航空發(fā)動機葉片前后緣自由式砂帶拋光技術(shù)

張軍鋒， 史耀耀， 藺小軍， 段繼豪

西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072

航空發(fā)動機葉片前后緣自由式砂帶拋光技術(shù)

張軍鋒， 史耀耀*， 藺小軍， 段繼豪

西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室， 西安 710072

由于葉片前后緣(LTE)的輪廓形狀和表面質(zhì)量將對航空發(fā)動機的氣動性能和葉片的疲勞性能產(chǎn)生直接影響，因此為提高前后緣的輪廓度和表面質(zhì)量，通過對目前航空發(fā)動機葉片前后緣拋光所存在的問題進行分析，結(jié)合葉片前后緣拋光工藝要求，并基于自由式砂帶拋光的工藝特點，提出了葉片前后緣自由式砂帶拋光工藝方法；針對該拋光工藝方法，建立其砂帶張緊力控制系統(tǒng)，確定了拋光加工中的砂帶走刀步長計算公式及拋光軌跡規(guī)劃方法；最后以某型號葉片的前后緣作為加工對象進行拋光實驗研究。檢測結(jié)果顯示：葉片前后緣輪廓度誤差小于0.01 mm，其表面粗糙度小于0.4 μm，證實了該拋光工藝方法對提高葉片前后緣的輪廓度和表面質(zhì)量的有效性。

航空發(fā)動機葉片； 前后緣； 柔性拋光； 自由式砂帶； 軌跡規(guī)劃

葉片前后緣(Leading and Trailing Edges, LTE)分別為發(fā)動機葉片的進氣口和出氣口，其輪廓形狀對葉片的氣動性能有決定性作用。研究表明，在航空發(fā)動機的運行過程中，葉片在氣動力的作用下產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力位于葉片的前后緣，易導(dǎo)致前緣(Leading Edge, LE)燒蝕或龜裂、后緣(Trailing Edge, TE)裂紋等[1]；資料顯示，渦輪I級導(dǎo)向葉片，常會出現(xiàn)前緣燒蝕或龜裂、后緣裂紋等現(xiàn)象[2]；另外，由于航空發(fā)動機工作于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和嚴酷載荷條件，導(dǎo)致葉片的前后緣容易產(chǎn)生大面積高溫?zé)岣g[3]?？梢娗昂缶壍谋砻尜|(zhì)量對發(fā)動機的工作性能和和壽命有決定性意義，而加工缺陷容易導(dǎo)致前后緣產(chǎn)生疲勞失效，進而影響發(fā)動機壽命，嚴重時可能發(fā)生機毀人亡的災(zāi)難性后果。據(jù)統(tǒng)計，疲勞失效80%以上始于表面加工缺陷，如切削刀痕、加工殘余應(yīng)力狀態(tài)不均勻、表面燒傷、表面波紋、表層組織損傷、磨削條帶等[4]。由此可見，結(jié)構(gòu)件的疲勞性能很大程度上取決于加工表面的表面質(zhì)量，因此提高葉片前后緣的輪廓度和表面質(zhì)量對發(fā)動機葉片性能和壽命具有重要意義。

國內(nèi)目前對于葉片前后緣的拋光主要采用人工打磨拋光的方法，其一致性差、勞動強度高、環(huán)境惡劣、效率低下，成為航空發(fā)動機制造的瓶頸。文獻[5-6]對砂帶磨削的材料去除率模型進行了研究；文獻[7]對砂帶磨削材料去除率的控制方法進行了研究；文獻[8]對砂帶拋光的材料去除機理進行了研究；文獻[9-10]對砂帶磨削工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律進行了研究；文獻[11]對砂帶磨削表面的粗糙度分布特征進行了研究。這些研究對本文的研究提供了理論基礎(chǔ)。文獻[12-13]對整體葉盤葉片的砂帶磨削技術(shù)進行了研究；文獻[14-15]對葉片的砂帶拋光技術(shù)進行研究；文獻[16-17]對葉片的砂帶磨削技術(shù)進行了研究。這些研究針對的是葉片的葉盆和葉背型面，而對于葉片的前后緣拋光，目前的研究極少。文獻[18]采用自適應(yīng)CBN砂帶磨削方法對精鍛葉片進行拋光，并進行了拋光實驗，結(jié)果表明，和人工拋光相比，砂帶拋光前后緣后的形狀尺寸精度和表面質(zhì)量明顯提高；文獻[19]針對葉片前后緣提出了七軸聯(lián)動數(shù)控砂帶研磨法，并通過砂帶磨削試驗證明該方法的可行性，在此基礎(chǔ)上進行了磨削工藝參數(shù)優(yōu)化，并提出了改進方案；文獻[20]利用砂帶對葉片前后緣進行拋光，其基于葉片型面構(gòu)造特點和砂帶磨削特性的分析，規(guī)劃了葉片邊緣拋磨工具加工軌跡，并通過拋光實驗進行驗證，葉片邊緣型面表面質(zhì)量有明顯改善。這些研究目前處于實驗研究階段，尚無法應(yīng)用于實際加工。

