滾磨光整技術(shù)在航空發(fā)動機產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究

楊印權(quán)，張亞雙，梁巧云

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

航空發(fā)動機零件的表面質(zhì)量是評價產(chǎn)品的一個重要指標。目前，一些復(fù)雜型面航空零件的邊緣倒圓、機加葉片零件表面的殘留刀紋去除仍未完全擺脫手工拋光方式，除了耗費大量的人力資源，也易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至影響發(fā)動機整機性能與壽命。滾磨光整技術(shù)能有效地提高零件表面質(zhì)量等級，清除毛刺、刀痕等表面缺陷，還能使零件金屬表層產(chǎn)生微弱的塑性變形，改善表面殘余應(yīng)力狀況。當前在一些航空發(fā)動機零件制造中應(yīng)用滾磨光整技術(shù)，已取得了較好的經(jīng)濟效益與社會效益。本文對滾磨光整這項新工藝技術(shù)進行了介紹，并研究了滾磨光整技術(shù)在航空發(fā)動機產(chǎn)品中的應(yīng)用。

1 滾磨光整加工的基本類型及特點

滾磨光整加工是將工件、磨塊和磨劑按一定混合比裝入滾筒中，當滾筒運動時，在工件和磨塊間產(chǎn)生強大的擠壓力和強制流動力，迫使磨塊對工件產(chǎn)生碰撞、滾壓、滑擦和刻劃，從而實現(xiàn)對工件表面的光整加工。

1.1 滾磨光整加工的類型

根據(jù)滾筒的運動方式，滾磨光整加工可分為以下幾種形式[1]：

（1）回轉(zhuǎn)式滾磨：滾筒作單一的回轉(zhuǎn)運動，其轉(zhuǎn)速n必須小于某固定值，否則工件與磨料將緊貼在滾筒周壁，相互間不產(chǎn)生相對運動而無法實現(xiàn)表面的光整加工。因此，這種加工方法效率低、質(zhì)量差，現(xiàn)已逐漸被其他方法所取代。

（2）振動式滾磨：滾筒作三維的空間振動運動，工件和磨料在圓環(huán)形容器中沿螺旋軌跡運動，形成復(fù)雜的運動軌跡。這種加工方法對細化表面質(zhì)量較好，對表面物理機械性能的改善不大，不適用于較大較長的工件。

（3）離心式滾磨：滾筒既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)作行星運動。這種加工方法可以獲得較高的加工質(zhì)量和加工效率。

（4）主軸回轉(zhuǎn)滾磨：滾筒作回轉(zhuǎn)運動，夾持工件的主軸作逆向回轉(zhuǎn)。這種加工方法工件有固定的位置，當滾筒與主軸選擇合適的相對轉(zhuǎn)速時，便可以獲得較好的加工質(zhì)量和較好的加工效率。

（5）旋轉(zhuǎn)振動式滾磨：滾筒兼具回轉(zhuǎn)運動與空間振動運動方式。磨料運動軌跡復(fù)雜，更易加工一些復(fù)雜型面的大型工件。

1.2 滾磨光整的功能特點及適用范圍

滾磨光整主要有以下特點[2]：

（1）操作簡單，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染??；

（2）可實現(xiàn)鑄鍛件的去飛邊、去氧化層和表面清潔處理，也可用于切削加工后零件去毛刺、棱邊倒圓和細化表面，降低表面粗糙度值；

（3） 可適度改善表面應(yīng)力分布狀態(tài)；

（4）對于內(nèi)孔、溝槽及凹陷表面的光整加工相對較難，對易變形、易磕碰零件需在光整過程中作防護處理。

2 滾磨光整加工技術(shù)在航空發(fā)動機產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究

2.1 離心式滾磨光整加工用于小型工件的尖邊倒圓

搖臂是發(fā)動機可調(diào)葉片操縱系統(tǒng)中的傳動件，材料為TC4，體積小。傳統(tǒng)工藝采用手工打磨方式進行尖邊倒圓，倒圓質(zhì)量差，打磨痕跡明顯，嚴重的在放大鏡下可看出有溝槽存在，影響搖臂在工作中的傳動平穩(wěn)性。研究中利用離心式滾磨光整設(shè)備（BJG-LL05型光整設(shè)備），使零件在滾筒中自由擺放，選擇合適的磨料與磨液完成滾磨光整，并從表面形貌、表面粗糙度和疲勞壽命方面進行了對比。

