葉尖曲面磨削工藝在數(shù)控立車(chē)上實(shí)用性研究

王娜 李偉 楊靜 杜寶玉 常芳

摘 要：本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片外徑曲面應(yīng)用需求，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片外徑曲面磨削加工技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及葉尖曲面加工要求進(jìn)行分析和研究，從立車(chē)改造、磨頭系統(tǒng)研發(fā)、專用工裝結(jié)構(gòu)確定、數(shù)控程序編制和工藝方法摸索等方面制定出了比較完善的總體方案，成功攻克了點(diǎn)式磨削工藝技術(shù)，為解決轉(zhuǎn)子葉尖曲面磨削加工提供了有益的思路。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子；磨頭系統(tǒng)裝置；專用工裝設(shè)計(jì)；曲面磨削工藝方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高使得發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)處于不斷地變革之中，傳統(tǒng)技術(shù)不斷精化，新技術(shù)、新工藝在新機(jī)制造過(guò)程中得以廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各類(lèi)轉(zhuǎn)子葉片葉尖的曲面磨削已是國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司普遍應(yīng)用的工藝技術(shù)。用現(xiàn)有的設(shè)備及現(xiàn)行的加工工藝方法難以實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖曲面的加工要求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)葉尖曲面加工，必須研究使用新設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)及研究新的加工工藝方法才能滿足葉尖曲面加工要求。通過(guò)利用現(xiàn)有的精密數(shù)控立式車(chē)床，在自動(dòng)換刀刀座上增加電主軸磨頭，使其變成車(chē)磨一體的數(shù)控立式車(chē)磨床，另外在設(shè)備內(nèi)部增加自主設(shè)計(jì)的砂輪自動(dòng)休整裝置進(jìn)行砂輪的自動(dòng)休整，通過(guò)砂輪自動(dòng)對(duì)刀補(bǔ)償與自動(dòng)補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)式磨削工藝方法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子葉尖曲面磨削加工。

1 磨頭系統(tǒng)裝置

為實(shí)現(xiàn)立式數(shù)控車(chē)床的磨削功能，需研制與立式車(chē)床匹配并能實(shí)現(xiàn)葉尖曲面磨削的高精度磨頭系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，使其能夠?qū)崿F(xiàn)磨削加工。磨頭系統(tǒng)主要零部件：高頻電主軸；砂輪；與刀架轉(zhuǎn)接部分；歐姆龍7.5kW變頻器；水箱；不銹鋼自吸噴射泵；水泵管路；其他小配件等。由可編程控制器進(jìn)行調(diào)頻控制電主軸轉(zhuǎn)速，電主軸溫度由熱電偶進(jìn)行監(jiān)控，其精度選用額定功率12kW；最大電流25.4A； 額定轉(zhuǎn)速3000r/min；主軸精度跳動(dòng)量0.001mm。

2 曲面磨削工藝試驗(yàn)

2.1 磨削方式的選擇

磨削方式的選擇取決于被加工零件型面的復(fù)雜程度、精度和余量的大小。目前大都采用點(diǎn)式磨和成型磨兩種形式。這兩種磨削方式在加工型面時(shí)比較常用。根據(jù)被加工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取磨削方式采用點(diǎn)式磨。

（1）成型磨的特點(diǎn)是：磨削時(shí)接觸面大，磨削抗力大，產(chǎn)生的切削熱也多，易產(chǎn)生過(guò)燒蝕，而且砂輪修整比較困難，加工精度不宜保證。

（2）點(diǎn)式磨的特點(diǎn)是：磨削時(shí)接觸面小，切削抗力小，產(chǎn)生的切削熱也少，適宜于加工剛性差、易變形的零件，或易產(chǎn)生過(guò)燒的零件，因轉(zhuǎn)子葉片屬于外伸狀態(tài)，剛性差，采用點(diǎn)式磨磨削方式可有效地減小切削抗力，降低零件變形等特點(diǎn)。

2.2 專用工裝的設(shè)計(jì)

為了方便測(cè)量與加工，采用的加工狀態(tài)為立式磨削。測(cè)量方式和測(cè)具也同樣采用立式。這樣利用底座與夾具連接方式測(cè)量每個(gè)高度和直徑尺寸。

2.3 砂輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

砂輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則是砂輪的適用性和匹配性。砂輪作為直接或間接安裝在機(jī)床上，用以完成工件磨削加工任務(wù)的工具，我們必須考慮其適用性和協(xié)調(diào)性。即適用于所選用的機(jī)床，適用于所選用的工件以及與磨削加工任務(wù)相匹配。砂輪結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮合適的磨削方式、砂輪的幾何參數(shù)、零件的尺寸精度、被磨削材料的選擇等，合理地選擇砂輪結(jié)構(gòu)，確定最佳的切削參數(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)工件曲線點(diǎn)式磨削最關(guān)鍵的步驟之一。