因此，為解決航空發(fā)動機葉片前后緣的表面質(zhì)量問題，本文在上述研究基礎(chǔ)上，以葉片前后緣為研究對象，展開其自由式砂帶拋光技術(shù)研究，并對影響拋光表面質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，通過拋光實驗驗證其方法的可行性，得到較好的前后緣輪廓度及較高的表面質(zhì)量，提高了前后緣的加工效率，為前后緣的加工提供基礎(chǔ)。

1 前后緣拋光工藝要求

拋光工藝過程是一個磨具與工件表面切觸并相對運動的過程。隨著航空發(fā)動機性能的不斷提升，為了滿足其氣動性能要求，葉片越來越薄，前后緣部分厚度甚至小于0.1 mm[21]。若采用不具有彈性變形能力的磨具通過數(shù)控行切方式進行前后緣圓弧的拋光，由于磨具的變形和磨損、工件裝夾誤差、機床誤差、工件變形等加工誤差的存在，若依據(jù)理論模型進行拋光軌跡規(guī)劃，一方面，容易造成前后緣的過拋或欠拋，甚至同時出現(xiàn)多種過拋現(xiàn)象，如圖1(a)～圖1(c)所示；另一方面由于拋光行距的存在，存在的接刀痕會對拋光表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。再者，由于銑削加工后的表面波紋或啃切刀痕現(xiàn)象的存在及前后緣剛性較差等原因，易產(chǎn)生顫振甚至共振，引起拋光力的無規(guī)則變化甚至突變，易造成前后緣的嚴重磨壞，導(dǎo)致葉片報廢，如圖1(d)所示。此外，由于拋光工具尺寸遠大于前后緣尺寸，導(dǎo)致拋光工具與前后緣未能實現(xiàn)有效切觸，亦容易造成前后緣的欠拋。

因此，在葉片前后緣的拋光過程中，一方面要求拋光工具有良好的柔性，能與工件實現(xiàn)有效切觸，保證拋光過程中材料去除率的均勻性，有效避免“過拋”或“欠拋”現(xiàn)象的發(fā)生，提高拋光結(jié)果的一致性；另一方面，防止拋光過程過多的拋光熱造成前后緣表面的灼傷，滿足葉片前后緣的使用要求：表面粗糙度小于0.4 μm，輪廓度為0.08 mm；此外，加工效率要高，以提高前后緣的拋光效率，縮短其加工周期，降低葉片生產(chǎn)成本。

2 拋光工藝方法提出

砂帶主要由基材、粘接劑和磨粒等組成，其中，拋光所用砂帶基材通常選用柔軟性好、強度高的布基材，同時粘接劑也是具有柔性的樹脂膠，因此柔軟性良好。自由式砂帶拋光是利用砂帶張緊后自身的撓性對工件進行拋光，當砂帶和葉片的前后緣接觸時，在張緊力FT的作用下，可以實現(xiàn)和前后緣的良好接觸，如圖2所示。

前后緣自由式砂帶拋光方法是使砂帶在葉片前后緣的壓力作用下形成V形彎曲，在此基礎(chǔ)上使砂帶和葉片做相對運動，以此來完成圓弧形航空發(fā)動機葉片前后緣的拋光，如圖3所示。根據(jù)Preston方程，拋光過程中的材料去除率可以用式(1)表示[22]：

(1)

式中：H為材料去除厚度；kP為Preston系數(shù)，決定于砂帶的磨粒材料、磨料粒度和工件的硬度等；Fn為法向拋光力；A為接觸面積；vr為砂帶與葉片的相對運動速度。