（1）表面形貌測試對比。

搖臂板片光整前后尖邊倒圓情況用金相顯微鏡放大觀察，見圖1。

圖1 尖邊倒圓情況對比Fig.1 Fillet contrast

未經(jīng)過光整加工的零件表面存在手工打磨痕跡，銳邊有些鋒利，槽內(nèi)有凸起點、毛刺等，經(jīng)滾磨光整加工后槽內(nèi)凸起點、毛刺、銳邊等均被光整至圓滑狀態(tài)，且表面紋理均勻。從圖1可看出，原工藝尖邊倒圓不均勻，打磨紋理明顯。經(jīng)滾磨光整后的搖臂零件倒圓均勻、光滑，打磨紋理明顯消除。

（2）表面粗糙度檢測對比。

用觸針式輪廓儀對滾磨光整前后的搖臂表面6個點的粗糙度值進行了檢測及對比，檢測數(shù)據(jù)見圖2。

試件滾磨光整后表面粗糙度Ra值平均降低0.35μm左右。

（3）疲勞壽命測試情況。

疲勞壽命是在DC-660-5電磁振動臺上，在420MPa交變應(yīng)力載荷作用下進行測試的，對6件搖臂的疲勞壽命測試數(shù)據(jù)見圖3所示。

上述研究證明，采用新的滾磨光整加工工藝，改善了搖臂板片部位的棱邊質(zhì)量及表面粗糙度，通過疲勞壽命測試對比，滾磨光整后的試件疲勞壽命提高到原來的18倍，證明通過滾磨光整改善表面質(zhì)量、棱邊質(zhì)量等表面完整性指標，對提高零件疲勞性能是很有效的。

圖2 離心式滾磨表面粗糙度檢測對比Fig.2 Detection contrast of surface roughness of centrifugal barrel finishing

圖3 離心式滾磨疲勞壽命對比Fig.3 Fatigue lifetime contrast of centrifugal barrel finishing

2.2 主軸回轉(zhuǎn)滾磨用于復(fù)雜型面的葉片葉身刀紋去除

航空發(fā)動機壓氣機葉片型面復(fù)雜，經(jīng)數(shù)控銑削后留有銑加工痕跡，表面粗糙度及表面紋理無法滿足設(shè)計要求。采用傳統(tǒng)的手工拋光方法由于受人為因素的影響，造成葉片型面幾何精度下降，不能滿足設(shè)計要求。由于壓氣機葉片型面薄，進、排氣邊緣相當于“尖邊”，光整過程中要注重保護葉片的幾何精度不變，尤其是保持葉片進排氣邊緣的形狀不被破壞。研究中采用主軸回轉(zhuǎn)滾磨光整加工，綜合考慮了包括工件、夾具、設(shè)備、工藝參數(shù)、磨料及磨液、葉片進排氣邊邊緣的保護方式等多項影響葉片光整質(zhì)量的因素，對葉身銑加工痕跡去除進行了研究，并從表面形貌、表面粗糙度、棱邊質(zhì)量3個方面進行了測試。

（1） 表面形貌。

葉片光整前表面有明顯的縱向刀紋，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚鱗坑），對提高零件的耐磨性是非常有益的。

（2）表面粗糙度值測試對比。

用觸針式粗糙度儀，對滾磨光整前后的24個點的粗糙度值進行了檢測及對比，檢測數(shù)據(jù)見圖4。

（3）葉片型面進排氣邊緣形狀檢測。

進排氣邊緣形狀用葉片白光測量儀檢測，某截面檢測結(jié)果見圖5所示。

從圖5可看出，葉片經(jīng)機械光整后完整地保留了數(shù)控銑后邊緣的形狀，葉片進排氣邊緣圓滑轉(zhuǎn)接良好，圓滑的棱邊質(zhì)量可以降低氣流產(chǎn)生的噪音和振動，增加了葉片的抗疲勞性能。

