航空發(fā)動機鈑焊機匣外表面振動式滾磨光整加工方案及裝備研發(fā)

石海波，呂 彤，姜豪增，李文輝，楊勝強

（1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024；2.廊坊市北方天宇機電技術(shù)有限公司，廊坊 065000；3.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024）

0 引言

航空發(fā)動機被譽為飛機制造業(yè)“皇冠上的明珠”，是飛機的關(guān)鍵部件之一，其安全可靠性直接關(guān)系到飛機的飛行安全。而機匣[1]是航空發(fā)動機中的重要部件，是發(fā)動機支撐轉(zhuǎn)子和固定靜子的重要部分，還和其他部件一起構(gòu)成發(fā)動機的氣流通道。航空發(fā)動機機匣構(gòu)件的選材以高強度鋼、高溫合金、高溫鑄造合金和鈦合金等材料為主[2]，通過鑄造、鍛造、切削和焊接等手段加工成型。鈑焊機匣是機匣中一種常見的形式，往往由諸多鍛件、鑄件和板料沖壓件通過各種焊接方法連接而成。機匣的表面質(zhì)量嚴(yán)重影響零件的疲勞壽命，機匣表面質(zhì)量包括表面粗糙度、孔和棱邊的邊緣處理、表面損傷和清潔度等多各方面。鈑焊機匣在加工焊接完成后表面殘留污漬，孔周邊及機械加工表面有毛刺尖邊等，焊縫不夠均勻連續(xù)，這些表面缺陷會嚴(yán)重影響機匣在使用過程中的可靠性，會造成零件的疲勞失效，所以對機匣表面的處理已經(jīng)成為機匣加工不可或缺的一道工序，固化到機匣生產(chǎn)的流程中。傳統(tǒng)的工藝方法是采用人工拋修[3,4]，通過鉗工手工對零件表面及孔周邊的毛刺、棱邊進(jìn)行打磨。但受操作者技能與工藝方法限制，零件表面粗糙度一致性差，存在二次拋修劃痕，質(zhì)量不統(tǒng)一，工作勞動強度大，效率低，無法滿足零件批量化加工，嚴(yán)重影響機匣的加工效率，制約航空工業(yè)的發(fā)展。隨著振動式滾磨光整加工技術(shù)的出現(xiàn)以及在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣，為了解決以上現(xiàn)狀，選用表面光整加工技術(shù)中的振動光飾技術(shù)研制一種可以高效率，高質(zhì)量進(jìn)行鈑焊機匣表面光飾的自動化設(shè)備，盡可能實現(xiàn)自動化，減少工人的勞動強度[5～7]。本文從工程應(yīng)用研發(fā)為出發(fā)點，重點闡述設(shè)備總體方案、設(shè)備參數(shù)的選擇和工程化應(yīng)用的裝備研發(fā)相關(guān)問題，確定了工程應(yīng)用的振動滾磨光飾鈑焊機匣的成套裝備方案。

1 技術(shù)方案

1.1 零件分析

圖1為鈑焊機匣零件示意圖，由圖中可以看出，鈑焊機匣由若干段組焊而成，包括環(huán)形主體部分和兩端的安裝邊，形成一個桶狀外形，每一段在焊接前都要進(jìn)行相應(yīng)的切削加工。機匣兩端直徑并不相同，整個外形有一定的錐度，實物零件外表面還有起加強作用的網(wǎng)格狀筋板和其他起安裝作用的結(jié)構(gòu)件，而表面缺陷就主要集中在機匣外表面機加工后殘留的毛刺，凸起結(jié)構(gòu)的銳邊，焊接處的凸起。方案設(shè)計時，機匣兩端最大直徑D1和D2，總長L1是重點考慮的參數(shù)。

圖1 鈑焊機匣零件示意圖

1.2 方案加工機理選擇

振動式滾磨光整加工技術(shù)是一項用途廣泛的表面處理技術(shù)、工藝，其加工效率高、應(yīng)用廣泛、加工質(zhì)量好、成本低且操作簡便，能很好適用于機匣零件外表面處理。振動式滾磨光整加工設(shè)備分為立式和臥式兩種。

