整體葉盤葉片自動(dòng)化拋光顫振抑制技術(shù)

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

整體葉盤是將葉片和輪盤設(shè)計(jì)為整體的新型結(jié)構(gòu)件，由于減輕了零件重量、降低了氣體性能損失，因而對(duì)于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要作用，是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的新型結(jié)構(gòu)件[1-3]。為提高整體葉盤葉片的型面質(zhì)量，保證整體葉盤在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等工況下的性能，精加工后必須對(duì)葉片型面進(jìn)行拋光[4-6]。然而，整體葉盤葉片屬于典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，葉身薄，拋光時(shí)極易發(fā)生顫振現(xiàn)象，造成拋光工具磨損嚴(yán)重、葉片型面出現(xiàn)魚鱗狀波紋[7-8]。這種波紋的方向與拋光軌跡的方向大致垂直，波紋長(zhǎng)度短淺不一，間距較大，目視即可觀察到，部分區(qū)域的波紋度甚至比拋光前還要大。

目前針對(duì)整體葉盤葉片拋光顫振的相關(guān)文獻(xiàn)鮮見。本文基于整體葉盤葉片拋光的顫振問題，以整體葉盤自動(dòng)化拋光機(jī)為平臺(tái)，剖析顫振機(jī)理，闡述顫振抑制技術(shù)，經(jīng)過驗(yàn)證，抑制技術(shù)解決顫振引起的葉片表面質(zhì)量缺陷，實(shí)現(xiàn)整體葉盤葉片的高質(zhì)量自動(dòng)化拋光。

1 自動(dòng)化拋光系統(tǒng)及顫振機(jī)理

自動(dòng)化拋光過程中，磨頭與工件之間發(fā)生的顫振現(xiàn)象屬于典型的自激振動(dòng)[9]。如圖1所示，拋光加工時(shí)，拋光力與磨頭、工件間的相對(duì)位移會(huì)存在動(dòng)態(tài)交互作用，這成為了顫振現(xiàn)象發(fā)生的根源。首先，磨頭拋光整體葉盤葉片時(shí)，拋光力會(huì)造成磨頭、工件發(fā)生彈性變形；隨后，磨頭的磨齒離開整體葉盤葉片表面，拋光力釋放，磨頭和葉片間發(fā)生微小的振動(dòng)，葉片表面出現(xiàn)細(xì)微的波紋；最后，在工藝參數(shù)理想、拋光系統(tǒng)不受干擾的條件下，相鄰兩次拋光所形成的波紋相位一致，葉片表面余量被均勻地切除，如圖2（a）所示，顫振現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。事實(shí)上，自動(dòng)化拋光系統(tǒng)的振動(dòng)頻率與磨齒的加工頻率不完全一致，拋光力反饋系統(tǒng)存在延時(shí)性，造成拋光產(chǎn)生的振動(dòng)波紋相位并不一致，如圖2（b）、（c）中所示。葉片表面的振動(dòng)波紋增加了后續(xù)瞬間的拋光余量，拋光力隨之增大，拋光力的變化又會(huì)引起振紋的增大，最終導(dǎo)致顫振現(xiàn)象的發(fā)生。劇烈再生顫振會(huì)造成葉片表面粗糙度差、拋光精度降低、磨頭磨損加劇，對(duì)保證整體葉盤葉片的型面質(zhì)量極為不利[10-11]。

圖1 拋光顫振閉環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Closed-loop system of polishing flutter

圖2 磨頭、工件之間相對(duì)位置的變化Fig.2 Change between the grinding and workpiece

2 拋光顫振抑制技術(shù)

在有限元分析與測(cè)力分析的基礎(chǔ)上，可采用編程技術(shù)優(yōu)化、拋光參數(shù)優(yōu)化、提高系統(tǒng)剛性3種方法來解決整體葉盤葉片拋光顫振問題。

2.1 編程技術(shù)優(yōu)化

整體葉盤葉片拋光編程需重點(diǎn)確認(rèn)刀軸方向及拋光軌跡[12]。刀軸方向通常按最佳磨頭軸向準(zhǔn)則計(jì)算，受通道多約束的影響，計(jì)算的刀軸方向會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的變化，造成自動(dòng)化拋光系統(tǒng)工作臺(tái)或主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致拋光力產(chǎn)生突變，引起更大的振動(dòng)位移，如此循環(huán)引起拋光顫振現(xiàn)象的發(fā)生。需要在確定刀軸方向初始矢量的基礎(chǔ)上進(jìn)行光順處理，如圖3所示。