通過表面粗糙度檢測對比可知，葉片經(jīng)滾磨光整后表面質(zhì)量提高1～2個等級；通過表面形貌測試對比可知，光整后消除了銑削刀紋，并形成了均勻的P型紋理（微觀魚鱗坑），這種表面紋理對提高零件的耐磨性是非常有益的。通過對葉片進排氣邊緣即棱邊質(zhì)量進行檢測可知，滾磨光整完整地保留了數(shù)控銑后邊緣的形狀，葉片進排氣邊緣圓滑轉(zhuǎn)接良好。

圖4 主軸回旋滾磨表面粗糙度檢測對比Fig.4 Detection contrast of surface roughness of spindle barrel finishing

圖5 葉片進排氣邊緣形狀對比Fig.5 Shape contrast of blade inlet and exhaust edge

圖6 光整前后表面紋理對比Fig.6 Surface texture contrast before and after finishing

圖7 表面應(yīng)力狀態(tài)測試對比Fig.7 Comparison of surface stress state detection

2.3 旋轉(zhuǎn)振動式滾磨用于大型盤件的表面應(yīng)力分布狀態(tài)改善

某機篦齒盤故障率高，表面孔邊緣質(zhì)量一直不穩(wěn)定，前工序經(jīng)車加工后表面應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，為了改善表面應(yīng)力狀態(tài)，同時改善零件表面質(zhì)量，采用旋轉(zhuǎn)振動式滾磨光整方式對盤件進行光整。

（1）表面形貌檢測對比。

對篦齒盤進行光整加工，光整前后的宏觀對比可知光整后車削刀紋及毛刺等表面缺陷已去除，所有棱邊圓角光滑一致。圖6是在放大180倍的顯微鏡下觀測到的表面紋理。從圖片中可以明顯看出，在經(jīng)過滾磨光整后表面加工（拋修）痕跡明顯去除，形成均勻的加工紋理。

（2）表面殘余應(yīng)力狀態(tài)檢測。

對滾磨光整前后兩種狀態(tài)的5個點的表面應(yīng)力狀態(tài)檢測對比，檢測數(shù)據(jù)見圖7所示。從圖7可知，光整后表面應(yīng)力狀態(tài)改善效果明顯，應(yīng)力由車加工的拉應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，平均壓應(yīng)力值為-458MPa。

（3）表面粗糙度檢測。

對滾磨光整前后的粗糙度值進行了檢測及對比，光整后表面質(zhì)量平均提高一個等級。

篦齒盤經(jīng)滾磨光整后所有棱邊圓角光滑一致，目視檢查加工刀痕及毛刺等表面缺陷已去除。篦齒盤的表面殘余應(yīng)力由車加工的拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，粗糙度平均提高一個等級，改善了篦齒盤表面的完整性，提高了篦齒盤的抗疲勞性能。

3 結(jié)束語

以上開展的滾磨光整加工技術(shù)應(yīng)用研究是針對不同的典型零件特點及工藝要求進行的，研究表明，滾磨光整加工不僅能有效地提高零件表面質(zhì)量等級，清除毛刺、加工刀痕等表面缺陷，改善表面形貌及棱邊質(zhì)量，而且可以改善表面殘余應(yīng)力狀態(tài)，使零件表面形成均勻的壓應(yīng)力狀態(tài)，以上技術(shù)指標的改善對提高零件的表面完整性，進而提高零件的抗疲勞性能具有明顯的效果。因此，滾磨光整加工技術(shù)是一項值得推廣和應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝。

[1]楊勝強,李文輝,陳紅玲,等. 表面光整加工理論與新技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社， 2011.

YANG Shengqiang, LI Wenhui, CHEN Hongling,et al. Surface finishing technology theory and new technology[M]. Beijing: National Defence of Industry Press, 2011.

[2]LI W H, YANG S C, YANG S Q, et al. Process characteristics research on horizontal spindle barrel finishing[J]. Advanced Materials Research, 2008, 53-54:15-19.