葉片進排氣邊拋光工藝及其參數(shù)優(yōu)化

馬 利，王漢熙，張 云

(1. 武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

0 引言

為了使發(fā)動機獲得更好的動力和更高的效率，葉片進排氣邊的幾何尺寸變得越來越小，精度要求越來越高，這對葉片的制造工藝提出了新挑戰(zhàn)。

過去幾十年里一直通過手工打磨的方式來拋光葉片，落后的工藝導(dǎo)致葉片幾何精度以及過渡圓弧的質(zhì)量很差，嚴重影響了航空發(fā)動機的使用壽命、效率和推力，顯然不能滿足現(xiàn)今航空工業(yè)發(fā)展的需要[1]。近年來，隨著我國航空業(yè)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)控拋光航空發(fā)動機葉片的方法，砂帶拋光機床是其中的典型代表，但是砂帶拋光無法對小圓弧半徑葉片的進排氣邊拋光。主要原因在于砂帶拋光機床主要采用力控反饋的方式，力控系統(tǒng)相對復(fù)雜，很難進行小圓弧半徑的精確去除，同樣會出現(xiàn)進排氣邊過拋和漏拋現(xiàn)象[2]。

本文通過采用一種電鍍超硬磨料柔性拋光輪對航空發(fā)動機葉片進排氣邊開展拋光工藝參數(shù)優(yōu)化實驗，解決了手工拋光和砂帶拋光進排氣邊幾何精度低、表面質(zhì)量差、易燒傷、效率低、環(huán)保性差等問題。同時，形成該種拋光工藝參數(shù)庫，為后續(xù)拋光實驗提供有力數(shù)據(jù)支撐。

1 電鍍超硬磨料柔性拋光工具

目前市面上用于拋光葉片的工具主要有羊毛氈輪、橡膠輪、樹脂輪。這些拋光輪有一系列共同的缺點，如磨料易脫落、陷入基體、形狀保持性差等，故無法使用機床進行定軌跡拋光。因此，研制一種具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的電鍍超硬磨料柔性拋光工具是極為迫切的[5]。圖1所示為一種具有局部增強結(jié)構(gòu)的拋光輪。

圖1 一種具有局部增強結(jié)構(gòu)的拋光輪

該拋光工具特點如下：

(1)通過電鍍方式將金剛石或者CBN固結(jié)在直徑0.6 mm～1 mm左右的金屬基體上，該方法解決了磨料易脫落、易陷入彈性基體等問題；

(2)通過模壓的方式形成任意復(fù)雜曲面拋光輪，使原本需要五軸機床完成的工作用三軸機床就可以完成。

(3)可采用數(shù)控裝備進行拋光工序，設(shè)備改造步驟簡易，操作簡單，且與手工磨拋相比，用數(shù)控裝備拋光后的葉片一致性好，型面質(zhì)量高。圖2為拋光輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

1.磨料基體 2.磨料支撐體 3.柔性基體 4.金屬內(nèi)`芯

2 葉片進排氣邊拋光工藝參數(shù)研究

本實驗旨在為不同截面半徑的進排氣邊特征提供可行的拋光參數(shù)，記錄拋光去深度與拋光參數(shù)的關(guān)系，并分析材料去除深度隨曲率的變化趨勢。構(gòu)建針對不同曲率半徑曲面的拋光參數(shù)庫，為周拋進排氣邊等變曲率件的實現(xiàn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.1 葉片曲率分析

選用葉片的典型材料—不銹鋼來制備不同曲率半徑(R0.1 mm～R2 mm)的進排氣邊試件，進行去除深度實驗，并記錄不同曲率半徑試件的拋光去除量，最后形成進排氣邊拋光參數(shù)庫，分析去除量隨拋光參數(shù)的變化規(guī)律。圖3為葉片加工位姿示意圖。