由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子材料要求，同時(shí)能滿足葉尖曲面磨削要求及其對(duì)加工過(guò)程中安全性的考慮，對(duì)砂輪的選材，形狀、尺寸等都有嚴(yán)格的要求。針對(duì)葉片材質(zhì)為鈦合金材料。磨削過(guò)程中易產(chǎn)生砂輪急劇磨損鈍化；磨削力和磨削溫度較高，磨削表面易燒傷；加工硬化嚴(yán)重，應(yīng)合理選擇砂輪和磨削用量。應(yīng)選用剛玉類(lèi)砂輪，該磨料磨削比高，可獲得理想的磨削表面完整性，所以轉(zhuǎn)子組件葉尖的磨削選用碟型鋯剛玉砂輪。砂輪形狀的打磨采用金剛筆修整。

2.4 數(shù)控程序編制

開(kāi)發(fā)出復(fù)雜曲面磨加工數(shù)控程序模塊完成葉尖曲面的磨加工及磨削過(guò)程中砂輪磨損后的自動(dòng)修整、自動(dòng)補(bǔ)償這一重要技術(shù)難題，是解決復(fù)雜曲面磨削技術(shù)的關(guān)鍵所在。

（1）工件曲面點(diǎn)式磨削程序模塊工件曲面點(diǎn)式磨削程序模塊是一個(gè)循環(huán)主程序塊，由包括加工工件的DOMN子程序、UP子程序及砂輪修整子程序等組成。加工工件的DOMN、UP子程序采用增量編制，其余主程序、子程序采用絕對(duì)坐標(biāo)編制。加工時(shí)，只需將工件的數(shù)據(jù)賦予DOMN、UP 子程序參數(shù)，即可完成工件曲面的磨削控制。

（2）砂輪成型修整程序模塊是一個(gè)主程序下的循環(huán)子程序塊，采用絕對(duì)坐標(biāo)編制，用工件的加工參數(shù)控制砂輪的修整形狀。該程序模塊具有通用性，設(shè)置了數(shù)據(jù)參數(shù)，只需將工件的數(shù)據(jù)賦予參數(shù)，即可完成砂輪的成型修整。砂輪以徑向每次最多進(jìn)給0.05mm/r上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。解決了成型磨中砂輪的自動(dòng)修整成型技術(shù)難題，精度高，安全可靠，保證了零件的加工精度。

2.5 磨削工藝參數(shù)的選擇

點(diǎn)式磨方式可有效地減少切削抗力，減少零件變形等特點(diǎn)?？梢栽跀?shù)控立車(chē)上改裝磨頭進(jìn)行磨削。車(chē)床改磨床加工后沒(méi)有砂輪自動(dòng)修正器，使用手工進(jìn)行修正砂輪，待修正成需要的形狀，用開(kāi)發(fā)的工件曲線點(diǎn)式磨削程序模塊方式加工工件。利用模擬件進(jìn)行加工工藝參數(shù)摸索，最終確定加工過(guò)程中的工藝參數(shù)。

最終選定砂輪轉(zhuǎn)速3000r/min～3500r/min，零件轉(zhuǎn)速12r/min～20r/min，進(jìn)給量0.06mm～0.12mm，磨削深度0.05mm～0.10mm。

砂輪對(duì)刀方式：采用車(chē)床自動(dòng)對(duì)刀儀對(duì)刀，砂輪周向跳動(dòng)0.28 ，端面跳動(dòng)0.1；砂輪跳動(dòng)大，為消除對(duì)刀誤差，選用砂輪最高點(diǎn)對(duì)刀。夾緊方式：采用壓蓋壓緊 ，軸向采用四點(diǎn)定位塊定位，徑向采用間隙配合止口定位。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

曲面磨削的加工過(guò)程是在數(shù)控立車(chē)的刀臺(tái)上夾持一個(gè)動(dòng)力磨頭系統(tǒng)，將砂輪修成小圓角，模擬成車(chē)刀，用開(kāi)發(fā)的工件曲線點(diǎn)式磨削程序模塊完成轉(zhuǎn)子組件葉尖曲面的磨削。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工件曲線點(diǎn)式磨削，需用機(jī)床原固有的程序修整砂輪的Z面、X面，用機(jī)床原固有的程序?qū)⑸拜喰拚尚枰男A角。工件磨削時(shí)采用粗磨、半精磨、精磨、超精磨方式，并按葉尖的加工尺寸，通過(guò)調(diào)整數(shù)控程序給定的進(jìn)給量、磨削參數(shù)來(lái)控制。曲面點(diǎn)式磨削方式，由于砂輪與工件是點(diǎn)接觸，砂輪磨損較快，且砂輪的小圓角不規(guī)則，在磨損處形成小直線段，不易發(fā)現(xiàn)，需要多次精確測(cè)量，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行軸向、徑向補(bǔ)償。

結(jié)語(yǔ)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)品種趨向多元化，加工技術(shù)趨向復(fù)雜化，就需要不斷提高加工技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)新的加工方法。轉(zhuǎn)子復(fù)雜曲面的磨削工藝，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出葉尖曲面加工制造技術(shù)、高精度動(dòng)力磨頭系統(tǒng)、數(shù)控編程方法，是完整、可靠、科學(xué)的工藝技術(shù)方法，該技術(shù)解決了轉(zhuǎn)子復(fù)雜曲面磨削的技術(shù)難題，該項(xiàng)復(fù)雜曲面磨削技術(shù)具有實(shí)用性、通用性，適用于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的復(fù)雜曲面磨削加工，也為以后加工類(lèi)似的零件提供了新的思路，同時(shí)使我們的發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。

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