整體葉盤根部與流道面分區(qū)域拋光技術(shù)

葉 歡，陳志同，佀傳瑞，黎先才，鄭 強(qiáng)，柴晉峰

（1. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2. 湖南南方通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，株洲 412000）

在航空制造領(lǐng)域，推重比是衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一[1]。傳統(tǒng)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用榫頭安裝于輪盤上的榫槽中，再利用鎖緊裝置將葉片固定[2]。20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了將葉片與輪盤做成一體的結(jié)構(gòu)，稱為整體葉盤。該結(jié)構(gòu)在簡化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還減少了氣流損失，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率[3]。因此，美國IHPTET 計(jì)劃指出，其戰(zhàn)斗機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪都將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)?？梢姡灾髡莆詹⑻岣哒w葉盤的設(shè)計(jì)制造技術(shù)對于提升我國未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的競爭力意義重大。

拋光是整體葉盤整個(gè)制造流程中的重要一環(huán)，直接影響零件的最終尺寸與表面質(zhì)量。在國外，整體葉盤的自動(dòng)化拋光技術(shù)已達(dá)到工程化應(yīng)用的水平，如機(jī)器人拋光、磨粒流拋光等[4–5]。在國內(nèi)，由于起步較晚，目前仍依賴于手工拋光的方式，導(dǎo)致零件質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性難以保證，且操作人員的身體健康受到嚴(yán)重威脅。近年來國內(nèi)也相繼開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與整體葉盤的自動(dòng)化拋光技術(shù)研究。重慶大學(xué)黃云教授團(tuán)隊(duì)在多軸砂帶磨削裝備研制、工藝研究與優(yōu)化以及軌跡規(guī)劃等領(lǐng)域開展了研究，其研究成果已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上得到了應(yīng)用，并且在整體葉盤部分型面的砂帶磨削試驗(yàn)方面也取得了一定進(jìn)展[6–7]。西北工業(yè)大學(xué)在整體葉盤拋光機(jī)床與拋光磨頭研制、葉片型面拋光軌跡以及前后緣拋光方法等領(lǐng)域取得了一定的成果[8–9]。在機(jī)器人拋光領(lǐng)域，華中科技大學(xué)在材料去除率、軌跡規(guī)劃以及末端柔順控制等技術(shù)上開展了較多工作[10–11]。

經(jīng)過多年的研究與積累，國內(nèi)在自動(dòng)化拋光技術(shù)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)步，目前基本能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)葉片、大中型整體葉盤葉片型面等開敞性良好區(qū)域的自動(dòng)化拋光加工，但對于諸如中小型整體葉盤等干涉嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)鮮有完全突破該技術(shù)的報(bào)道。事實(shí)上，整體葉盤中干涉最為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)楦繀^(qū)域與流道面區(qū)域?？梢哉f，若能徹底突破中小型整體葉盤的根部與流道面拋光問題，則整體葉盤拋光的干涉問題都將得到解決。

北京航空航天大學(xué)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及整體葉盤等零件的制造技術(shù)領(lǐng)域開展了長期的研究工作。在復(fù)雜曲面寬行加工理論方面，提出了刀具離散的經(jīng)線法與緯線法、基于特征線的刀位優(yōu)化方法以及中點(diǎn)法、端點(diǎn)法、雙端點(diǎn)法、雙切點(diǎn)法等刀軌生成算法[12]；在軟件方面，自主開發(fā)了國產(chǎn)CAM 軟件CAM5；在實(shí)際加工方面，研究了寬行銑削與磨削加工技術(shù)，葉片型面加工后面輪廓度達(dá)到了30 μm 以內(nèi)，可加工最小前后緣半徑達(dá)到了50 μm[13]；針對閉式曲面的加工難題，提出了利用非回轉(zhuǎn)工具進(jìn)行加工的裝置及刀軌生成算法；在零件的拋光方面，發(fā)明了超硬磨料柔性拋光輪[14]，研制了多主軸陣列拋光機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)葉片的高效陣列拋光，并得到了中國航發(fā)各應(yīng)用單位的一致認(rèn)可。此前，北京航空航天大學(xué)聯(lián)合中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司等單位對整體葉盤的自動(dòng)化拋光技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了中小型整體葉盤的全型面自動(dòng)化拋光[15]。但在拋光根部與流道面區(qū)域時(shí)，由于只采用了小尺寸的球頭拋光工具，其損耗較快，拋光效率較低。此外，單次完成整個(gè)根部或流道面的拋光必須采用五軸聯(lián)動(dòng)的方式，因而軌跡干涉與光順性等問題也增加了工藝人員編制程序的難度。因此，本文在前期研究基礎(chǔ)上提出分區(qū)域拋光的方案，從拋光工具、工藝以及軌跡等方面開展研究，旨在推進(jìn)整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)的工程化應(yīng)用。

