航空發(fā)動機整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形行為及其試驗研究

劉秀梅， 肖貴堅， 劉智武， 雷海峰， 吳曉鋒， 周 峰， 韓靖宇， 楊小叁， 宋康康

(1. 中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司， 西安 710021) (2. 重慶大學(xué)， 機械傳動國家重點實驗室， 重慶 400044)

整體葉盤是為了滿足高性能航空發(fā)動機而設(shè)計的新型結(jié)構(gòu)件。該結(jié)構(gòu)件將發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片和輪盤合成一體，省去了傳統(tǒng)連接中榫頭、榫槽及鎖緊裝置等機構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少了零件數(shù)量，避免了榫頭氣流損失，提高了氣動效率，使發(fā)動機結(jié)構(gòu)大為簡化，現(xiàn)已在各國軍用和民用航空發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用[1]。目前整體葉盤葉型加工的主流工藝是數(shù)控精密銑削加工→手工拋光→振動光飾(或磨粒流光飾)，由于銑削加工存在銑削刀痕，僅靠振動光飾(或磨粒流光飾)工藝無法有效去除，手工拋磨預(yù)處理仍是目前國內(nèi)整體葉盤主要的加工方式，但是手工拋磨存在形狀尺寸可控性差，型面精度、表面質(zhì)量一致性差，表面紋理不一致等問題，同時還存在工人勞動強度大，磨削效率低，對操作人員的技能水平要求高等問題，難以滿足高性能飛機整體葉盤的產(chǎn)品要求[2-3]。

為了解決上述問題，砂帶磨削以加工效率高、磨削表面質(zhì)量好的優(yōu)勢，逐漸代替人工與砂輪磨削。國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究，ACME、Huck等公司采用機器人夾持拋光輪和砂帶磨頭的方法實現(xiàn)了整體葉盤的精密加工，并且取得了良好的效果[4]。REN等[5-6]對機器人葉片砂帶磨削的磨削方案、表面精度等進行了較為深入的研究。德國Metabo六軸數(shù)控砂帶磨床不但能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜型面的葉片進行磨削拋光，而且加工精度和效率較高，但該磨床只能對被加工葉片的葉面形狀進行光整加工，不能對其幾何尺寸偏差進行修正[7]。黃云等[8-9]針對整體葉盤的設(shè)計、制造工藝的需求，運用七軸六聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削技術(shù)實現(xiàn)整體葉盤的拋光加工，提出了一種適用于航空航天整體葉盤葉片內(nèi)、外弧面的砂帶磨削裝置。在此基礎(chǔ)上，魏和平[10]對整體葉盤葉片內(nèi)外弧型面砂帶磨削技術(shù)進行了研究，劉召洋[11]對整體葉盤葉片型面砂帶磨削路徑規(guī)劃與機床空間軸系進行了分析。XIAO等[12]通過對整體葉盤定載荷自適應(yīng)數(shù)控砂帶磨削加工方法以及進排氣邊砂帶磨削技術(shù)的研究，提高了整體葉盤單個葉片型面磨削精度以及表面質(zhì)量。

從上述的分析可以看出，砂帶磨削可以明顯提高零件的表面質(zhì)量、型面精度及其一致性，但是大部分研究仍然處于工藝試驗階段，很少涉及整體葉盤數(shù)控砂帶磨削的變形行為及其試驗應(yīng)用。因此，本研究提出針對航空發(fā)動機整體葉盤的開式數(shù)控砂帶磨削方法，開展整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形行為及其試驗應(yīng)用研究。

1 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削工藝分析

1.1 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削方法

整體葉盤數(shù)控砂帶磨削是將數(shù)控機床與新型砂帶磨削技術(shù)相結(jié)合，對整體葉盤進行磨拋加工。在進行整體葉盤砂帶磨削時砂帶與葉盤的接觸易產(chǎn)生較大顫振變形，進而影響整體葉盤的表面質(zhì)量與型面精度。因此為了提高整體葉盤型面精度一致性，減少砂帶磨損對葉盤加工質(zhì)量的影響，提出了如圖1所示的新型砂帶磨削方法。