整體葉盤拋光時(shí)通常有單行切法和雙面環(huán)切法兩種刀具軌跡。單面行切法是拋光完葉片一側(cè)型面之后，再加工另一側(cè)型面；而雙面環(huán)切法的工藝特征是同步均勻拋光葉片的葉盆、葉背兩側(cè)型面。

在如圖4所示的試驗(yàn)?zāi)M件上進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)，采用單面行切拋光軌跡的零件實(shí)測(cè)最大變形量達(dá)到0.16mm，而采用雙面行切拋光軌跡的零件實(shí)測(cè)最大變形量?jī)H為0.01mm。較小的變形量降低了系統(tǒng)振動(dòng)頻率與磨輪齒切入/切出頻率之間不相匹配的可能性，減小了顫振現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 光順前后刀軸方向的對(duì)比Fig.3 Cutter axis orientations before and after smoothing

圖4 整體葉盤葉片試件Fig.4 Specimen of blisk blade

2.2 拋光參數(shù)優(yōu)化

拋光參數(shù)主要包括磨頭磨料粒度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量。磨頭磨料粒度有 120#、150#、200#、240# 4種，分別記為p1、p2、p3、p4；主軸轉(zhuǎn)速選擇 10000r/min、12000r/min、15000r/min、18000r/min，分別記為v1、v2、v3、v4；進(jìn)給量以0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.08mm為研究對(duì)象，分別記為a1、a2、a3、a44種。共有64種排列組合，如表1所示。

對(duì)64種情況進(jìn)行葉片拋光試驗(yàn)，并對(duì)拋光后葉片表面粗糙度、波紋度、平均誤差、內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)比較對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，磨頭磨料粒度為p3、主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min、進(jìn)給量為0.05mm時(shí)，加工振動(dòng)幅值和頻率小，葉片表面質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，滿足整體葉盤使用工況。因此選擇p3、主軸轉(zhuǎn)速為18000r/min、進(jìn)給量為0.05mm的拋光參數(shù)，可有效地避免拋光顫振現(xiàn)象。

表1 整體葉盤葉片拋光試驗(yàn)組別

2.3 提高系統(tǒng)剛性

通過工藝填充方法，可以提高葉片拋光時(shí)的剛性系統(tǒng)、增加顫振阻尼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)幅值的控制[13]，如圖5所示。整體葉盤葉片間填充了改性石蠟，增加了整體葉盤拋光系統(tǒng)的整體剛性，有效地降低了拋光加工時(shí)的振動(dòng)幅值，降低顫振發(fā)生的可能性。同時(shí)葉盤周圍用過濾布圍繞，防止蠟屑堵塞冷卻系統(tǒng)。

圖5 整體葉盤葉片工藝填充Fig.5 Filling process of blisk blades

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上分析，選用自動(dòng)化拋光機(jī)構(gòu)為執(zhí)行元件，以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤為對(duì)象，經(jīng)編程技術(shù)優(yōu)化、拋光參數(shù)優(yōu)化、提高系統(tǒng)剛性進(jìn)行試驗(yàn)，拋光對(duì)比結(jié)果如圖6、圖7所示。葉片表面質(zhì)量測(cè)試結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用顫振抑制技術(shù)后葉片波紋度、表面粗糙度、內(nèi)應(yīng)力等指標(biāo)均有了明顯降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖6 拋光顫振的葉片F(xiàn)ig.6 Blade of polishing flutter

圖7 采用顫振抑制技術(shù)拋光的葉片F(xiàn)ig.7 Blade after using flutter suppression technology

表2 整體葉盤葉片拋光試驗(yàn)組別

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤葉片自動(dòng)化拋光過程中，顫振現(xiàn)象嚴(yán)重影響葉片表面最終質(zhì)量，為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的使用要求，解決葉片拋光顫振現(xiàn)象，通過剖析顫振機(jī)理，采取合適的抑制技術(shù)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的優(yōu)越性。

（1）確定了編程技術(shù)優(yōu)化、拋光參數(shù)優(yōu)化、提高系統(tǒng)剛性等3種拋光顫振抑制技術(shù)。

（2）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，顫振抑制技術(shù)解決了顫振現(xiàn)象，葉片表面質(zhì)量得到了較大的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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