立式振動光整設(shè)備如圖2所示，由空間運動單軸慣性激振器驅(qū)動。激振器豎直安裝，激振器軸的兩端安裝有偏心塊，兩個偏心塊在水平面的投影成一定夾角。設(shè)備容器與激振器連接成一個整體，當(dāng)激振器的主軸高速旋轉(zhuǎn)時，偏心塊產(chǎn)生水平激振力和豎直激振力矩，使環(huán)形容器產(chǎn)生復(fù)雜的周期性振動，使容器中的滾拋磨塊和被加工工件既繞容器中心軸（豎直）公轉(zhuǎn)，又繞圓環(huán)中心翻滾，其合成運動為環(huán)形螺旋運動。

圖2 立式振動光整設(shè)備簡圖

臥式振動光整設(shè)備如圖3所示，設(shè)備容器為底部弧形的長槽，由軸水平安裝的激振器進(jìn)行激震，軸上裝有另個可調(diào)整布置夾角和偏心量的偏心塊，當(dāng)激振器水平軸高速回轉(zhuǎn)時，偏心塊產(chǎn)生離心激振力，使槽式容器產(chǎn)生周期振動，使容器中滾拋磨塊和被加工工件沿容器壁定向翻滾。

圖3 臥式振動光整設(shè)備簡圖

由1.1節(jié)以及對鈑焊機匣實物的調(diào)研可知，大型鈑焊機匣的直徑和長度可以達(dá)到1米以上，立式振動設(shè)備的圓環(huán)型容器更適用與小型零件的光飾，對鈑焊機匣這種大尺寸大表面的零件無能為力，而臥式振動設(shè)備的槽式容器可以進(jìn)行大型化設(shè)計，容器的形狀能更好的適用于機匣零件，并且臥式振動設(shè)備的滾拋磨塊可以產(chǎn)生更大的沖擊力，對機匣表面毛刺去除更加有效，綜上選擇臥式振動光整加工[8]作為鈑焊機匣表面光飾設(shè)備的研發(fā)的基礎(chǔ)。

1.3 總體方案設(shè)計

考慮到鈑焊機匣屬于大型且特殊要求的零件，零件的價值較高，在光整加工過程中不得對零件造成損壞，需要采用夾具將零件固定，同時從工程應(yīng)用考慮，要使設(shè)備具備相當(dāng)?shù)淖詣踊潭龋瑴p輕工人的勞動程度并增加工作效率，結(jié)合臥式振動滾磨光整加工工藝參數(shù)[9,10]，設(shè)計圖4總體方案。

如圖4所示，整個鈑焊機匣光整設(shè)備由振動料箱系統(tǒng)、驅(qū)動夾持系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、立柱旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和裝卸送件系統(tǒng)等部分組成。驅(qū)動夾持系統(tǒng)使機匣零件在加工過程中與料箱處于相對固定位置，這樣就避免了零件與料箱的磕碰。在支撐住零件的同時，驅(qū)動零件繞自身軸線做正反方向回轉(zhuǎn)運動，使零件具有一個旋轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)速度，磨料在振動料箱的驅(qū)動下具有一個翻滾的流動速度，從而磨料與零件表面產(chǎn)生一定的相對運動速度，所以磨料會對零件表面產(chǎn)生一定作用力F，實現(xiàn)鈑焊機匣表面光整加工。從自動化及減輕勞動強度方面考慮，設(shè)置裝卸位，裝卸位設(shè)置裝卸送件托盤，若設(shè)備具有外防護(hù)圍欄，裝卸送檢托盤可以設(shè)計為移動式。工人在圍欄外將零件與工裝放到托盤上，托盤將工件送至裝卸位，立柱旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)行裝卸位與加工位的轉(zhuǎn)換。整個方案綜合振動光整均勻性和滾磨光整高效性特點，在裝配研發(fā)中要對表1所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

圖4 鈑焊機匣振動光整設(shè)備總體方案圖

表1 設(shè)備主要參數(shù)表

2 工程應(yīng)用裝備研發(fā)

從總體方案出發(fā)并充分考慮光飾加工過程中的成本、效率、安全、環(huán)保和工程應(yīng)用實際需求，研發(fā)鈑焊機匣振動滾磨光整成套裝備。除了在總體方案中包含的振動料箱系統(tǒng)、驅(qū)動夾持系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、立柱旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和裝卸送件系統(tǒng)幾個核心部分外，還應(yīng)包括水循環(huán)過濾系統(tǒng)[11]和磨料抽吸清洗系統(tǒng)。

2.1 振動料箱系統(tǒng)

