窄流道整體葉盤定軌跡數(shù)控拋光技術(shù)研究

陳 雷 張 云 陳志同 葉 歡

(①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，遼寧 沈陽(yáng)110000；②北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100191；③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)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)防制造業(yè)的重中之重，其高質(zhì)量、高精度的生產(chǎn)對(duì)于我國(guó)航空事業(yè)極為重要。目前，國(guó)內(nèi)外整體葉盤常用的拋光方式為手工拋光、數(shù)控輪式拋光、數(shù)控砂帶拋光以及磨粒流拋光，皆取得了較高的技術(shù)水平：(1)手工拋光是工人通過(guò)分析測(cè)量結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性拋光去量和提高表面粗糙度，如圖1a所示，但手工拋光后各批次型面精度及表面質(zhì)量的一致性較差，且極易出現(xiàn)過(guò)拋、漏拋等局部缺陷，國(guó)內(nèi)正積極推進(jìn)無(wú)手工工序。(2)數(shù)控砂帶拋光在葉片拋光中應(yīng)用較好，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)(德國(guó)Metabo、中國(guó)三磨海達(dá)[1]等)都有成熟的砂帶力控拋光解決方案，如圖1b所示。但整體葉盤較為狹窄的空間結(jié)構(gòu)、較大的型面扭角對(duì)力控結(jié)構(gòu)的小型化提出了更高的要求。(3)磨粒流拋光后具有極高的表面粗糙度，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)(美國(guó)Dynatics[2]等)基于等余量精確去除的流道模芯面型反求方法和夾具設(shè)計(jì)為均勻銑削刀紋的去除提供了極為高效的手段，如圖1c所示。但由于銑削區(qū)域誤差的存在，非均勻去量對(duì)相應(yīng)區(qū)域流場(chǎng)控制要求更高。(4)數(shù)控輪式拋光是通過(guò)數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人替待人工操作，長(zhǎng)壽命小尺寸工具對(duì)于整體葉盤具有較為顯著的應(yīng)用效果，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)(德國(guó)FraunhoferIPT、625所、西工大、北航等)皆提出了各自的解決方案[3-6]，如圖1d所示。

但不容忽視的是，國(guó)外比較重視前期拋光軌跡的調(diào)整與基于拋光機(jī)理的工藝參數(shù)優(yōu)化，德國(guó)MTU盤類零件的修復(fù)中已得到大范圍應(yīng)用[7]。同時(shí)，隨著材料性能的提高和加工難度的提高，超硬磨料輪式工具具備的耐磨性和長(zhǎng)壽命在美國(guó)GE整體葉盤上得到探索[8-9]。在此基礎(chǔ)上，北京航空航天大學(xué)研制的具有中間過(guò)渡基體的復(fù)雜母線超硬磨料柔性拋光輪為工具[10]，其在給定預(yù)壓量條件下，高精度復(fù)雜母線外形(尺寸精度≤0.01 mm)與整體葉盤表面接觸后橡膠被壓縮產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而提供穩(wěn)定可控的接觸壓力，從而為拋光去量和表面質(zhì)量的精確控制提供了可行性。

本文針對(duì)某窄流道整體葉盤進(jìn)行定軌跡拋光技術(shù)的研究，根據(jù)窄流道整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)并制造了超硬磨料柔性拋光輪，通過(guò)型面、葉根、流道等典型區(qū)域的拋光試驗(yàn)，有效實(shí)現(xiàn)整體葉盤定軌跡數(shù)控拋光，為去人工拋光奠定基礎(chǔ)。

1 拋光工具設(shè)計(jì)

1.1 型面拋光輪設(shè)計(jì)

(1)

(2)

(3)

在整體葉盤拋光加工中，流道空間對(duì)拋光輪最大回轉(zhuǎn)直徑Dt的影響。如圖4所示，葉片間的最短距離為dmin，設(shè)定拋光輪與相鄰葉片之間的最小安全距離為Δd，則其最大回轉(zhuǎn)直徑Dt亦應(yīng)滿足式(4)。

Dt

(4)

以某型號(hào)整體葉盤為例，其葉片彎扭程度較大，兩相鄰葉片之間的最窄距離為8.3 mm，如圖5所示。根據(jù)型面曲率分布及式(3)和式(4)，確定Dt=6.4 mm，Rt=38 mm的鼓型拋光輪。

1.2 流道及根部拋光輪設(shè)計(jì)

整體葉盤流道及根部拋光時(shí)工具受到空間限制，為了防止與其他型面發(fā)生干涉，采用球頭拋光輪，其半徑Rg為整體葉盤根部圓角半徑，如圖6所示。同時(shí)，流道面區(qū)域由于自身曲率變化較大，而且受到兩側(cè)葉片的空間限制，無(wú)法使用效率較高但刀軸變化范圍較大的端面拋光的方式，因此，也采用半徑Rl球頭結(jié)構(gòu)的拋光輪。考慮到流道面拋光區(qū)域比葉根拋光區(qū)域大得多，增大拋光輪的尺寸有利于提高工具壽命，但是過(guò)大尺寸的拋光輪會(huì)在與葉根過(guò)渡的區(qū)域留下過(guò)多的因干涉而難拋光到的區(qū)域。