由于砂帶的張緊力相同，因此接觸面的法向作用力Fn均勻分布且大小一樣；又因為葉片前后緣的型面截面均為近似半圓形，因此接觸面積A大小一樣。當砂帶選好以后，拋光過程中的砂帶線速度和工件的進給速度保持不變，因此vr保持不變，根據(jù)式(1)可知，自由式砂帶拋光可使拋光過程中前后緣的材料去除率保持恒定。

從上述分析可知，自由式砂帶拋光一方面可避免因無法有效切觸造成的前后緣“欠拋”問題，另一方面可避免因拋光力控制不當造成的葉片損傷，同時拋光過程材料去除率恒定，兼有研磨的效果，可顯著提高前后緣拋光的質(zhì)量；兼之砂帶磨削具有冷態(tài)特性[23]，不會導(dǎo)致葉片前后緣的灼傷，而又大大增加了作用面積，提高了拋光效率。因此本文將自由式砂帶拋光方法作為圓弧形葉片前后緣的拋光工藝方法。

3 自由式砂帶拋光技術(shù)

3.1 張緊力控制

從前文分析可知，保持砂帶張緊力大小恒定是保證拋光過程中材料去除率恒定的重要因素。當砂帶處于工作狀態(tài)時，在張緊力的作用下，砂帶會慢慢變長，會對砂帶張緊力產(chǎn)生影響；同時，在自由式砂帶拋光前后緣的過程中，由于葉片與砂帶的接觸作用，亦對砂帶張緊力產(chǎn)生影響。而砂帶的松緊程度對砂帶拋光的效率、拋光表面粗糙度和砂帶壽命有重要影響，為此需對砂帶拋光的張緊力進行實時控制。葉片前后緣所受的力如圖4 所示，在葉片的接觸作用下，砂帶張緊力FT如式(2)所示[23]。

(2)

式中：FT0為砂帶初始張緊力；μ為砂帶與工件之間的摩擦系數(shù)；θ為砂帶在前后緣上的包角。

圖4為自由式砂帶拋光前后緣的過程中砂帶對前后緣圓弧所形成的包角θ，圖中：θ1和θ2分別為包角θ在豎直方向的2個分角；φ1為包角θ靠近接觸輪一側(cè)的邊和接觸輪中心與前后緣圓弧中心連線之間的夾角，φ2為接觸輪中心與前后緣圓弧中心連線和水平方向之間的夾角。由圖4中幾何關(guān)系可知：

θ=θ1+θ2

(3)

θ1=90°-(φ1+φ2)

(4)

式中：φ1=arccos((R+r)/l1)，R為砂帶機構(gòu)接觸輪半徑，r為葉片前后緣圓弧半徑，l1為前后緣中心與接觸輪中心距離；φ2=arcsin(l2/l1)，l2為前后緣中心與接觸輪中心的豎直距離。由此可得θ1的計算公式為

(5)

同理，可得θ2的計算公式為

(6)

式中：R′為導(dǎo)輥半徑；l3為前后緣中心與導(dǎo)輥中心的距離；l4為前后緣中心與導(dǎo)輥中心的豎直距離。

將式(5)、式(6)代入式(3)可得θ的計算公式為

(7)

圖5所示為本研究所采用的砂帶拋光機構(gòu)，其中，張緊力由氣缸提供。張緊力控制系統(tǒng)主要由氣源、低摩擦氣缸、比例減壓閥、減壓閥、壓力傳感器、工控機、A/D和D/A轉(zhuǎn)換裝置、驅(qū)動器及功率放大器等組成，如圖6所示。工控機作為控制器，對氣缸無桿腔壓力反饋信號進行采集、處理并發(fā)出控制信號；減壓閥用于控制氣缸有桿腔的壓力，使其保持恒定且可調(diào)；比例減壓閥將控制信號轉(zhuǎn)換為壓力信號并通過控制氣缸的氣體流量來對氣缸活塞桿位移進行實時控制，從而對砂帶張緊力進行實時控制。

3.2 走刀步長確定

為了保證拋光表面質(zhì)量的均勻性，因此采用等步長法[24]確定砂帶機構(gòu)的走刀步長，如圖7所示，圖中：P1,P2, …,Pm表示分割點，m為分割點的數(shù)目。設(shè)相鄰兩個分割點兩點之間距離為走刀步長ls，將分割點P1和P2之間的弧線近似看作圓弧，則根據(jù)圖7中幾何關(guān)系可知：

(8)