圖3 葉片加工位姿示意

在使用金剛石柔性拋光輪進行拋光、編制數(shù)控程序時，需給定拋光的預(yù)壓量ap。拋光輪因柔性體的變形而產(chǎn)生拋光力，通過機床主軸的轉(zhuǎn)動提供拋光輪表面金剛石磨粒與葉片材料之間的相對運動，達到材料去除的目的[6]。由于進排氣邊處的曲率較大，材料較輕薄，同樣預(yù)壓量下拋光輪與其接觸面積較小，而單顆磨粒所受拋光力較大，因而如果拋光參數(shù)控制不合理，容易出現(xiàn)過拋光和欠拋光的現(xiàn)象。圖4為進排氣邊拋光加工示意圖。

圖4 進排氣邊拋光加工示意

2.2 實驗設(shè)計思路

根據(jù)進排氣邊處截面常用的圓角半徑尺寸(R0.5 mm～R2 mm)，制造不同尺寸的實驗件，通過改變拋光輪的線速度和預(yù)壓量，檢測拋光后各試件的去除深度并記錄，分析材料去除深度隨試件曲率半徑的規(guī)律。

2.3 實驗準備

實驗試件：較大曲率半徑(R1.5，R2)不銹鋼試件各2個，較小曲率半徑(R1，R0.7，R0.5)不銹鋼試件各2個。如圖5所示。

實驗設(shè)備：三軸數(shù)控拋光機床1臺。

拋光工具：拋光輪若干(D40r1.5)。

圖5 不同曲率試件

2.4 實驗過程及參數(shù)

首先銑制不同曲率的試件，研究400#拋光輪對試件的拋光去除量問題。同時研究拋光輪對試件拋光后的粗糙度問題，改變拋光參數(shù)進行拋光，記錄對應(yīng)參數(shù)的拋光去除量和表面粗糙度。依次改變拋光輪線速度、壓緊量，并記錄實驗數(shù)據(jù)。為保證實驗件的結(jié)構(gòu)剛性，避免與實驗用拋光輪產(chǎn)生干涉，將大曲率半徑實驗件(R≥1 mm)和小曲率半徑實驗件(R<1 mm)分別銑制成如圖6a與圖6b截面形狀，拋光后實驗件如圖7所示。

采用樣方調(diào)查法，在4種林分類型中分別設(shè)置5個2 m×2 m小樣方，調(diào)查和記錄每種灌木和草本層，以及植物種類、高度、地徑、數(shù)量和覆蓋度［2］。

(a) 大半徑試件截面 (b) 小半徑試件截面
圖6 不同曲率半徑實驗件截面圖

(1)線速度優(yōu)化實驗

研究通過線速度變化，曲率半徑為R2,R1.5,R1,R0.7,R0.5去除深度變化情況，研究曲率半徑為R2,R1.5,R1的表面粗糙度值的變化情況。使用編程軟件對試驗件進行編程，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)(基礎(chǔ)參數(shù)表)

圖7 拋光示意圖

通過實驗繪制不同曲率半徑的去除深度如表2所示，繪制曲率半徑為R2、R1.5、R1的表面粗糙度參數(shù)如表3所示。

表2 不同曲率半徑去除深度表

表3 不同曲率粗糙度參數(shù)表

由此，繪制去除量隨轉(zhuǎn)速和預(yù)壓量變化而變化的關(guān)系曲線如圖8所示。分析該圖可知，拋光去除深度隨拋光線速度的增大而增加，這與不銹鋼304平板實驗結(jié)果類似。在相同線速度和預(yù)壓量條件下，材料的去除深度隨圓角半徑的減小而增大，因為在同樣的壓力下，小圓角半徑的幾何形狀與拋光輪接觸面積小，接觸面處的單顆磨粒所受力變大，去除能力增強。

圖8 去除深度隨線速度變化

另外，同等線速度增量(3.59 m/s)下，去除深度隨轉(zhuǎn)速增大的增量逐漸減小，此變化規(guī)律與Preston模型修正公式不完全符合，如當線速度為12.56 m/s和16.15 m/s時，材料去除深度相差較小，用GSV-4USB測力儀對拋光力進行測定，兩種線速度下的拋光力如表4所示。

