航空發(fā)動機整體葉盤阻尼波超精微細自動化拋光新工藝

劉訓海，李超，馬麗娜

（江蘇漢龍航空科技發(fā)展有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

空天飛行中最關鍵的就是航空發(fā)動機的性能，性能優(yōu)秀的航空發(fā)動機是一個國家整體工業(yè)能力的最頂級的體現(xiàn)，航空發(fā)動機在極為有限的空間內(nèi)和極端惡劣條件下保持長期、穩(wěn)定的、極端的性能，航空發(fā)動機的葉片需要承受1700℃以上的高溫，必須承載相當于中國三峽水庫3倍質(zhì)量的巨大壓力，其材料合成和鍛造加工的工藝非常復雜，高端的航空葉片的表面超精微細研磨處理是航空發(fā)動機性能提升的關鍵工序，其重要性不亞于發(fā)動機本身的任何一道工序，也是航空發(fā)動機性能提升的瓶頸工藝之一。

1 緒論

航空發(fā)動機是一個國家最頂級的工業(yè)技術水平的體現(xiàn)，航空發(fā)動機的核心就是耐高溫、耐高強度的鈦合金整體葉盤的加工水平，其葉片的加工精度和表面質(zhì)量對航空發(fā)動機的動力和壽命有直接影響。高水平的整體航空葉盤的磨拋工藝可以提高葉片的尺寸精度及表面質(zhì)量，由于傳統(tǒng)的研磨工藝過于復雜，操作人員往往很難熟練掌握，對葉盤葉片復雜的曲面和重疊葉根部死角等無法均勻觸及，導致航空發(fā)動機整體葉盤的超精微細拋光研磨成為航空發(fā)動機整體性能提升的一個工藝瓶頸，亟待突破[1-2]。

1.1 技術研究背景

對航空發(fā)動機整體葉盤葉片的復雜曲面、重疊葉根等采用數(shù)控自動化整體b均勻磨拋過程的關鍵技術:磨削工藝方式、磨拋工藝優(yōu)化、整體葉盤超精微細自動化研磨技術。

整體葉盤成型加工過程都不可避免地在零件加工表面留下一定缺陷，這些缺陷主要包括：曲面銑波痕、微倒伏毛刺等，航空發(fā)動機葉盤（葉片）的曲面的整體非常復雜，整體葉盤葉片之間部分垂直方向重疊扇形分布，葉片之間間隙距離限制了磨具磨頭進入，導致復雜曲面無法采用上述的傳統(tǒng)研磨工藝進行超微細研磨。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對整體葉盤葉片也進行了大量的研究，如瑞士PRECITRAE公司的Cyberpolish T拋光機、德國IBS公司的MTS1000-6CNC的六軸砂帶磨床、英國的Cyril-Adams和Rolls-Royce公司等對航空葉片的超精微細研磨方向均采用了多種研磨工藝，國內(nèi)如XX航空航天大學、重慶XX大學、XX理工大學、中航工業(yè)北京XX航天研究所等眾多國內(nèi)科研機構(gòu)也研發(fā)了諸如多軸砂帶研磨機等精密研磨磨床，其無一例外的主要都是對單片葉片有著一定的技術突破，但對航空發(fā)動機的整體葉盤葉片均有一定的重疊葉根等很難實現(xiàn)均勻一致的超微精細研磨作業(yè)，只能在單片葉片拋光上進行使用，不能適用于復雜的整體葉片曲面拋光，整體葉片的一致性均勻曲型面拋光是航空發(fā)動機性能提升的發(fā)展瓶頸。