由式(8)可知，走刀步長和前后緣中心線的曲率半徑及相鄰兩個分割點間圓弧所對應(yīng)的圓心角有關(guān)。根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識可知，sinα≈α-α3/6，故δ=lc-ls≈ρα3/3。事實上，由于前后緣是連接葉盆和葉背的過渡部位，其彎扭程度相對于葉盆或者葉背型面小很多，其曲率變化較小，即α較小，故δ很小，如圖8所示(ρ=0.5 mm)。結(jié)合實際經(jīng)驗，取ls=0.6B～0.8B。

3.3 拋光軌跡規(guī)劃

利用確定的走刀步長ls，通過UG NX軟件對葉片模型中的前后緣中心線進行分割并分別獲取各分割點Pk及其在葉片積疊軸上投影點Qk的坐標，k=0,1,…,m。設(shè)砂帶控制點為接觸輪幾何中心，則拋光過程的具體步驟如下：

步驟1 在初始P0點時，葉片圍繞前后緣中心線擺動β-θ，β為前后緣圓弧所對圓心角。

步驟2 砂帶控制點由P0點移動步長ls到P1點，然后葉片圍繞前后緣中心線擺動-(β-θ)。

步驟3 砂帶控制點由P1點移動步長ls到P2點，然后葉片圍繞前后緣中心線擺動β-θ。

步驟4 重復(fù)步驟1～步驟3，即可完成葉片前后緣的拋光，如圖9所示。

從上述分析可知，在葉片前后緣的拋光過程中，葉片進給運動為在Pk點圍繞前后緣中心線的擺動，其運動軌跡為

Sk=(-1)k(β-θ)

(9)

式中：k=0,1,…,m。

走刀軌跡通常是指拋光工具的運動軌跡，為了方便，將接觸輪幾何中心點作為前后緣拋光時的拋光點位，其軌跡定義為拋光軌跡。圖10為采用自由式砂帶拋光方法進行葉片前后緣拋光的過程示意圖，圖中：虛線表示葉片圍繞其設(shè)計回轉(zhuǎn)中心——積疊軸[25]擺動γ(0≤γ≤|β-θ|)后葉片和砂帶機構(gòu)的狀態(tài)；Pk0和Pk*分別表示在Pk點前后緣圓弧中心的初始坐標和葉片擺動γ后的坐標；Uk0和Uk*分別表示在Pk點接觸輪幾何中心的初始坐標和葉片擺動γ后的坐標；Lk表示在Pk點時前后緣圓弧中心與葉片積疊軸的距離。

由圖10可知，在拋光過程中，接觸輪和前后緣中心線的相對位置保持不變，即二者的坐標差保持不變，恒為(0,Δy,Δz)。設(shè)葉片積疊軸所在軸為X軸，豎直方向為Z軸，Pk點坐標為(xk,yk,zk)，則Qk點坐標為(xk, 0, 0)，接觸輪幾何中心點坐標Uk為(xk,yk-Δy,zk-Δz)，由此可得拋光點位的軌跡為

(10)

4 拋光實驗

采用自由式砂帶拋光工藝方法進行航空發(fā)動機某型號葉片的前后緣拋光實驗研究。葉片長度約80 mm，寬度約30 mm，材料為TC4，砂帶磨粒材質(zhì)為SiC，具體拋光參數(shù)見表1。整個拋光過程分粗拋、半精拋和精拋三個工序進行，圖11是某航空發(fā)動機葉片前后緣拋光現(xiàn)場。拋光實驗開始前，在葉片前后緣輪廓線上均勻取5個點進行表面粗糙度的檢測，同時在選取的5個點，沿前后緣圓弧均勻取5點進行輪廓度的檢測，取其平均值作為輪廓度的檢測結(jié)果，如圖11所示。拋光后檢測的項目與部位和拋光前相同。

砂帶張緊力采用Advantech公司生產(chǎn)的IPC-610-H型工控機進行控制，控制循環(huán)周期為0.05 s。通過PCL818L數(shù)據(jù)采集卡、PCL730隔離數(shù)字量I/O卡和PCL726 D/A模擬量輸出卡等進行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和輸出。采用LabWindows/CVI軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行顯示和處理，并通過工控機發(fā)出指令信號對氣動壓力系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對砂帶張緊力的實時控制。該拋光實驗中，張緊力FT=5 N。

