藺小軍，楊 闊，吳 廣，董 婷

（西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

0 引言

整體葉盤是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其應(yīng)用提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，降低了故障率，提高了耐久性與可靠性。整體葉盤結(jié)構(gòu)分為開(kāi)式和閉式兩種，葉片型面屬于自由曲面［1］。對(duì)于整體葉盤的加工，目前最有效的方法是數(shù)控加工［2］，但是若在數(shù)控加工后直接裝配發(fā)動(dòng)機(jī)使用，則由于葉片表面粗糙，無(wú)法滿足整體葉盤高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作條件，故在銑削加工后必須對(duì)葉片型面進(jìn)行拋光加工，以提高整體葉盤葉片的型面質(zhì)量，適應(yīng)葉片的工作環(huán)境。

目前我國(guó)正在大力發(fā)展航空事業(yè)，尤其是大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，使得整體葉盤自動(dòng)化、精密化、高效化拋光成為亟需解決的問(wèn)題。但是，目前的整體葉盤拋光方法主要還是手工打磨拋光，靠樣板控制葉片的截面形狀，該方法存在效率低、去除量不均勻、表面粗糙度不一致、波紋度大、易燒傷、質(zhì)量不穩(wěn)定、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、污染嚴(yán)重、對(duì)身體傷害大等問(wèn)題。因此，多種數(shù)控拋光方法正在研究探索中，典型的有柔性機(jī)器人拋光［3-5］、氣囊拋光［6-8］、磨粒流拋光［9］、機(jī)械振動(dòng)拋光［10］和 自動(dòng)化數(shù)控拋光［11］等。Axinte等［12］研究了不同拋光方法對(duì)鈦合金工件表面完整性的影響；北京航空航天大學(xué)贠超等［13］提出一種砂帶機(jī)器人構(gòu)型，利用旋量理論中的指數(shù)積公式推導(dǎo)了該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解，引入模擬退火算法優(yōu)化了接觸輪相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位移偏移量，經(jīng)葉片砂帶加工試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)加工精度滿足設(shè)計(jì)要求；重慶大學(xué)黃云等［14-15］提出一種以汽輪機(jī)葉片為典型對(duì)象的自由曲面高效精密加工方法，建立了基于砂帶磨削原理的自由曲面六坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)磨削與拋光系統(tǒng)，研究了該機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并在研制的砂帶磨床上對(duì)鈦合金進(jìn)行了磨削工藝試驗(yàn)，研究了砂帶線速度、工件移動(dòng)速度、磨削深度等參數(shù)對(duì)砂帶壽命和相對(duì)金屬去除率的影響；Roswell等［16］研究了自動(dòng)化數(shù)控拋光過(guò)程中拋光質(zhì)量與拋光壓力之間的關(guān)系；西北工業(yè)大學(xué)段繼豪等［17］提出基于拋光力控制的砂帶柔性磨頭拋光工藝方法，并對(duì)其拋光工藝過(guò)程、拋光力控制進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)葉片自動(dòng)化拋光編程及拋光軌跡路徑規(guī)劃技術(shù)的研究，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高效柔性拋光工藝；楊小芳等［18］針對(duì)數(shù)控拋光機(jī)床所涉及的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行深入研究與探討，設(shè)計(jì)出適用于整體葉盤表面拋光的原理樣機(jī)。

本文針對(duì)五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)，研究開(kāi)式整體葉盤葉片型面數(shù)控拋光軌跡規(guī)劃與編程技術(shù)，解決了開(kāi)式整體葉盤生產(chǎn)效率低、表面一致性差、表面質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。

1 數(shù)控拋光工藝方法

1.1 數(shù)控拋光機(jī)

筆者從提高整體葉盤表面拋光質(zhì)量與效率的角度出發(fā)，研制出了用于整體葉盤自動(dòng)化拋光的五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)。拋光機(jī)床的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的五坐標(biāo)銑削機(jī)床的形式，不同之處在于傳統(tǒng)的五坐標(biāo)機(jī)床刀具與工件是近剛性接觸，而拋光機(jī)床的拋光磨頭與工件之間是柔性接觸。柔性接觸可以根據(jù)葉片型面的變化做出一定范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)節(jié)，從而保持拋光過(guò)程的一致性，獲得均勻的拋光效果。

