渦輪葉片榫頭側(cè)邊圓角陣列加工工藝研究*

王小東，張 云，陳志同，劉瑞松，劉隨建，吳志新

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.棗莊北航機(jī)床創(chuàng)新研究院有限公司，棗莊 277000；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的核心零件，其加工精度對(duì)整機(jī)性能有著重要影響。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪組件由渦輪盤(pán)和葉片分體構(gòu)成，其中葉片由葉身和榫頭組成，榫頭再與渦輪盤(pán)榫槽連接，構(gòu)成渦輪組合件[1]。傳統(tǒng)渦輪葉片多采用樅樹(shù)形結(jié)構(gòu)，該類(lèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是允許榫頭連接處受熱后能自由膨脹，以減少熱應(yīng)力，同時(shí)榫頭的傳熱性好，使葉片上的熱量容易散走[2]。

在葉片加工中由于通常以榫頭為工藝基準(zhǔn)，并且榫槽的幾何形狀復(fù)雜，精度高，表面質(zhì)量要求高，故對(duì)榫頭的加工工藝有嚴(yán)格的要求，以防止在榫頭表面造成加工缺陷。針對(duì)榫頭加工的夾具設(shè)計(jì)、刀具選用和參數(shù)選擇也非常關(guān)鍵?，F(xiàn)在工廠通用的榫頭數(shù)控加工工藝是：在臥式加工中心進(jìn)行粗加工，再用平底銑刀精加工榫頭側(cè)面，最后用成型刀加工榫頭上下成型面[3]。針對(duì)單件難加工材料制成的榫頭，多采用緩進(jìn)磨削加工的方式，但砂輪在整圈加工中前后磨損大,磨削出的榫頭尺寸變化大[4]。對(duì)于榫頭側(cè)面圓角加工，目前的銑削加工需要較高的設(shè)備成本，占用機(jī)床工時(shí)較長(zhǎng)，且需要后續(xù)進(jìn)行機(jī)械光飾處理保證表面質(zhì)量[5]；而手工倒圓則存在不均勻現(xiàn)象，易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。在此背景下，本文提出了基于三軸聯(lián)動(dòng)矩形陣列數(shù)控機(jī)床的超硬磨料數(shù)控磨拋倒圓工藝系統(tǒng)，為精度、表面質(zhì)量、效率、成本等各方面的改進(jìn)探索一條新工藝途徑。

1 榫頭側(cè)邊倒圓磨拋工藝系統(tǒng)

針對(duì)渦輪葉片榫頭側(cè)面圓角加工，基于三軸數(shù)控機(jī)床的超硬磨料數(shù)控磨拋倒圓工藝系統(tǒng)主要由多主軸矩形陣列磨削機(jī)床與超硬磨料磨具組成，并配合快換工裝進(jìn)行高精度裝夾，重點(diǎn)解決加工精度、加工效率及經(jīng)濟(jì)性難題。

1.1 夾具設(shè)計(jì)

針對(duì)渦輪葉片榫頭的榫槽形狀設(shè)計(jì)的專(zhuān)用夾具如圖1所示，利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)夾持，夾持部分為與榫槽貼合的兩段圓柱面。夾具底部有法蘭方便在機(jī)床工作臺(tái)上安裝。

1.2 刀具選擇

隨著數(shù)控加工高速電主軸的發(fā)展，主軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，小尺寸超硬磨料磨具的線速度也可滿足高溫合金等難加工材料的磨削要求，從而利用該工具對(duì)渦輪葉片榫頭進(jìn)行高速磨削加工，發(fā)揮磨料顆粒多、磨削過(guò)程連續(xù)、微量去除能力等優(yōu)勢(shì)[6]。如圖2所示[7]，為了防止刀具與夾具和葉片榫頭產(chǎn)生碰撞干涉，本文選用小尺寸電鍍CBN 圓環(huán)面砂輪（環(huán)心圓直徑D=20mm，圓環(huán)半徑R=1mm，厚度FL=2mm）開(kāi)展葉片榫頭倒圓試驗(yàn)。

1.3 陣列加工

德國(guó)CHIRON公司所研制的多主軸銑削機(jī)床采用直線排列方式，北京航空航天大學(xué)有學(xué)者將線陣機(jī)床結(jié)構(gòu)拓展成矩陣機(jī)床結(jié)構(gòu)[8]，同時(shí)利用多個(gè)減速器的輸入輸出軸增加互聯(lián)齒輪相互消隙的方法在小空間中研制出高重復(fù)定位精度矩形陣列無(wú)間隙轉(zhuǎn)臺(tái)[9]。八主軸矩形陣列磨削機(jī)床加工如圖3所示，配有8 支轉(zhuǎn)速可達(dá)60000r/min的高速磨削主軸，各直線軸的定位精度可達(dá)到5μm。