同樣，以圖 5所示型號(hào)整體葉盤為對(duì)象，確定流道及根部拋光輪Rg=2 mm，Rl=3 mm。拋光輪刀桿的長(zhǎng)度由葉盤葉片的高度及預(yù)留裝夾的長(zhǎng)度決定，設(shè)計(jì)的刀桿長(zhǎng)度為h=70 mm；刀桿的直徑受拋光力及拋光加工空間的大小影響，由于拋光力比較小，加工的流道空間狹窄且變化復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)的刀桿直徑為d=4 mm。

2 定軌跡拋光試驗(yàn)

2.1 型面拋光

當(dāng)確定鼓形拋光輪的尺寸后，整體葉盤型面拋光的關(guān)鍵在于滿足表面粗糙度要求的前提下，盡可能提高拋光效率。采用粗拋+精拋的模式，先用400#拋光輪去除葉身上的刀紋，可將Ra控制至0.5～0.6 μm。再用2000#的拋光輪提高葉身表面質(zhì)量，可將Ra提高至0.2～0.4 μm。但其中，粗拋密集的刀軌導(dǎo)致每個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間都普遍較長(zhǎng)，難以達(dá)到手工拋光的效率。因此，以拋光編程中的殘高控制粗拋刀軌行數(shù)，如表 1所示，當(dāng)編程殘高為15 μm時(shí)，加工效率超過(guò)手工，型面刀軌和拋光效果如圖7所示。

表1 型面拋光參數(shù)優(yōu)化

2.2 流道面拋光

流道面最窄的部位寬度為8.3 mm，最寬的部位寬度約為15 mm。因此當(dāng)拋光的進(jìn)給方向平行于銑削刀紋的方向(軸向)時(shí)，流道中較寬和較窄的部位刀軌疏密差別較大，拋光效果也會(huì)有明顯差別。為了解決該問(wèn)題，并提高磨拋線速度和拋光工具的壽命，在拋光編程時(shí)設(shè)置刀軸方向傾斜一定的角度，從而拋光的進(jìn)給方向近似垂直于銑削刀紋的方向(周向)，由此開(kāi)展流道面拋光方式優(yōu)化試驗(yàn)。軸向和周向拋光效果如圖8b、c所示，周向拋光表面具有更優(yōu)效果。

2.3 葉根圓弧拋光

葉根過(guò)渡圓弧半徑小，且拋光的時(shí)候受相鄰葉片及流道面的干涉影響，拋光刀軌不易生成。由于球頭部分砂帶面積小，尤其當(dāng)?shù)遁S與被加工表面幾乎垂直時(shí)，參與拋光的磨粒數(shù)量更少，導(dǎo)致Rg=2 mm球頭拋光輪的壽命大大降低。因此在編程時(shí)應(yīng)該多利用遠(yuǎn)離拋光輪中心位置處的區(qū)域，給拋光輪設(shè)置一定的前傾角和側(cè)傾角，使得拋光輪與葉根的接觸區(qū)域增大。由此開(kāi)展葉根圓弧精拋光參數(shù)優(yōu)化，如表 2所示。表面粗糙度Ra隨轉(zhuǎn)速增大是先減小后增大的變化規(guī)律，在6 000 r/min附近的表面質(zhì)量最好，葉根圓弧的拋光效果如圖9所示。

表2 葉根精拋工藝參數(shù)優(yōu)化

則利用選定拋光輪對(duì)示例整體葉盤在經(jīng)過(guò)數(shù)控拋光加工后，葉盆和葉背的表面粗糙度均降低到Ra0.4 μm以下，葉盤拋光前后對(duì)比如圖10所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某型號(hào)的窄流道整體葉盤的超硬磨料柔性工具定軌跡拋光技術(shù)展開(kāi)研究，所得成果及結(jié)論如下：

(1)針對(duì)窄流道整體葉盤的型面輪廓特點(diǎn)和幾何特征，設(shè)計(jì)適用于型面、流道、葉根圓弧的超硬磨料柔性工具，可實(shí)現(xiàn)整體葉盤全型面的數(shù)控拋光。

(2)針對(duì)型面、流道、葉根圓弧不同區(qū)域的拋光需求，開(kāi)展定軌跡拋光試驗(yàn)，完成窄流道整體葉盤的數(shù)控拋光，表面粗糙度Ra在0.4 μm以下，完全去除精銑刀紋，達(dá)到了替代人工拋光的要求。