表4 拋光力測定表

統(tǒng)計表面拋光R1、R1.5、R2的表面參數(shù)值繪制折線圖，如分析圖9可知表面粗糙度隨線速度增大有先下降后上升的趨勢。當線速度為12.56 m/s時表面質(zhì)量最好，這是由于拋光輪表面的磨粒是不等高的，故線速度越高，前面磨粒通過耕犁作用產(chǎn)生的材料表面變形被后面磨粒切削去除的概率就越大，工件表面質(zhì)量就會越好，但是在線速度過高的情況下，拋光輪表面的排屑周期會變短，切削熱升高，促使拋光表面粗糙度升高。

圖9 表面粗糙度隨線速度變化

另外，如果速度過高，會使拋光輪和工件之間形成一層空氣薄膜，阻礙磨粒和工件之間發(fā)生干涉，致使切削比例下降，進而導(dǎo)致表面質(zhì)量變差[6]。

(2)預(yù)壓量優(yōu)化實驗

通過線速度優(yōu)化實驗得出線速度在12.56 m/s時表面粗糙度值最小。故本實驗采用此線速度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究改變預(yù)壓量對各截面半徑去除深度和表面粗糙度值的變化。如表5、表6、表7所示改變400#拋光輪的預(yù)壓緊量，記錄相應(yīng)預(yù)壓量下拋光后材料去除深度。

表5 變預(yù)壓量拋光參數(shù)表

表6 不同曲率半徑去除深度表

表7 不同曲率粗糙度參數(shù)表

由表6繪制去除量隨預(yù)壓量變化而變化的關(guān)系如圖10所示。

圖10 去除深度隨預(yù)壓量變化曲線

分析曲線走勢可知，預(yù)壓量對材料的去除深度造成重要影響，當給定拋光線速度后，去除深度隨預(yù)壓量的增大而增大。這是因為隨著預(yù)壓量增大，拋光輪與待拋光件干涉尺寸增大，拋光輪表面參與拋光的磨粒數(shù)量增多。另外，由于拋光輪基體的柔性特點，當預(yù)壓量增大時，拋光輪變形增大，單顆磨粒受到基體的作用力增大，去除能力增強。

橫向?qū)Ρ炔煌拾霃降膾伖馊コ疃戎蛋l(fā)現(xiàn)，在相同的拋光參數(shù)下，拋光件的曲率半徑越小，拋光的去除深度越深。上述情況的出現(xiàn)是由于隨著曲率減小，拋光輪與拋光件的接觸面積減小，而拋光輪的擠壓變形量變化較小，導(dǎo)致單顆磨粒所受的壓力增大，去除能力增強。另外，這也從另一個側(cè)面反映了當圓角越小時，拋光參數(shù)對材料去除深度的影響越大，對于小于R0.5的圓角，應(yīng)開展專門的拋光實驗探索小圓角半徑的拋光效果。由表7繪制表面粗糙度隨預(yù)壓量變化的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 表面粗糙度隨預(yù)壓量變化曲線

分析曲線走勢可知，拋光件的表面粗糙度，隨預(yù)壓量的增大而先減小后增大， 在預(yù)壓量為0.3處達到最小值。這是因為當預(yù)壓量增大時，柔性拋光輪表面隨所拋光的幾何形狀產(chǎn)生變形，磨粒與試件表面貼合面積更大，對同一部位的拋光次數(shù)增多，使試件表面質(zhì)量提高。隨著預(yù)壓量繼續(xù)增大，單位時間內(nèi)去除材料增多，拋光輪容屑空間變小，耕犁和切削所占拋光的比例縮小，劃擦作用比例增大，導(dǎo)致表面粗糙度升高。

3 結(jié)束語

通過對航空發(fā)動機復(fù)雜型面葉片進排氣邊定軌跡拋光工藝參數(shù)的深入研究，建立起不同尺寸半徑試件拋光參數(shù)與去除量、表面粗糙度之間的曲線關(guān)系，積累了較為豐富的線速度和預(yù)壓量等拋光工藝關(guān)鍵參數(shù)，為拋光不同曲率進排氣邊特征提供了數(shù)據(jù)支撐，提高了拋光參數(shù)選取效率。

同時，本文采用的超硬磨料柔性拋光工具在小半徑進排氣邊上具有較好的拋光效果，為后續(xù)實現(xiàn)小半徑進排氣邊的數(shù)控化拋光提供了較好的工具。