1.3 研究的內(nèi)容和意義

航空發(fā)動機整體葉盤是將葉片與輪盤設計成一體，減輕發(fā)動機整體重量提高了發(fā)動機的推重比。整體葉盤中的葉片存在型面的疊加變化，具有薄壁、弦寬、彎掠、葉片疊加等復雜整體幾何特征，傳統(tǒng)研磨加工過程中磨具很難進近葉片內(nèi)根幾何死角位置，重疊的葉片亦容易導致磨頭干涉碰撞到葉片，這些都極可能導致整體葉盤報廢。目前國內(nèi)外整體葉盤的精密超微細研磨加工仍主要依靠熟練的鉗工進行人工磨拋，普遍存在拋光效率低、各曲面研磨余量不均勻、有些用力過猛處形成過拋點位高溫變色、葉片重疊處研磨刀具無法均勻觸及等問題使其難以適應當前新型航空發(fā)動機研制和量產(chǎn)的需求。為滿足航空發(fā)動機對推重比及高可靠性等性能提升的要求，提高整體葉盤的超精微細精密研磨加工的質(zhì)量與實現(xiàn)自動化數(shù)控均勻超微細研磨，就顯得非常迫切，江蘇漢龍航空科技有限公司研發(fā)團隊經(jīng)過多年實踐潛心研發(fā)出新型阻尼波動超精微細自動化整體葉盤拋光工藝，實現(xiàn)了整體航空葉盤的高精度、高效率、高質(zhì)量、自動化的超精微細磨拋應用加工技術[3]。

2 阻尼波超精微細自動化拋光的工藝原理

2.1 工藝簡介

江蘇漢龍航空科技發(fā)展有限公司劉訓海、李超、馬麗娜團隊經(jīng)過多年的潛心研究，采用特殊的阻尼波超精微細光整加工方式，將整體葉盤固定在阻尼器波動發(fā)生機頭夾具裝置上，采用數(shù)控工藝設定好自動程序，將機頭零件按照設定好的程序侵入到機床的阻尼波動磨料箱內(nèi)，在綜合阻尼波動下的磨塊和磨劑等介質(zhì)在工件內(nèi)部的形成的阻尼波動微渦流360°行程微波動沖擊，獨立的機頭夾具同步輸出阻尼波動，并根據(jù)實際需要設定進行自動自傳，在復雜的相對阻尼波混動微沖擊運動下，游離狀態(tài)的磨料顆粒始終以一定的向心速度和壓力對整體葉盤件各型面進行360°無死角滾壓及微量磨削，機頭夾具自身同步獨立輸出阻尼波動動力，使得磨料顆?？梢詮娜葸M入葉盤重疊葉根處進行均勻拋磨，從而達到均勻細化整體葉盤的復雜型面的粗糙度，去除加工毛刺和表面微觀缺陷，改善整體葉盤表面物理機械性能，同時機床設定工藝參數(shù)后實現(xiàn)無人干預的自動化研磨作業(yè)，達到不依賴人力地提高零件表面質(zhì)量和改善使用性能的目的，只需確定合適的磨粒種類、裝入量、混合比、加工時間、自轉(zhuǎn)速度、阻尼輸出頻率等諸多參數(shù)后就能實現(xiàn)全自動化均勻超精微細拋磨，最終獲得理想的光整加工效果，自動化數(shù)控阻尼波動超精微細研磨加工工藝是這種技術的核心[4-5]。

