨拋量Fig.2 Grinding allowance on parametric tool contacts

如圖3所示為實(shí)際葉片型面整體磨拋余量分布云圖，其中紅色區(qū)域表示葉片型面上余量較多區(qū)域，由圖可以看出葉片待磨拋余量總體分布于葉片兩端進(jìn)排氣邊處，其中部余量相對(duì)兩邊較少，故葉片中部施加壓力較兩邊相比較小。

圖3 葉片型面整體余量分布Fig.3 Global allowance distribution on the surface of blade

3 葉片型面刀觸點(diǎn)處磨拋壓力計(jì)算

本文采用的磨拋方式為縱拋，如圖4所示，砂帶磨拋葉片型面的全部過(guò)程中，其刀心點(diǎn)常駐于其型面上方的偏置面上，單就輪型磨拋工具來(lái)看，可視為接觸輪的刀心點(diǎn)始終被約束于偏置出的葉片型面上，其中偏置距離為砂帶厚度、刀觸點(diǎn)處的余量及接觸輪半徑的總和。為適應(yīng)其導(dǎo)動(dòng)面位置與形狀的實(shí)時(shí)變化，任一刀觸點(diǎn)的法向矢量始終重合于刀位點(diǎn)與刀觸點(diǎn)的連線OP，故磨拋軌跡布排方式的不同實(shí)則與被磨拋曲面形狀無(wú)太大關(guān)系。

圖4 磨拋工具走刀路線及走刀過(guò)程中接觸輪底部發(fā)生的變形Fig.4 Moving path of polishing tool and deformation on the bottom of contact wheel in the moving process

為保證砂帶在作業(yè)過(guò)程中，作用于接觸輪上的力Fp不致于過(guò)大而導(dǎo)致過(guò)切現(xiàn)象。所以接觸輪一般采用彈性材料，并行補(bǔ)足了作業(yè)過(guò)程中由于外部因素如溫度、濕度等產(chǎn)生的誤差。由于接觸輪為彈性材料結(jié)合磨削工藝獨(dú)特的加工方式，作業(yè)過(guò)程中，輪型工具必定會(huì)產(chǎn)生一定程度上的變形。依據(jù)經(jīng)典的廣義胡克定律可以得到磨拋余量高度偏差H[7]：

式中，Lb為輪型工具寬度，E1、E2分別為輪型工具與工件材料的彈性模量，μ1、μ2為泊松比，待計(jì)算曲面參數(shù)線的曲率為ρi，F(xiàn)p為接觸輪上的正向壓力，此壓力通過(guò)接觸輪中心并與刀觸點(diǎn)處的法矢重合。數(shù)控砂帶磨床磨拋葉片的過(guò)程中，諸多磨拋要素影響著葉片表面的綜合材料去除率。國(guó)外學(xué)者Cabaravdic認(rèn)為材料瞬時(shí)去除率與諸多磨拋要素之間為指數(shù)關(guān)系[8]如式（4）所示。

式中：η為試驗(yàn)過(guò)程中的修正系數(shù)；Kb為砂帶與葉片型面之間的阻力系數(shù)；Vb為磨拋工具的線速度；Vf為磨拋工具的進(jìn)給速度。將此關(guān)系式簡(jiǎn)化處理，其中修正系數(shù)η、阻力系數(shù)Kb、接觸輪寬度Lb可集成為復(fù)合影響系數(shù)C，即C=η·Kb·Lb。則式（4）可表示為：

結(jié)合式（3）與式（5），實(shí)際磨拋過(guò)程中被切除材料的高度H2可表示為：

若給定磨拋高度τ（H2），則式（6）經(jīng)轉(zhuǎn)化，實(shí)際磨拋正壓力Fp可表示為：

4 葉片實(shí)際磨拋加工試驗(yàn)

將以上分析方法應(yīng)用于實(shí)際磨拋試驗(yàn)如圖5所示，NC程序生成軟件為筆者基于OCC（Open CASCADE）軟件平臺(tái)開發(fā)而成如圖6所示，磨拋加工試驗(yàn)部分工藝參數(shù)為：磨料材料為氧化鋁堆積磨料，砂帶粒度為30目，砂帶規(guī)格為3000mm×5mm（周長(zhǎng)×寬度），磨削方式為濕磨，走刀趟數(shù)為119趟，砂帶線速度為20m/s,磨拋工具進(jìn)給速度為800mm/min。抽取單條極具代表性參數(shù)曲線，將測(cè)試刀觸點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表1所示。

圖5 葉片實(shí)際加工試驗(yàn)Fig.5 Practical polishing experiment on the surface of blade

由表1可以看出磨拋余量計(jì)算誤差ψ低于10%，并且接觸輪磨拋壓力在葉片邊緣區(qū)域較大，符合以上分析的余量分布云圖，經(jīng)數(shù)控砂帶磨床磨拋后，檢測(cè)葉片表面粗糙度與尺寸精度均符合實(shí)際拋光打磨要求，并且葉片表面光潔度較高，如圖7所示，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1 葉片型面各特征點(diǎn)處理論計(jì)算余量與實(shí)際磨拋余量

圖6 葉片加工程序生成軟件Fig.6 Software of program-generation about the polishing of blade

圖7 磨拋前后葉片表面效果Fig.7 Comparison of the effects before and after blade grinding

表2 磨拋加工試驗(yàn)后葉片型面檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文首先介紹了7軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床磨拋加工工藝，并且結(jié)合接觸輪寬度、彈性模量等磨拋要素優(yōu)化了機(jī)床作業(yè)加工時(shí)施加于接觸輪上的壓力，最后經(jīng)過(guò)實(shí)際磨拋加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文分析方法，并且得到一致性較好的葉片型面。

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