表1 拋光參數(shù)Table 1 Polishing parameters

利用三坐標測量機進行前后緣輪廓度的檢測。表2 為銑削后和拋光后的前后緣的輪廓度，圖12和圖13分別為銑削后和拋光后的前后緣的輪廓誤差和表面狀況對比圖，可見，拋光后前后緣的輪廓形狀保持良好，輪廓度一致性顯著提高，輪廓度誤差均小于0.01 mm；前后緣表面粗糙度和表面形貌采用奧地利Alicona公司生產(chǎn)的IFM-G4三維表面形貌測量儀進行觀測。表3為銑削后和拋光后的前后緣的表面粗糙度，由表3和圖13 可知，拋光后前后緣的表面粗糙度明顯降低，其表面粗糙度小于0.4 μm。

表2 銑削后和拋光后的前后緣輪廓度

Table 2 Profile tolerance of LTE after milling and polishing

TestpointProfiletolerance/mmLeadingedgeTrailingedgeAftermillingAfterpolishingAftermillingAfterpolishingPoint10.0680.0080.0520.009Point20.0420.0070.0570.007Point30.0530.0080.0620.007Point40.0410.0060.0430.008Point50.0550.0070.0390.006

實驗結(jié)果表明，通過自由式砂帶拋光工藝方法拋光后的葉片前后緣輪廓度和表面粗糙度均滿足其設(shè)計要求，驗證了葉片前后緣自由式砂帶柔性拋光技術(shù)。此外，該方法實現(xiàn)了葉片前后緣的拋光的自動化，與人工拋光相比，其拋光表面質(zhì)量一致性大大提高。

TestpointRoughness/μmLeadingedgeTrailingedgeAftermillingAfterpolishingAftermillingAfterpolishingPoint12.120.371.870.36Point22.020.351.960.35Point31.850.362.210.37Point42.170.382.170.38Point51.940.391.760.36

5 結(jié) 論

1) 基于目前航空發(fā)動機葉片前后緣拋光中所存在問題分析，提出了葉片前后緣拋光工藝要求。

2) 基于自由式砂帶拋光的特點分析，提出了葉片前后緣數(shù)控自由式砂帶拋光工藝方法。

3) 建立了砂帶張緊力控制系統(tǒng)，針對前后緣自由式砂帶拋光方法，確定了走刀步長計算公式，研究了拋光軌跡規(guī)劃方法。

4) 拋光實驗表明，前后緣的輪廓度誤差小于0.01 mm，表面粗糙度小于0.4 μm，能夠滿足航空發(fā)動機葉片前后緣的拋光要求。

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(責(zé)任編輯：李世秋)

＊Corresponding author. E-mail: shiyy@nwpu.edu.cn

Freestyle belt polishing technology for leading and trailing edges of aero-engine blade

ZHANG Junfeng, SHI Yaoyao*, LIN Xiaojun, DUAN Jihao

TheKeyLaboratoryofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnology,MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

As the key part of the blade, the leading and the trailing edges (LTE) play a very important role in aero-engine. The profile of the LTE can directly affect the aerodynamic performance of aero-engine, and its surface quality can largely determine the fatigue life of the blade. To reduce the profile error and improve the surface quality, the problems existing in LTE polishing process are analyzed. Based on the polishing requirements of LTE and the process features of abrasive belt polishing, the method of freestyle belt polishing process with tension force control system for LTE is proposed. The calculation formula for feeding step length and polishing path planning method are obtained. The polishing experiments of a blade are carried out. The test results show that the profile accuracy and surface quality of LTE are improved significantly, with the profile error being less than 0.01 mm and roughness less than 0.4 μm.

aero-engine blade; leading and trailing edges; flexible polishing; freestyle belt; path planning

2016-04-18； Revised：2016-04-22； Accepted：2016-05-30； Published online：2016-06-14 09：07

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160614.0907.002.html

National Science and Technology Major Project (2015ZX04001003)

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0179

2016-04-18； 退修日期：2016-04-22； 錄用日期：2016-05-30； 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-14 09：07

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160614.0907.002.html

國家科技重大專項 (2015ZX04001003)

＊通訊作者.E-mail: shiyy@nwpu.edu.cn

張軍鋒， 史耀耀， 藺小軍， 等． 航空發(fā)動機葉片前后緣自由式砂帶拋光技術(shù)[J]． 航空學(xué)報, 2017, 38(3): 420327. ZHANG J F, SHI Y Y, LIN X J, et al. Freestyle belt polishing technology for leading and trailing edges of aero-engine blade[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(3): 420327.

V261.2+5

A

1000-6893(2017)03-420327-09