2.2 工藝步驟

根據(jù)整體葉盤葉片表面粗糙度和加工刀紋紋路的不同區(qū)別，采用粗、中、細不同選中的磨料顆粒進行分步驟進行逐層次研磨，確保葉盤葉片的精度保證[6]。

2.3 阻尼波超精微細研磨拋光技術特點

見圖1：工藝優(yōu)點。

圖1 工藝優(yōu)點

2.4 超精微細拋光功能

（1）減小和細化整體葉盤葉片型面粗糙度，消除機加工痕跡、微觀紋痕等型面缺陷，提高和改善葉盤葉片整體型面質(zhì)量。

（2）拋光精度高，整體均勻微研磨去除余量小，在葉盤葉片整個型面拋光達到光潔度要求的同時，保持葉盤葉片整個型面的公差要求。

（3）通過超精微細拋光后表面光潔度高，葉盤葉片整個型面完全看不出加工痕跡，基本達到鏡面效果，表面粗糙度最低可達Ra0.16～0.05um。

（4）葉盤葉片整個型面拋光后表面均勻，一致性高，適合葉盤葉片整個型面批量超精微細加工生產(chǎn)。

（5）可徹底解決葉盤葉片整個型面曲面結(jié)構(gòu)復雜，人工和機器打磨無法完成的拋光難題。

（6）提高葉盤葉片整個型面物理力學性能，改善葉盤葉片整個型面應力分布狀態(tài)。

（7）機床自動化程度高，實現(xiàn)一鍵輸入、一鍵啟動、無人值守、傻瓜式超精微細研磨結(jié)果。

3 航空發(fā)動機整體葉盤阻尼波超精微細拋光結(jié)構(gòu)及工藝

3.1 機床阻尼器機架

采用數(shù)控自動化控制系統(tǒng)自動夾爪固定阻尼波動夾具，夾持整體葉盤進入阻尼波發(fā)生料箱區(qū)域，設定機夾頭的阻尼波發(fā)生頻率和自傳速度和方向，機頭和上梁架采用阻尼器固定安裝鏈接可自由整體升降系統(tǒng)，見圖2阻尼波動機頭。

圖2 阻尼波動機頭

3.2 阻尼波動工作模式

阻尼懸掛設計機械固定抓手，將整體工件固定在阻尼懸掛梁上加懸浮機架臂上，整體沉入阻尼波動料箱中，磨料為顆粒狀混動運動狀態(tài)，對侵入復雜工件進行非硬力整體阻尼動微波研磨，確保復雜工件無死角，無微變形，無撞擊損壞情況下，一致性精密研磨完成！見圖3 整體葉盤無死角超精微細研磨、圖4微細研磨效果圖。

圖3 整體葉盤無死角超精微細研磨效果

圖4 微細研磨效果

3.3 阻尼波超精微細研磨效果

整體均勻一致，各型曲面粗糙度Ra0.2～0.16以下 ，表面紋理（放大20倍）倒伏微毛刺去除干凈，研磨刀具無法達到的根部盲區(qū)位置可以一次性粗糙度提高到Ra0.2～0.16以下，保持研磨一致性，見圖5研磨前后效果對比。

圖5 研磨前后效果對比

阻尼波超精微細研磨技術對整體航空發(fā)動機復雜葉盤（葉片）工件可以整體一致性超微細精密研磨，整體葉盤超精微細拋光效果：①整機實行整體葉盤全自動化數(shù)控控制一致性超微細研磨工作；②除整體葉盤毛刺、氧化皮、銹跡、雜質(zhì)等，使零件毛刺處去除后光滑、光亮；③實現(xiàn)整體葉盤的粗、中、細多種自動化研磨工序選擇；④大幅度改善整體航空葉盤復雜型面零件毛刺部位的表面清潔度；⑤改善整體航空葉盤表面加工紋理，降低整體葉盤曲形面整體粗糙度；⑥不依賴產(chǎn)品曲面尺寸變化，整體均勻研磨360°全面拋光作業(yè)無葉根死角，確保均勻一致；⑦機床封閉加工作業(yè)，預設定參數(shù)后一鍵啟動自動化作業(yè)，確保工作區(qū)安全保障；⑧加工時間單位設定后自動化精細研磨，無產(chǎn)品碰撞傷害危險，不依賴人工，滿足工業(yè)產(chǎn)能要求；⑨一次性整體加工，不改變零件原來的形位公差，尺寸方面只有μ級變化，葉片粗糙度達Ra0.16以下。

4 結(jié)語

航空發(fā)動機整體葉盤阻尼波超精微細自動化拋光工藝解決航空發(fā)動機葉盤葉片整體拋光存在的整體研磨工藝缺陷，填補了國內(nèi)外長期困擾的針對航空發(fā)動機整體葉盤（葉片）自動化超精微細研磨的技術、設備空白，實現(xiàn)全自動化數(shù)控控制機床自動完成指令作業(yè)，同時保證葉盤葉片自有曲面精度和變形量精度控制，全面提升整體葉盤葉片的表面粗糙度，有效提升航空發(fā)動機的產(chǎn)業(yè)技術革新！