數(shù)控拋光機(jī)采用五軸聯(lián)動(dòng)的控制方式，在其擺動(dòng)軸上附有壓力控制機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)拋光時(shí)磨頭磨削力的大小。拋光機(jī)具有以下5個(gè)坐標(biāo)（如圖1）：X，Y，Z 方向的移動(dòng)；繞X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)A，范圍為-120°～+30°；繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)C（工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)）。拋光磨頭機(jī)構(gòu)是帶動(dòng)拋光磨頭旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)整體葉盤拋光的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，通過(guò)一定方式安裝在旋轉(zhuǎn)軸A 軸上。三個(gè)行程為5 mm、最大負(fù)載為483N 的氣缸通過(guò)氣缸座安裝于電主軸的套筒上，形成徑向壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。拋光時(shí)，根據(jù)磨頭各個(gè)方向的不同受力，各氣缸產(chǎn)生不同的伸縮變形，以保持拋光磨頭與葉片型面間的拋光力相對(duì)恒定，如圖2所示。

1.2 拋光工藝方法

拋光過(guò)程分為粗拋和精拋，粗拋主要是為了拋掉銑削刀紋的痕跡，為達(dá)到葉片型面粗糙度和波紋度的要求，需在粗拋的基礎(chǔ)上進(jìn)行精拋加工。拋光機(jī)使用的拋光工具為如圖3所示的圓柱磨頭，有效切削部位為磨頭側(cè)面。磨頭直徑的大小根據(jù)相鄰葉片之間的距離選擇，在不干涉的條件下選擇較大直徑；磨頭粒度根據(jù)粗拋和精拋來(lái)選擇，粗拋采用較大粒度磨頭，精拋采用較小粒度的磨頭。

開(kāi)式整體葉盤的數(shù)控拋光加工圍繞葉盤通道進(jìn)行，由于開(kāi)式整體葉盤的葉片彎扭大而通道較窄，為了保證拋光過(guò)程中的拋光輪與葉片型面保持良好接觸的同時(shí)能將有效拋光區(qū)域最大化，采用輪轂側(cè)面進(jìn)刀縱向拋光的方式進(jìn)行數(shù)控拋光。為了保證拋光過(guò)程中的拋光磨頭與葉片型面保持良好的接觸，采用直紋面擬合逼近葉片型面的方法，即先對(duì)葉片型面進(jìn)行偏置，偏置距離為刀具半徑與加工余量之和，然后對(duì)偏置葉片型面進(jìn)行直紋面包絡(luò)逼近，利用其直母線直接生成刀位軌跡，如圖4所示。為了保證磨頭與葉片型面充分貼合的同時(shí)提高拋光加工精度，采用分段直紋面擬合逼近葉片型面。傳統(tǒng)的插銑加工擬合方法僅用一張直紋面擬合整個(gè)葉片型面，而數(shù)控拋光時(shí)根據(jù)拋光磨頭的有效長(zhǎng)度將葉片型面分段擬合，使其包絡(luò)直紋面的精度大大提高，進(jìn)而提高了磨頭與拋光面的貼合程度。另外，在拋光過(guò)程中拋光行距小于拋光磨頭的寬度，而兩相鄰面片又屬于同一曲面，當(dāng)對(duì)相鄰兩面片分別進(jìn)行拋光時(shí)，就相應(yīng)對(duì)兩面片接合處進(jìn)行了拋光。

2 葉片型面直紋面擬合

2.1 葉片型面偏置面生成

葉片型面偏置面生成的步驟如下：

步驟1 選擇通道區(qū)域內(nèi)的葉盆／背面S1，將S1沿通道內(nèi)部方向偏置一距離“刀具半徑+加工余量”，生成葉盆／背偏置面S2。

步驟2 在曲面S2上沿u 方向插入n 條等參數(shù)曲線（如圖5a），其中在緣頭附近可將曲線密度適當(dāng)增大，以保證曲線與曲面S2的一致性。這一組曲線Ni記錄了曲面S2的特征，由曲線組Ni掃略得到的曲面S3即為曲面S1的偏置等參數(shù)曲面，如圖5b所示。

2.2 葉片型面偏置面包絡(luò)直紋面生成

本文采用最小平均距離法擬合葉片偏置面直紋面，具體步驟如下：

步驟1 將葉片型面偏置面沿u 向按照等參數(shù)原則分為n 段，獲得曲面Si（i=0，1，2，…）。

步驟2 記曲面Si的兩條v 向邊界線為曲線c1（u）和c2（u）。將曲線c1（u）和c2（u）分別按照等參數(shù)原則離散為m+1個(gè)點(diǎn)，每組參數(shù)點(diǎn)分別記為Ai（i=0，1，…，m）和Bi（i=0，1，…，m）。