新型砂帶磨削將砂帶8分別纏繞在儲帶輪1、卷帶輪9、過渡輪2、張緊輪3、包角控制輪4以及接觸輪6等輪系上，通過磨頭接觸桿7控制砂帶與工件型面5的接觸壓力Fa，在磨削進給速度vf的作用下，儲帶輪與卷帶輪同步運動，在帶輪半徑RL和RR不斷變化的情況下，通過控制同步運動轉(zhuǎn)速nL、nR和轉(zhuǎn)角θL、θR保證砂帶同步線速度vsL和vsR以及砂帶拉力TL和TR相同，進而形成砂帶往復(fù)運動線速度vs。在完成一個磨削周期以后，通過卷帶輪驅(qū)動電機將用過的砂帶纏繞在卷帶輪上，同時通過儲帶輪驅(qū)動電機將新砂帶運送至型面磨削區(qū)域。

整體葉盤葉片型面的砂帶磨削過程如圖2所示：磨頭接觸桿與工件表面成恒定夾角φ，接觸輪支撐砂帶并在磨削接觸壓力Fa的作用下緊貼整體葉盤葉片型面；卷帶輪驅(qū)動砂帶以恒定線速度vs運動，同時磨頭以速度vf做進給運動實現(xiàn)葉片表面的砂帶磨削加工。

新型砂帶磨削對實現(xiàn)整體葉盤葉片的精密磨削具有如下優(yōu)勢：(1)通過儲卷輪驅(qū)動輪系的運動，實現(xiàn)砂帶不間斷自動更新；(2)在輪系的共同作用下，砂帶能夠產(chǎn)生一定速率的磨削運動，在工件只做進給運動的條件下，利用砂帶微切削快速累積效應(yīng)，實現(xiàn)銑削殘差層的高效去除加工；(3)通過磨頭接觸桿實現(xiàn)壓力的控制，從而適應(yīng)磨削過程的變形。此外，整體葉盤葉片單位拋磨面積砂帶損耗少(一般為3～5 mm/cm2)，一卷砂帶(200～300 m)便能夠滿足整個葉盤的加工需要[13]。

圖2 整體葉盤葉片型面砂帶磨削

1.2 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削全型面磨削分析

1.2.1 整體葉盤葉片型面磨削

整體葉盤葉片之間空間狹小，在磨削過程中砂帶與葉型不同的截面接觸時，接觸桿容易與葉片發(fā)生碰撞干涉。為保證在砂帶接觸寬度方向滿足葉型曲面半徑的變化，盡量減小接觸輪半徑以及接觸輪與砂帶的寬度。整體葉盤葉片型面磨削加工如圖3所示。整體葉盤葉片型面曲率變化較大，為了減少加工時磨頭的換向次數(shù)，降低運動精度誤差對曲面精度的影響，提高加工效率，保證加工過程中型面到邊緣的磨削平穩(wěn)過渡，采用縱向進給的磨削方式，磨削加工軌跡如圖4所示。

圖3 整體葉盤葉片型面磨削Fig. 3 Profile grinding bladeson integrated blisk 圖4 葉片型面磨削加工軌跡Fig. 4 Grinding track onblade surface

1.2.2 整體葉盤葉片邊緣磨削

整體葉盤葉片邊緣曲率變化最大，磨削時極易發(fā)生變形導(dǎo)致曲面不連續(xù)。但是由于葉盤邊緣比較開闊，因此磨頭與葉片的磨削碰撞干涉較少。磨削加工時，在滿足葉盤加工效率和加工精度的前提下，利用砂帶磨削的彈性特性，優(yōu)化磨削參數(shù)，確定合理的走刀步距和步長，減少走刀步距和步長對型面精度的影響，從而使葉片邊緣型面精度達到設(shè)計要求。葉盤葉片邊緣磨削加工如圖5所示。