振動料箱系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心，傳統(tǒng)振動料箱的激振器布置于底部，料箱需要設(shè)計足夠的深度保證零件在料箱內(nèi)與磨料運動。而鈑焊機匣零件尺寸大，需要由驅(qū)動夾持系統(tǒng)夾持懸掛于料箱中進(jìn)行光整加工。從設(shè)備實際應(yīng)用出發(fā)，為了避免驅(qū)動夾持系統(tǒng)帶零件進(jìn)入料箱需要過大的升降行程，而造成設(shè)備總體高度過高，應(yīng)盡量減少料箱的垂直高度。

本設(shè)備的料箱采用兩臺立式振動電機作為激振器，分別以旋轉(zhuǎn)軸水平的方式布置在料箱的兩端，在安裝時要保證兩個電機的軸線在一條直線上，同時兩臺振動電機的偏心塊要保證具有相同的角度，在旋轉(zhuǎn)時還要保證兩個電機的轉(zhuǎn)向同向，激振電機只有做到以上幾點才能保證振動料箱產(chǎn)生正確的振動效果。

為了減少振動料箱系統(tǒng)在工作中的噪音，增加設(shè)備的壽命，采用新型大型回轉(zhuǎn)曲面空氣彈簧代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制彈簧。空氣彈簧具有承載大、壽命長、成本低、免維護(hù)、偏心承載能力強和初始高度小等優(yōu)點，用很少的數(shù)量就能夠承載極大的載荷。需要為空氣彈簧配置一套氣動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對彈簧的充氣和放氣。

料箱的幾何尺寸L2×B×H可以根據(jù)加工的最大鈑焊機匣零件的長度和最大直徑一次確定，L2要大于驅(qū)動夾持系統(tǒng)夾持上零件的最大長度，B大于零件最大直徑200mm左右，由于零件懸掛與料箱中加工，H只要能夠滿足零件深入料箱與運動的磨料能夠充分接觸即可。通過振動電機的全新布置，空氣彈簧的應(yīng)用和料箱深度的適當(dāng)選擇，就充分合理的降低了料箱的深度，保證了設(shè)備總體高度的實用性。

料箱的結(jié)構(gòu)剛度是影響振動效果的最重要因素，若剛度不足，變形不均勻，會導(dǎo)致振動效果差，噪音大，料箱局部損壞等現(xiàn)象，因此料箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。如圖5所示，通過有限元分析可知，料箱振動電機兩個安裝面是薄弱環(huán)節(jié)，在電機安裝面沒有重點加強時，此處局部變形大，所以這兩個面上需要設(shè)計相應(yīng)的加強筋以保證總體的剛度達(dá)到要求，在加強后可以看出料箱的整體變形更均勻。

2.2 驅(qū)動夾持系統(tǒng)

驅(qū)動夾持系統(tǒng)由主軸箱、尾座箱、橫梁體及液壓系統(tǒng)構(gòu)成，主軸箱和尾座箱安裝在橫梁體上，主軸箱、尾座箱和液壓系統(tǒng)構(gòu)成夾持系統(tǒng)，在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，主軸箱和尾座箱可以同步反向運動，以便對裝好工裝的零件進(jìn)行夾持。主軸箱驅(qū)動機匣零件進(jìn)行自轉(zhuǎn)，由電機和齒輪傳動構(gòu)成，在設(shè)計時根據(jù)加工零件的最大直徑確定齒輪傳動尺寸分布，保證夾持零件進(jìn)行自轉(zhuǎn)不與橫梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，尾座箱起從動作用，外形尺寸與主軸箱相同即可。橫梁體作為支撐整個系統(tǒng)的核心，采用型材焊接結(jié)構(gòu)，保證強度和穩(wěn)定性。

圖5 振動料箱結(jié)構(gòu)剛度有限元分析圖

2.3 立柱旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)

立柱旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由上下兩部分組成，分別為立柱和立座。立座固定于地面，立柱通過回轉(zhuǎn)支承與立座連接，在電機的驅(qū)動下可以在立座上實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，這樣就實現(xiàn)了零件在裝卸位和工作位的轉(zhuǎn)換。升降系統(tǒng)固定在立柱上，采用滾珠絲杠傳動，帶動橫梁體在立柱的直線導(dǎo)軌上實現(xiàn)上下的升降。

2.4 裝卸送件系統(tǒng)