1 整體葉盤拋光要求

以某型號(hào)整體葉盤為例 （圖1），該零件材料為鈦合金TC11，流道面銑削殘余高度為0.01 mm，要求全型面拋光，去除深度為0.01～ 0.02 mm，拋光后表面粗糙度Ra< 0.6 μm，且表面無凸起、凹坑等缺陷。

圖1 某型號(hào)整體葉盤Fig.1 A certain type of blisk

圖2 展示了該零件一個(gè)通道內(nèi)的根部與流道面區(qū)域。尺寸上，相鄰葉片最小間距不足10 mm，空間較為狹?。粎^(qū)域一致性上，流道面區(qū)域較為平坦，而根部圓弧半徑只有2 mm，曲率變化較大；形狀上，在靠近葉盆葉背附近，流道面區(qū)域邊界較為規(guī)則，而在靠近前后緣的部分，流道面區(qū)域邊界形狀較復(fù)雜。此外，葉根圓弧在銑削清根時(shí)留下了深淺不一的接刀痕，需要通過拋光進(jìn)行去除。因此，相比于葉盆葉背等區(qū)域的拋光，根部與流道面區(qū)域?qū)伖夤ぞ哐兄啤⒐に嚪桨敢约败壽E規(guī)劃等提出了更高的要求。為了降低軌跡規(guī)劃與拋光區(qū)域搭接的難度，研究團(tuán)隊(duì)在流道面區(qū)域采用半徑為R3 的球頭拋光工具進(jìn)行拋光，從而拋光工具的壽命、拋光效率以及軌跡生成等方面受到較大限制。因此，本文針對根部與流道面的分區(qū)域拋光技術(shù)開展研究。

圖2 根部與流道面拋光難點(diǎn)Fig.2 Polishing difficulties of root and hub area

2 根部與流道面分區(qū)域拋光技術(shù)

2.1 拋光工具選型

根部及其附近區(qū)域是限制拋光工具尺寸的主要因素。對于根部區(qū)域，考慮到拋光工具的適用性，仍使用R2 球頭拋光工具，對于流道面而言，可分為主要區(qū)域與邊界區(qū)域，如圖3 所示。由于邊界區(qū)域與根部具有公共邊界，需要使用R2 球頭拋光工具，而對于主要區(qū)域，可以使用諸如鼓形輪等更大尺寸的拋光工具。本研究設(shè)置邊界區(qū)域的寬度為0.3 mm，并據(jù)此設(shè)計(jì)了針對主要區(qū)域的鼓形拋光工具。最終，拋光根部與流道面將使用圖3（b）所示的兩種拋光工具。該工具為北京航空航天大學(xué)發(fā)明的一種新型拋光工具，其表層為電鍍CBN 砂帶，磨料粒度可根據(jù)需要進(jìn)行選擇 （本研究選擇400#），柔性基體為橡膠，具體結(jié)構(gòu)與詳細(xì)制作方法見文獻(xiàn)[14]。