圖5 整體葉盤葉片邊緣磨削加工

1.2.3 整體葉盤葉片根部磨削

整體葉盤葉片根部(葉根)曲面分別由葉身型面、葉根圓角和流道面構(gòu)成，曲率半徑小(最小曲率半徑為1.25 mm)，葉片間距小，磨具系統(tǒng)可達性差，拋光過程中磨頭接觸桿極易與葉片發(fā)生干涉。因此在葉根磨削時盡量減小磨頭的旋轉(zhuǎn)角度。整體葉盤葉根磨削加工示意如圖6所示。

圖6 整體葉盤葉根磨削加工

為實現(xiàn)葉根磨削，磨削應(yīng)施加軸向力。采用新型砂帶磨削方法，加工中采用的砂帶具有布基薄、柔曲度大等特性，能夠配合常規(guī)砂帶無法應(yīng)用的小曲率半徑接觸輪，解決普通砂帶磨削時接觸輪不能過小的難題，實現(xiàn)葉根圓角小曲率半徑磨削加工。

整體葉盤葉根砂帶磨削工藝分析如圖7所示。為了實現(xiàn)葉根的磨削，接觸輪的直徑為2.5 mm，同時由于根部磨削空間位置小，磨削熱難以快速地散發(fā)，因此在磨削的過程中應(yīng)選用合適的冷卻方法，合理配置冷卻角度θ，實現(xiàn)最優(yōu)冷卻。整體葉盤葉根余量分布不均勻，根部中心位置余量最大。為了保證葉根的精度，應(yīng)先磨削中心部位、再分別對兩邊磨削，可有效避免出現(xiàn)銳角等缺陷。

圖7 葉根砂帶磨削工藝分析

2 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形行為研究

2.1 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形機理

整體葉盤是將葉片和輪盤作為一個整體，具有葉片薄、彎扭大、葉片間距小以及葉根與邊緣過渡區(qū)曲率半徑小的特性。整體葉盤拋光過程中，在較大的接觸壓力作用下，極易造成葉片和磨具系統(tǒng)的雙重變形，在整體葉盤砂帶磨削系統(tǒng)中，由于磨頭接觸桿為懸臂狀態(tài)的細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，整體葉盤單個葉片為懸臂受力的薄板結(jié)構(gòu)，接觸輪為超彈性材料，因此在磨削壓力的作用下都易產(chǎn)生弱剛性變形，整體葉盤砂帶磨削系統(tǒng)弱剛性變形模型如圖8所示。

圖8 砂帶磨削系統(tǒng)弱剛性變形模型

在整體葉盤葉片型面磨削中，葉片最薄的地方厚度不足1 mm，屬于典型的薄壁弱剛性零件。同時，由于整體葉盤葉片間通道狹窄，難以為磨削對象設(shè)計平衡磨削正壓力的工裝夾具，使得工件在磨削正壓力的作用下發(fā)生被磨削零件的弱剛性彎曲變形。此外，為了擬合復(fù)雜曲面，接觸輪一般選用的是超彈性材料，在不同磨削接觸壓力的作用下能夠發(fā)生不同程度的彈性變形，從而形成了砂帶與工件之間的接觸弱剛性變形。

2.2 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形分析

葉盤流道面深而窄，在磨削過程中，需要把磨削砂帶接觸輪部件深入到兩葉片之間，為了避免磨削過程中與其他葉片發(fā)生干涉，需合理規(guī)劃磨削區(qū)域及磨具運動軌跡。在分析整體葉盤磨削變形的基礎(chǔ)上，優(yōu)化磨削參數(shù)，在不同的磨削區(qū)域設(shè)定合理的磨削壓力，實現(xiàn)磨削余量的精確去除，從而實現(xiàn)整體葉盤的數(shù)控砂帶磨削加工。