在此工藝系統(tǒng)內(nèi)，以渦輪葉片榫頭側(cè)邊圓角為研究對(duì)象，驗(yàn)證數(shù)控磨拋倒圓工藝有效性。由于圓環(huán)面砂輪柄部直徑遠(yuǎn)小于環(huán)面直徑，故可以實(shí)現(xiàn)葉片榫頭的三軸磨削，大大簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)。首先將多套專(zhuān)用夾具布置在矩形陣列磨削機(jī)床上并將多個(gè)狀態(tài)相近的渦輪葉片榫頭裝夾在專(zhuān)用夾具上定位；然后選取合適的圓環(huán)面超硬磨料砂輪并在機(jī)床上安裝；再利用葉片榫頭的三維模型在軟件中編制數(shù)控加工程序并在軟件中進(jìn)行后置處理，生成相應(yīng)的NC 代碼輸入到機(jī)床中；最后進(jìn)行陣列磨削加工。若后續(xù)需要進(jìn)一步提高倒圓表面質(zhì)量，可更換超硬磨料彈性拋光工具在同一矩形陣列磨削機(jī)床上進(jìn)行陣列拋光。工藝流程圖如圖4所示。

圖1 專(zhuān)用夾具Fig.1 Special fixture

圖2 電鍍CBN圓環(huán)面砂輪Fig.2 Electroplated CBN toroidal grinding wheel

圖3 八主軸矩形陣列(三聯(lián)動(dòng))磨削機(jī)床Fig.3 Eight-spindle rectangular array grinding machine tool (3-axis simultaneous NC machining)

2 榫頭側(cè)邊倒圓試驗(yàn)

在磨削工藝系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的情況下，對(duì)某型號(hào)渦輪葉片榫頭側(cè)邊進(jìn)行倒圓，證明榫頭側(cè)邊圓角磨拋工藝系統(tǒng)的可行性。

2.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所針對(duì)的渦輪葉片榫頭側(cè)邊圓角如圖5所示，圓角設(shè)計(jì)尺寸為R=0.6mm。

采用本文所述的渦輪葉片榫頭側(cè)邊倒圓角磨拋工藝系統(tǒng)，在矩形陣列磨削機(jī)床上進(jìn)行加工。利用專(zhuān)用夾具對(duì)榫頭進(jìn)行裝夾定位，選用加工刀具為超硬磨料砂輪。

根據(jù)軟件編制榫頭側(cè)面頂棱邊的數(shù)控加工走刀軌跡，將榫頭側(cè)面棱邊分為3個(gè)加工區(qū)域，即兩條側(cè)棱邊一條頂棱邊，如圖6所示。以與側(cè)棱邊相似形狀的刀軌擬合出倒圓加工軌跡。其中砂輪優(yōu)選為D20R1的200#電鍍CBN 圓環(huán)面砂輪，主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)選為20000r/min，砂輪線速度20.9m/s，進(jìn)給速度600mm/min。切削運(yùn)動(dòng)方式優(yōu)選為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切削步距數(shù)優(yōu)選為10～15，非切削移動(dòng)的方式優(yōu)選為線性垂直于部件進(jìn)退刀[10]。類(lèi)似的，以與頂棱邊相似形狀的刀軌擬合出倒圓加工軌跡，刀軌如圖7所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)方案開(kāi)展渦輪葉片榫頭側(cè)邊磨削倒圓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖4 工藝流程圖Fig.4 Process flow chart

圖5 榫頭側(cè)邊圓角Fig.5 Fillet of tenon side

圖6 加工區(qū)域示意圖Fig.6 Machining region

圖7 榫頭棱邊加工刀軌示意圖Fig.7 Tenon edge machining tool path diagram

在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)加工后側(cè)邊圓角抽取3個(gè)部位a、b、c進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)量，如圖9所示。計(jì)算測(cè)點(diǎn)到理論模型上測(cè)量軌跡的最小距離后計(jì)算加工誤差，如圖10所示，可以看出采用本文所提出的磨拋工藝系統(tǒng)加工誤差小于20μm，且整體波動(dòng)幅度較小，沒(méi)有超差，證明誤差分布較為均勻，加工后輪廓度可達(dá)到20μm以內(nèi)；同時(shí)使用Taylor-Hobson 輪廓儀畫(huà)線取樣測(cè)得加工表面粗糙度Ra在0.8μm以內(nèi)；多個(gè)榫頭同時(shí)加工，所用加工工時(shí)可控制在180s以內(nèi)。

3 結(jié)論

本文提出了針對(duì)渦輪葉片榫頭側(cè)邊倒圓的磨拋工藝系統(tǒng)，詳述了榫頭側(cè)邊倒圓的試驗(yàn)方案，隨后在多主軸陣列磨削機(jī)床上進(jìn)行了多個(gè)渦輪葉片榫頭側(cè)邊倒圓的批量驗(yàn)證，并成倍提高了效率。

圖8 榫頭側(cè)邊倒圓結(jié)果Fig.8 Result of tenon side rounding

圖9 測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.9 Measuring point position

圖10 測(cè)量誤差圖Fig.10 Measurement error chart

（1）搭建了針對(duì)渦輪葉片榫頭側(cè)邊倒圓的磨拋工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重要型號(hào)葉片榫頭倒圓的三軸聯(lián)動(dòng)高效率高精度陣列加工，測(cè)量結(jié)果表明陣列加工葉片榫頭形位精度一致性極好，在0.02mm以內(nèi),表面粗糙度Ra在0.8μm以內(nèi)。

（2）采用磨拋工藝系統(tǒng)，可以將單個(gè)榫頭倒圓時(shí)間控制在180s以內(nèi)，配合陣列加工，大幅度縮短了機(jī)床加工工時(shí)，提高了加工效率。

（3）若要進(jìn)一步去除榫頭側(cè)邊圓角的加工刀紋，建議后續(xù)可進(jìn)行振動(dòng)光飾處理。