圖3 拋光工具選型Fig.3 Lectotype of polishing tools

2.2 根部拋光軌跡優(yōu)化

拋光軌跡是影響球頭拋光工具壽命的重要因素之一。在磨削加工中，提高砂輪線速度能夠降低磨料的負(fù)荷，從而提高砂輪的使用壽命。依據(jù)這個(gè)思路，本研究盡可能使用球頭拋光工具上線速度較大的部分進(jìn)行拋光。圖4 為根部拋光時(shí)刀軸矢量示意圖，其中，θ角為刀軸矢量與觸點(diǎn)法矢的夾角?？紤]刀桿與零件之間需留有足夠的空間以避免干涉，本研究取θ≈ 75°，而優(yōu)化前θ角范圍為20°～40°，優(yōu)化后拋光線速度提高了1.5～2.8 倍。

圖4 刀軸矢量優(yōu)化Fig.4 Optimization of tool axis vector

影響根部拋光效率的另一個(gè)重要因素是銑削清根時(shí)留下的接刀痕。該接刀痕一般位于根部與葉身以及流道面的交界處，且去除難度較大，如圖5 所示。根據(jù)手工拋光的經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)拋光進(jìn)給方向與待拋光表面紋路方向接近垂直時(shí)，材料去除效率最高。優(yōu)化前拋光進(jìn)給方向與接刀痕方向近似平行，因此本文將其調(diào)整為垂直于接刀痕方向。

圖5 根部拋光軌跡調(diào)整Fig.5 Adjustment of toolpath for root area

2.3 拋光區(qū)域搭接方法研究

調(diào)整拋光工具與軌跡后，對于根部或流道面區(qū)域，單次拋光難以覆蓋整個(gè)區(qū)域。以流道面為例，在拋光遠(yuǎn)離刀桿且位于前后緣附近的流道面區(qū)域時(shí)容易發(fā)生干涉，且葉片中弧線的曲率越大，發(fā)生干涉的可能性也越大，如圖6 所示。因此，需要將根部與流道面區(qū)域分為若干個(gè)子區(qū)域進(jìn)行拋光以避免干涉。

圖6 拋光流道面干涉示意圖Fig.6 Interference schematic of polishing hub area

首先對拋光區(qū)域的去除輪廓進(jìn)行說明。圖7（a）為單個(gè)拋光區(qū)域在某個(gè)截面內(nèi)的輪廓示意圖。拋光工具走過某段軌跡后，將去除部分工件材料并形成新的工件表面。由于拋光工具與工件表面的接觸作用以及退刀軌跡設(shè)置等因素，實(shí)際去除區(qū)域的范圍要大于CAM 軟件中編程區(qū)域的范圍。本文稱超出編程區(qū)域外的部分為邊界區(qū)域，其寬度為Wb。圖7（b）為兩個(gè)相鄰拋光區(qū)域的輪廓示意圖，可見區(qū)域搭接的光滑程度主要取決于搭接區(qū)域輪廓。

圖7 拋光區(qū)域輪廓示意圖Fig.7 Schematic of polishing area profiles

假設(shè)兩個(gè)區(qū)域的最大去除深度相等，為h0，且不同拋光區(qū)域的邊界曲線是相同的。建立如圖8 所示坐標(biāo)系，記左側(cè)區(qū)域在整個(gè)相鄰拋光區(qū)域內(nèi)的輪廓曲線為

圖8 搭接區(qū)域坐標(biāo)系Fig.8 Coordinate system for overlapping area

式中，W為搭接區(qū)域的寬度；f（x）為邊界區(qū)域輪廓曲線的表達(dá)式。由對稱性知，右側(cè)區(qū)域在整個(gè)相鄰拋光區(qū)域內(nèi)的輪廓曲線為y2（x）=y1（W–x），從而整個(gè)相鄰拋光區(qū)域內(nèi)的輪廓曲線可表示為