采用ANSYS進行整體葉盤葉片葉背和葉盆的磨削變形仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

(a)葉尖部位 (b) 中間部位 (c)葉片底部

(a)葉尖部位 (b) 中間部位 (c)葉片底部

將葉片磨削壓力為10 N和20 N的變形仿真結(jié)果匯總?cè)鐖D11所示。從圖11中可以看出：隨著磨削壓力的升高，葉片的整體最大變形量增大；相同壓力下，葉尖部位、中間部位以及葉片底部的最大變形量依次減小。仿真結(jié)果表明：葉尖部位的最大變形量均大于葉片最小余量0.005 mm，而葉片中間部位和葉片底部的最大變形量均小于葉片最小余量0.005 mm，且葉片底部對磨削壓力的變化適應(yīng)能力較強，因此為了減少葉片磨削加工變形，葉片中間部位以下可以采用較大壓力，而葉片中間部位以上要采用較小的磨削壓力(磨削壓力應(yīng)小于10 N)。此外，通過仿真結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，葉盆磨削與葉背磨削相比，在同一部位和同一壓力的條件下，葉片的葉盆變形略大，因此在磨削葉盆時，在同一磨削部位應(yīng)選擇略小的磨削壓力。

圖11 葉片不同磨削壓力變形仿真結(jié)果

2.3 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形控制

整體葉盤在經(jīng)過銑削加工之后，表面紋路殘余高度差異較大，砂帶磨削加工后既要保證完整地去除殘余高度，還要保證葉片型面的一致性，因此在磨削過程中對磨削變形的控制至關(guān)重要。磨削變形的大小很大程度上取決于磨削壓力的大小，磨削壓力既不能太大，又要在一定范圍內(nèi)適當(dāng)變化，保證不同磨削區(qū)域的磨削變形和去除量滿足要求。為了滿足整體葉盤葉片型面的磨削加工要求，提出了帶有壓力反饋的磨削壓力控制系統(tǒng)方案，如圖12所示。

圖12 磨削壓力控制系統(tǒng)

該壓力控制系統(tǒng)主要包括油箱、過濾器、液壓泵、壓力閥、換向閥、比例閥、氣缸、壓力傳感器、控制器、放大器、溢流閥等元器件。其中控制器是控制系統(tǒng)的核心元器件，可以對反饋信號進行采集和處理，并發(fā)出控制信號來控制電氣比例閥的閥芯進行動作，使得進入氣缸的氣體流量大小相應(yīng)地改變。通過氣缸輸出壓力大小的變化，使得磨削壓力在一定范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)磨削變形的控制，從而達到磨削余量精確去除的目的。

在整個控制系統(tǒng)中，氣缸是載荷的主要輸出單元，通過活塞桿與接觸桿連接；電氣比例閥是連接氣缸和控制器的關(guān)鍵元器件，通過設(shè)定電氣比例閥的值，改變輸出壓力與輸入信號的關(guān)系；通過壓力傳感器可以測得磨削壓力。通過對控制系統(tǒng)重要變量的分析，得到整個控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)對氣缸、電氣比例閥以及傳感器的控制方程的建立，得到圖13所示的控制系統(tǒng)框圖；根據(jù)氣缸的傳遞函數(shù)、電氣比例閥的傳遞函數(shù)結(jié)合圖13，可以得到整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。該控制系統(tǒng)能夠減少砂帶磨削產(chǎn)生的型面變形，實現(xiàn)對磨削壓力的精確控制，保證整體葉盤的表面質(zhì)量和型面精度。

