高速葉尖磨床綜述

雷凱淞

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

高速葉尖磨床是專為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖磨削設(shè)計(jì)的，設(shè)備配有自動(dòng)平衡裝置、自動(dòng)激光實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)以及砂輪修整系統(tǒng)。適合磨削壓氣機(jī)葉片葉尖和渦輪葉片葉冠。

1 應(yīng)用特點(diǎn)

高速葉尖磨床主要用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高/低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖的組合磨削加工，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行葉尖磨削，同時(shí)，可以在葉尖磨削后進(jìn)行平衡，有助于提高部件的平衡質(zhì)量，從而做到提高、穩(wěn)定整機(jī)性能和質(zhì)量。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇增壓級(jí)轉(zhuǎn)子為例，如圖1所示，其葉片材料為Ti-6Al-4V MAS3004，轉(zhuǎn)子直徑Ф1009mm，加工精度0.1mm，葉尖跳動(dòng)要求不大于0.04mm，表面粗糙度大于Ra0.8μm，葉片葉尖與軸線的夾角最大16°59′，公差均為±5′。由于風(fēng)扇增壓級(jí)組件的葉片榫頭與榫槽之間存在間隙，要求加工轉(zhuǎn)子葉片葉尖尺寸時(shí)，須保證增壓級(jí)各級(jí)葉片榫頭工作表面與增壓級(jí)鼓筒貼合。因此，需采用高轉(zhuǎn)速的高速葉尖磨床，提高轉(zhuǎn)子加工時(shí)的轉(zhuǎn)速，以便通過(guò)離心力的作用將轉(zhuǎn)子葉片榫頭工作表面與增壓級(jí)鼓筒貼合，從而進(jìn)行葉尖的磨削加工。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇增壓級(jí)

表1 高速葉尖磨技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

2 設(shè)備原理及組成

高速葉尖磨床的原理，是通過(guò)提高的工件轉(zhuǎn)速模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，使葉片榫頭與輪盤或鼓筒的榫槽緊密地貼合，進(jìn)行磨削與在線測(cè)量，從而使得磨削后的葉片外徑尺寸與工作狀態(tài)保持一致。轉(zhuǎn)子葉片高速磨削工藝是保障發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的重要工藝方法。

高速葉尖磨床設(shè)備主要由床身、工件驅(qū)動(dòng)裝置、工件托架、去毛刺單元、修整裝置、葉尖測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)床防護(hù)罩、電氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、電氣控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、砂輪的自動(dòng)平衡裝置以及中央空氣供應(yīng)和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

圖2 高速葉尖磨示意圖

（1）機(jī)床床身。由于采用鑄鐵，機(jī)床床身本身穩(wěn)定性高，并且作為機(jī)床的基礎(chǔ)，測(cè)量系統(tǒng)基座單元以及磨削和刷子附件置于同一機(jī)床床身上。所有接觸面均經(jīng)過(guò)精加工以及刮研。通過(guò)固定元件將床身固定在地基上。

（2）工件驅(qū)動(dòng)裝置。工件驅(qū)動(dòng)裝置位于機(jī)床床身上，主要包括有一個(gè)可調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)，用于通過(guò)一個(gè)平衡驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。這一裝置用于加工過(guò)程中控制轉(zhuǎn)子的速度及方向。工件旋轉(zhuǎn)的速度及方向可在工件參數(shù)中設(shè)置。

圖3 高速葉尖磨床身

圖4 工件驅(qū)動(dòng)裝置

（3）工件托架。重型前側(cè)和后側(cè)工件托架均安裝在機(jī)床底座上。前側(cè)工件托架為固定安裝，而后側(cè)托架可以沿著機(jī)床底座進(jìn)行移動(dòng)和定位，以便適用不同的轉(zhuǎn)子型號(hào)。后側(cè)托架的移動(dòng)是通過(guò)滾軸絲杠實(shí)現(xiàn)的；在確定的位置上剛性?shī)A緊后側(cè)托架。

固定在前側(cè)和后側(cè)工件托架上的定位基準(zhǔn)塊用于工件托架的校準(zhǔn)。由NC程序自動(dòng)計(jì)算偏差數(shù)值。

（4）用于磨削支撐裝置/防塵的橫向軸和縱向軸。

圖5 工件托架

線性導(dǎo)軌和滾軸絲杠上配有多層防塵保護(hù)罩，確保這些元件能夠無(wú)故障運(yùn)行和擁有較長(zhǎng)的使用壽命。

圖6 首層伸縮式導(dǎo)軌防護(hù)罩覆蓋導(dǎo)軌以及滾軸絲杠

（5）修整裝置。機(jī)床包括有一個(gè)用于修整砂輪的修整裝置?？梢酝ㄟ^(guò)CNC控制系統(tǒng)進(jìn)補(bǔ)償修整數(shù)值。通過(guò)一個(gè)金剛石輪進(jìn)行修整。這樣可以進(jìn)行幾乎沒(méi)有磨損的修整，特別是在干式磨削的時(shí)候。轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)側(cè)還裝有另外一個(gè)修整裝置，用于修整曲面葉片的外型。