因此，拋光搭接問題即為求最優(yōu)曲線y1（x），使得搭接區(qū)域光滑性最佳。

為了衡量區(qū)域搭接的光滑程度，選擇||ρ（x）||∞作為指標(biāo)，ρ（x）為y（x）的曲率半徑?？紤]到對于實(shí)際工程應(yīng)用的需要，本研究以搭接穩(wěn)定性為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，約束條件為：對于單個(gè)區(qū)域的輪廓曲線y1（x），要求在理論搭接寬度W下由y1（x）得到的||ρ（x）||∞在整個(gè)搭接區(qū)域都為0，記滿足該條件的y1（x）的集合為L。優(yōu)化目標(biāo)為：當(dāng)實(shí)際搭接寬度與理論搭接寬度存在偏差ΔW時(shí)，求最優(yōu)y*1（x）滿足

式中，ρ*（x）和ρ（x）分別是由最優(yōu)y*1（x）與滿足約束條件的y1（x）計(jì)算得到的曲率半徑。由約束條件可得，當(dāng)x∈（0，W）時(shí)，有

即y1（x）關(guān)于點(diǎn) （W/2，h0/2）中心對稱。當(dāng)實(shí)際搭接距離存在偏差ΔW時(shí)，相當(dāng)于將y2（x）沿x軸進(jìn)行平移得到y(tǒng)2（x–ΔW），如圖9 中虛線所示。此時(shí)y（x）仍可按式（2）求得，且由幾何關(guān)系得

圖9 搭接寬度偏差示意圖Fig.9 Schematic of overlapping width deviation

根據(jù)式（1）～（5），若給定去除深度h0、搭接寬度W及偏差ΔW，則可求得f（x）的數(shù)值解，或限制f（x）為多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行求解。

2.4 拋光區(qū)域劃分

由于定軸加工的剛性好，進(jìn)給速度平穩(wěn)，因此在定軸拋光的基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域劃分，并計(jì)算各子區(qū)域所需刀軸矢量。圖10（a）為區(qū)域劃分的流程，主要包括初值選取、曲面離散、可行域計(jì)算、穩(wěn)定值判斷以及刀軸矢量計(jì)算等步驟。需要指出的是，由于流道面在靠近前后緣附近的部分尺寸較小，且邊界形狀復(fù)雜，因而選擇R2球頭工具進(jìn)行拋光。最終整個(gè)區(qū)域劃分的結(jié)果與使用的拋光工具如圖10（b）所示。其中，右側(cè)的備注為拋光工具及其方位，例如，“B+鼓形”表示從刀桿指向B側(cè)，并使用鼓形工具進(jìn)行拋光。

圖10 區(qū)域劃分實(shí)例Fig.10 An instance of the region partition

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證分區(qū)域拋光的可行性，本研究首先在北京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的五軸數(shù)控磨拋機(jī)床上對試驗(yàn)件開展了拋光試驗(yàn)。所用拋光工具如圖3（b）所示；在進(jìn)行區(qū)域搭接時(shí)，給定了搭接寬度及其最大偏差，限制f（x）為三次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行了求解；其他拋光參數(shù)如下。