圖13 控制系統(tǒng)框圖

3 整體葉盤數(shù)控砂帶磨削變形控制試驗

3.1 試驗對象

試驗采用某型航空發(fā)動機鈦合金整體葉盤，如圖14所示。砂帶磨削前已完成精密銑削加工。

圖14 試驗用鈦合金整體葉盤

3.2 試驗設(shè)備

試驗采用專門針對航空發(fā)動機整體葉盤型面高效、精密、自動化磨削研制的整體葉盤數(shù)控砂帶磨床，該機床主要由新型砂帶磨頭、床身、高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺和導(dǎo)軌等組成。整體葉盤數(shù)控砂帶磨床如圖15所示。該機床采用雙磨頭磨削裝置，實現(xiàn)工件一次裝夾完成粗磨和精磨加工，減少工件裝夾帶來的誤差，提高加工精度?？筛鶕?jù)不同工作要求更換不同直徑、寬度的接觸輪，以避免加工時發(fā)生干涉現(xiàn)象。接觸輪組件采用快速卡扣式聯(lián)結(jié)，可實現(xiàn)快速更換。設(shè)備采用新型開式砂帶磨削技術(shù)，可實現(xiàn)砂帶的快速更替(時間≤5 s)，保證工件表面質(zhì)量及其一致性符合要求。

圖15 砂帶磨削機床

整體葉盤砂帶磨削裝置采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控加工軟件是自行研發(fā)的砂帶磨削加工軟件系統(tǒng)TBGS，該軟件具有模型導(dǎo)入與被加工面提取、刀位點計算及刀路生成、仿真加工、數(shù)控代碼生成與傳輸?shù)裙δ?，能夠完成?shù)控加工代碼生成、模擬仿真以及向數(shù)控砂帶磨床傳輸數(shù)控代碼等任務(wù)，具有精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點。磨削加工時，將整體葉盤通過專用工裝定位裝夾在高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上，根據(jù)葉片型面數(shù)據(jù)，采用高檔數(shù)控系統(tǒng)控制，實現(xiàn)砂帶與葉片型面的定點接觸，同時通過同步運動控制，實現(xiàn)整體葉盤的砂帶磨削。

試驗主要設(shè)備儀器還包括三坐標(biāo)測量機、TR200高精度粗糙度儀、場發(fā)射掃描電鏡等。

3.3 試驗方案

試驗分別采用三坐標(biāo)測量機、粗糙度儀、場發(fā)射掃描電鏡等獲得葉盤磨削前后型面的幾何尺寸、表面粗糙度以及表面形貌。數(shù)控砂帶磨削過程中，采用三坐標(biāo)測量機檢測整體葉盤型面，根據(jù)理論數(shù)據(jù)，重構(gòu)模型獲得磨削余量分布；按照劃分的磨削區(qū)域，進行干涉避免檢查并進行仿真，優(yōu)化磨具運動軌跡。根據(jù)鈦合金材料砂帶磨削特性，經(jīng)過多次磨削試驗，確定采用碳化硅研磨帶進行磨削加工。由于整體葉盤各磨削區(qū)域銑削紋路及加工余量不同，工件不同磨削部位的進給速度和砂帶線速度也各不相同，具體如表1所示。

表1 砂帶磨削進給速度和砂帶線速度

3.4 試驗結(jié)果分析

選取整體葉盤上均勻分布的4個葉片，編號為1、2、3、4，測量砂帶磨削前后選定的葉片底部(A1)、中間部位(A2)和葉尖部位(A3)等截面表面粗糙度及其型線精度。

(1) 整體葉盤表面質(zhì)量分析

圖16和圖17分別給出了砂帶磨削前后，整體葉盤葉片型面表面對比和葉根表面對比。從圖16和圖17可以看出：采用新型開式數(shù)控砂帶磨削后，葉型加工表面基本消除了銑削刀痕及過渡區(qū)域的接刀，表面無黏附物，無燒傷、刮痕等缺陷，表面質(zhì)量一致性好。

(a) 砂帶磨削前Before belt grinding(b) 砂帶磨削后After belt grinding圖16 葉片型面砂帶磨削前后表面對比Fig. 16 Comparison of blade profile before and after belt grinding

(a) 砂帶磨削前Before belt grinding(b) 砂帶磨削后After belt grinding圖17 葉根砂帶磨削前后表面對比Fig. 17 Comparison of blade root before and after belt grinding

對葉片磨削前后局部區(qū)域放大，如圖18所示。從圖18可知：整體葉盤數(shù)控砂帶磨削后表面沿著葉片縱向方向形成了一致可控的磨削紋路，且該磨削紋路細(xì)膩均勻，有利于提升整體葉盤葉片的抗疲勞性能。