裝卸送件系統(tǒng)就是一個移動的工作臺，用于在工作區(qū)域內(nèi)外的轉(zhuǎn)換，工人可以在工作區(qū)域外將零件裝到工作臺上，然后由工作臺轉(zhuǎn)運到工作區(qū)域內(nèi)的裝卸位。工作臺設(shè)置有托架及集料托盤，在零件加工好后放置到托盤上后，可以將零件上附帶的磨料及水收集到托盤中，保持工作區(qū)域的清潔。

2.5 控制系統(tǒng)

整個設(shè)備通過PLC程序控制，采用運動參數(shù)全面可調(diào)的理念以適應(yīng)不同零件不同工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。如表1所示，設(shè)備主要運動參數(shù)包括n1、n2、n3，在傳動結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定的前提下，對運動參數(shù)的調(diào)節(jié)利用電機變頻調(diào)速[12]，交流電動機的轉(zhuǎn)速n為：

式中：f為頻率；p為級對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可知，改變?nèi)棶惒诫妱訖C電源頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速目的。

控制系統(tǒng)具有手動和自動模式，通過觸摸屏進(jìn)行操作，在觸摸屏上可以進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)定（包括光整時間和各運動參數(shù)）。自動運行時尤其要注意料箱振動電機的轉(zhuǎn)向要與零件自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向相同，使零件表面與滾拋磨塊形成相對運動，同時要具有正反轉(zhuǎn)功能，保證零件光整的效果及均勻性。

2.6 水循環(huán)系統(tǒng)

在加工過程中會產(chǎn)生金屬碎屑和磨粉的混合液體，為了提高光整磨液的使用效率，有效地排除各類雜質(zhì)，延長磨液的使用壽命，就需要配置水循環(huán)系統(tǒng)。振動料箱中的雜質(zhì)混合液體通過管路流入水循環(huán)系統(tǒng)的污水箱中，通過水泵將污水泵入到過濾器中，通過過濾器進(jìn)行固液分離。過濾后的凈水流入凈水箱中，再通過高壓水泵將凈水泵入上水管路并輸送到位于料箱側(cè)上方的水管噴頭流入料箱中，實現(xiàn)循環(huán)使用。

2.7 磨料抽吸清洗系統(tǒng)

在加工過程中滾拋磨塊會產(chǎn)生一定的破損，產(chǎn)生的金屬碎屑和磨粉不斷沉積到料箱底部，與不參與光飾的滾拋磨塊混在一起，甚至發(fā)生板結(jié)。磨料抽吸清洗系統(tǒng)通過大功率真空負(fù)壓泵將滾拋磨塊抽入滾拋磨塊清洗篩分機中，將板結(jié)的滾拋磨塊進(jìn)行清洗篩分，再將篩分后的滾拋磨塊返回到振動料箱中。

3 設(shè)備參數(shù)摸索

設(shè)備試制后，要摸索一套相對最優(yōu)的參數(shù)給客戶使用，這個參數(shù)要在能夠滿足工藝效果的前提下還要保證設(shè)備的穩(wěn)定性和環(huán)境要求。振動料箱是整個設(shè)備的核心，滾拋磨塊在料箱中的運動狀態(tài)及料箱在工作中產(chǎn)生的噪音直接影響客戶的使用效果，可以通過調(diào)節(jié)空氣彈簧高度，振動電機轉(zhuǎn)速和振動電機偏心塊的方式進(jìn)行實驗。經(jīng)過實驗驗證，振動電機轉(zhuǎn)速在1250～1300rpm，偏心塊在110度，空氣彈簧高度在200mm效果最好。通過與零件結(jié)合實驗，零件自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在16～20rpm可以兼顧光飾效果和加工效率。

4 結(jié)束語

本文所述的成套裝備已經(jīng)在國內(nèi)某重點航空發(fā)動機企業(yè)得到了實際應(yīng)用，并得到企業(yè)的認(rèn)可。成套設(shè)備的應(yīng)用，代替人工拋修的方式，提高了光飾的質(zhì)量穩(wěn)定性和加工效率，減輕了勞動強度。由于設(shè)備的通用性設(shè)計，此企業(yè)除了用于鈑焊機匣零件外，還用來對與機匣零件外形類似的隔熱屏零件進(jìn)行表面去毛刺，隔熱屏零件表面布滿了加工的小孔，孔邊毛刺頑固，用此設(shè)備光飾后毛刺去除效果明顯，設(shè)備總體達(dá)到設(shè)計要求，如圖6所示。

圖6 零件光整前后光整后對比圖

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