圖7 修整裝置

（6）電氣設(shè)備。機(jī)床的控制系統(tǒng)為Siemens 840Dsl系統(tǒng)。開關(guān)柜符合VDE標(biāo)準(zhǔn)。電氣柜在電纜槽內(nèi)均配備有完整的絕緣材料，包括冷卻單元。CNC控制、可以與電子AC伺服電機(jī)連接。

（7）葉尖測(cè)量系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)正切測(cè)量方式對(duì)葉尖進(jìn)行測(cè)量。此測(cè)量系統(tǒng)可以用于在磨削速度下測(cè)量葉尖?？梢詼y(cè)量轉(zhuǎn)子上的每個(gè)葉片。每一層葉片的最大/最小以及平均半徑值都將被測(cè)量出來(lái)。測(cè)量結(jié)果將會(huì)被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中以備將來(lái)使用，或者可以以測(cè)量報(bào)告的形式打印出來(lái)。同時(shí)，也可以測(cè)量任意一個(gè)獨(dú)立的葉片。測(cè)量系統(tǒng)配備有充足的防護(hù)裝置，防止機(jī)械撞擊以及灰塵。

（8）機(jī)床防護(hù)罩。吸音外罩帶有空調(diào)系統(tǒng)，用于溫度控制。機(jī)床外罩包括有維護(hù)門；維護(hù)門的狀態(tài)電氣鎖緊，帶有安全開關(guān)等裝置。

圖8 激光測(cè)微儀

機(jī)床外罩正好外繞整個(gè)機(jī)床，以保護(hù)操作人員受到高速旋轉(zhuǎn)工件的傷害。機(jī)床或者整個(gè)系統(tǒng)的噪音等級(jí)不會(huì)超過(guò)75分貝。機(jī)床外罩在頂部帶有一個(gè)上料艙門，可以使用天車系統(tǒng)上料轉(zhuǎn)子。配備有用于裝載以及卸載砂輪的附件裝置。

（9）空氣過(guò)濾裝置。機(jī)床配備有一個(gè)粉塵抽排單元，用于收集在磨削和修整操作過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵。

3 設(shè)備選型要點(diǎn)

高速葉尖磨床的主要性能指標(biāo)包括工作臺(tái)中心高、磨削直徑、最大磨削長(zhǎng)度、最大零件重量、砂輪線速度、工件轉(zhuǎn)速、在線測(cè)量精度等。在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工藝要求進(jìn)行參數(shù)選擇。

目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)高速葉尖磨床的廠家。國(guó)際上生產(chǎn)高速葉尖磨床的廠家有西班牙達(dá)諾巴特公司、德國(guó)銳鋒公司等。本文對(duì)這兩個(gè)廠家的高速葉尖磨床進(jìn)行了調(diào)研，以磨削直徑Φ1400mm的該設(shè)備為例，指標(biāo)對(duì)比如下。

4 設(shè)備安裝需求

進(jìn)口高速葉尖磨床集成度較高，對(duì)土建、廠房環(huán)境和專業(yè)消耗的要求并不太高。

（1）土建。需做獨(dú)立設(shè)備基礎(chǔ)、隔振溝等。

（2）廠房環(huán)境。設(shè)備自帶防護(hù)罩，并配備空調(diào)裝置以保證溫度在工作區(qū)域內(nèi)，保證磨削工藝要求；設(shè)備自帶抽風(fēng)除塵裝置，以清除磨削和修整操作過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵。因此，該設(shè)備對(duì)廠房環(huán)境要求不高，一般安裝在空調(diào)廠房即可。

（3）專業(yè)消耗。耗電量：約100kW～200kW；壓縮空氣：壓力0.6～0.8MPa，管徑約15mm；循環(huán)水：設(shè)備一般自帶冷卻循環(huán)系統(tǒng)，需定期加入循環(huán)水。

5 結(jié)語(yǔ)

采用高速葉尖磨床進(jìn)行轉(zhuǎn)子葉片葉尖的磨削，已經(jīng)成為現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和修理的重要工藝手段。如何選擇合適的高速葉尖磨床，如何優(yōu)化工藝、設(shè)定合理的磨削參數(shù)，是工程技術(shù)人員必須掌握的。未來(lái)，我國(guó)裝備制造業(yè)也應(yīng)朝著集成化、精密化、高效、高可靠性的方向快速發(fā)展，盡快打破國(guó)外技術(shù)壟斷，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)制造助力。