(a) 銑削紋路Texture after milling(b) 磨削紋路Texture after grinding圖18 砂帶磨削前后表面微觀對比Fig. 18 Texture comparison before and after belt grinding

整體葉盤葉片砂帶磨削(belt grinding，BG)前后的表面粗糙度如圖19所示。從圖19中可以看出：精密銑削(finish milling，F(xiàn)M)后整體葉盤葉盆型面表面粗糙度Ra在0.668～1.180 μm，葉背型面表面粗糙度Ra在0.573～0.959 μm，表面粗糙度一致性較差，不能滿足設(shè)計Ra0.4 μm的要求。采用數(shù)控砂帶磨削以后，整體葉盤葉盆型面表面粗糙度Ra在0.138～0.242 μm，葉背型面表面粗糙度Ra在0.136～0.241 μm，達到設(shè)計要求。

(a) 葉盆表面粗糙度

(b) 葉背表面粗糙度

從圖19還可以看出：砂帶磨削后整體葉盤葉盆型面的表面粗糙度比葉背型面的表面粗糙度小，這主要是由于在同樣的接觸壓力下，葉盆與砂帶的接觸面積更大，有利于減小表面粗糙度。

通過上面的分析可以得到，該方法滿足整體葉盤葉片型面表面粗糙度要求。這主要是因為在砂帶磨削過程中，由于砂帶與接觸輪的柔性特性，砂帶與工件在接觸壓力的作用下呈現(xiàn)出面接觸，同時在砂帶與工件之間包含了崩碎的磨粒和冷卻液而形成研磨拋光的效果，這樣整體葉盤在砂帶磨削過程中具有磨削和拋光的雙重作用，因而可獲得比較低的表面粗糙度。

(2)整體葉盤型線精度分析

整體葉盤葉片砂帶磨削前后型線精度如圖20所示。整體葉盤精密銑削后，葉片葉盆型線精度在0.029～0.103 mm，葉背型線精度在0.033～0.083 mm。磨削后，整體葉盤葉盆型線精度在0.019～0.050 mm，葉背型線精度在0.019～0.049 mm。由此可以看出，經(jīng)過數(shù)控砂帶磨削后，整體葉盤型面的型線精度及其一致性明顯提高，基本達到設(shè)計要求(0.05 mm)。

(a) 葉盆型線精度

(b) 葉背型線精度

從圖20中還可以看出：砂帶磨削后葉背的型線精度普遍比葉盆的型線精度高，這主要是由于在加工過程中葉背與砂帶的接觸面積小，有利于提高型線精度；同時可以看出，整體葉盤葉片在中間部位型線精度較高，精銑之后在0.039～0.050 mm，原因是雖然精銑加工考慮了葉片變形，但是無法自適應(yīng)葉片前端的大變形以及后端的小變形，而磨削以后，沒有出現(xiàn)如銑削加工型線精度在不同截面差距較大的情況，因此砂帶磨削對于適應(yīng)葉片變形具有更大的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

(1)采用新型開式數(shù)控砂帶磨削方法，結(jié)合整體葉盤數(shù)控砂帶磨削的變形機理和仿真分析，提出了帶有壓力反饋的磨削壓力控制系統(tǒng)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)磨削變形的控制。

(2)利用整體葉盤數(shù)控砂帶磨削機床進行整體葉盤的磨削試驗，實現(xiàn)了整體葉盤一次裝夾完成型面的粗、精磨加工，避免了工件多次裝夾產(chǎn)生的誤差，提高了加工精度。

(3)整體葉盤數(shù)控砂帶磨削后，葉片表面質(zhì)量一致性好，表面粗糙度小于0.4 μm，葉片型線精度優(yōu)于0.05 mm，能夠很好地適應(yīng)葉片變形，滿足設(shè)計要求。

(4)試驗應(yīng)用表明，整體葉盤數(shù)控砂帶磨削能夠替代手工拋光，提高磨削效率。