（1）拋光根部時(shí)，轉(zhuǎn)速15000 r/min、進(jìn)給速度1500 mm/min、壓緊量約0.2 mm；

（2）拋光流道面時(shí)，轉(zhuǎn)速20000 r/min、進(jìn)給速度3000 mm/min、壓緊量約0.2 mm。

在CAM 軟件NX12.0 中生成了各子區(qū)域的拋光軌跡，如圖11 所示。

圖11 各區(qū)域拋光軌跡Fig.11 Tool paths of subregions

以流道面的兩個(gè)相鄰子區(qū)域?yàn)槔?，說明子區(qū)域之間的搭接軌跡，如圖12 所示?？梢钥吹?，兩個(gè)子區(qū)域之間存在一定范圍的搭接區(qū)域；在非搭接區(qū)域內(nèi)，拋光軌跡與常規(guī)軌跡是相同的，而在搭接區(qū)域內(nèi)，考慮搭接的拋光軌跡將會(huì)緩慢離開工件表面，從而在滿足去除深度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)相鄰區(qū)域之間的光滑過渡。開展拋光試驗(yàn)，并對搭接區(qū)域的表面輪廓進(jìn)行了測量，其結(jié)果如圖13 所示。可以看到，采用分區(qū)域拋光后，拋光表面效果較好，無明顯殘留痕跡；搭接區(qū)域無明顯凸起或凹坑，局部高度差不超過2 μm，可以認(rèn)為區(qū)域之間的過渡較為光滑。需要指出的是，分區(qū)域拋光將會(huì)帶來子程序數(shù)量的增加，但由于每個(gè)子程序的編制過程較為相似，因此程序編制的工作量不會(huì)很大。

圖12 流道面子區(qū)域之間的搭接軌跡Fig.12 Overlapping tool path in the hub area

圖13 分區(qū)域拋光實(shí)例Fig.13 Verification of regional polishing

針對真實(shí)零件的拋光試驗(yàn)是在中國航發(fā)湖南南方通用發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司的五軸專用磨拋機(jī)床上進(jìn)行的，試驗(yàn)對象為某型號(hào)整體葉盤零件。拋光現(xiàn)場如圖14 所示，所用拋光參數(shù)與上述試驗(yàn)相同。為了驗(yàn)證拋光過程的穩(wěn)定性，在拋光現(xiàn)場連續(xù)拋光了6 個(gè)通道區(qū)域，并在根部與流道面上各取3 處位置進(jìn)行了測量，其結(jié)果如表1 所示?？梢钥吹剑瑨伖馊コ疃燃s為0.01～0.02 mm，表面粗糙度Ra約為0.3～0.4 μm，與文獻(xiàn)[15]達(dá)到的效果相當(dāng)，且滿足該零件的技術(shù)指標(biāo)。此外，在效率方面，拋光單個(gè)根部時(shí)間為320 s，相比優(yōu)化前的500 s縮短了約36%；拋光整個(gè)流道面的時(shí)間為150 s，相比優(yōu)化前的240 s 縮短了約37.5%；在工具損耗方面，單個(gè)R2 球頭工具與單個(gè)鼓形工具在拋光6 個(gè)根部與流道面區(qū)域后，拋光工具無明顯磨損，去除深度與表面粗糙度未發(fā)生明顯差異，相比優(yōu)化前的單個(gè)工具拋光3～4 個(gè)根部或流道具有較大提升。

表1 根部與流道面拋光前后對比Table 1 Comparison between root and hub area before and after polishing

圖14 零件拋光試驗(yàn)Fig.14 Polishing experiments for the part

4 結(jié)論

通過對拋光工具、軌跡規(guī)劃以及工藝方法等方面的優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤根部與流道面的分區(qū)域拋光加工，在提高拋光效率的同時(shí)，降低了拋光工具的損耗以及軌跡生成的難度。

（1）分區(qū)域拋光可滿足根部與流道面拋光的區(qū)域全覆蓋、尺寸精度以及表面質(zhì)量要求，有望解決諸如離心葉輪、閉式葉環(huán)等復(fù)雜零件的自動(dòng)化拋光難題。

（2）在滿足精度與質(zhì)量的前提下，拋光工具壽命、拋光效率等指標(biāo)在原先的基礎(chǔ)上提升約30%，有利于推進(jìn)該技術(shù)的工程化應(yīng)用。

下一步，研究團(tuán)隊(duì)將針對整體葉盤實(shí)際加工中存在的局部超差問題開展整體葉盤局部誤差自適應(yīng)修正技術(shù)研究，為實(shí)現(xiàn)整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)的全面應(yīng)用提供技術(shù)支持。