步驟3 以點(diǎn)Bi為節(jié)點(diǎn)，等分線c2（u）為m 段，在每一小段中均勻插值，得到點(diǎn)Cij（i=0，1，…，m，j=0，1，…，m）。

步驟4 依次連接Ai與C（i+1）j，得到一簇直線lij，如圖6a所示。

步驟5 計(jì)算直線lij到葉片偏置面的平均距離D，求使D 達(dá)到最小值的直線lij，記做Li。

步驟6 當(dāng)D 大于加工誤差值時(shí)，返回步驟1，加密段數(shù)n繼續(xù)計(jì)算。

步驟7 重復(fù)步驟3～步驟5，求出m+1條直母線Li（i=0，1，…，m）。這m+1條直母線的端點(diǎn)構(gòu)成兩條直紋面準(zhǔn)線通過(guò)的相同數(shù)量的型值點(diǎn)，根據(jù)這些型值點(diǎn)就可以構(gòu)造出兩條直紋面準(zhǔn)線。

步驟8 根據(jù)兩條直紋面準(zhǔn)線構(gòu)造一張直紋面Sr，該直紋面即可作為曲面Si的最佳逼近直紋面，如圖6b所示。

3 直紋面驅(qū)動(dòng)編程

采用包絡(luò)直紋面逼近葉型自由曲面，生成的直紋面可直接用于開(kāi)式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光編程。開(kāi)式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光編程采用直紋面驅(qū)動(dòng)的編程方法，用直紋面的直母線來(lái)定義拋光軸矢量。具體算法為：①根據(jù)走刀步長(zhǎng)和誤差的要求，在直紋面上抽取一系列直母線作為拋光軸控制直母線，獲得拋光軸矢量；②通過(guò)求取拋光軸控制直母線與加工底面的交點(diǎn)來(lái)確定刀位點(diǎn)，由刀位點(diǎn)和拋光軸矢量共同確定直紋面驅(qū)動(dòng)的加工方式。

3.1 拋光行距

拋光行距指兩條拋光軌跡間的線間距，其合理選擇是影響加工精度和效率的重要因素。由于采用直紋面驅(qū)動(dòng)編程方法，直紋面片Si即為拋光驅(qū)動(dòng)面，如圖6所示（圖中有直紋面片Si）。結(jié)合拋光磨頭的有效加工寬度H 和分段直紋面寬度，將走刀行距定為每段直紋面寬度的1／4，選擇這樣的行距主要是為了在保證拋光加工精度的同時(shí)兼顧加工效率。走刀行距越密，加工精度越高，同時(shí)加工效率大幅降低。通過(guò)大量的前期實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出走刀行距的經(jīng)驗(yàn)寬度約為每段直紋面寬度的1／8～1／4。

3.2 拋光軸矢量與拋光磨頭位點(diǎn)計(jì)算

算法步驟如下：

步驟1 根據(jù)上文最小平均距離法找出葉背第Si段偏置直紋包絡(luò)面上的m+1條直母線Li（i=0，1，…，n），m+1條直母線將葉背第Si段偏置直紋包絡(luò)面分為m 段直紋面，第i段直紋面的邊界為L(zhǎng)i，Li+1及曲線c1（u）和c2（u）的各一部分c1（u）i，c2（u）i。

步驟2 采用等弧長(zhǎng)法將曲線c1（u）i離散為m+1個(gè)點(diǎn)，記為Oi（i=0，1，…，m）。同理，將曲線c2（u）i也離散為m+1個(gè)點(diǎn)，記為O′i（i=0，1，…，m）。

步驟3 連接Oi和O′i，得到刀軸方向OiO′i，如圖7所示。

步驟4 將OiO′i按等參數(shù)原則分為四等分，得到點(diǎn)集（ei0，ei1，ei2，ei3，ei4），該點(diǎn)集即為刀軸OiO′i方向的刀位點(diǎn)。

步驟5 重復(fù)步驟1～步驟4，將刀位點(diǎn)ei0，ei1，ei2，ei3，ei4分別沿Li邊界方向進(jìn)行排序，形成以第Si段直紋面為驅(qū)動(dòng)的拋光加工刀位軌跡，如圖8所示。

4 拋光實(shí)例

運(yùn)用所設(shè)計(jì)的數(shù)控拋光軌跡規(guī)劃方法，進(jìn)行某型整體葉盤葉片型面拋光試驗(yàn)（如圖9）。選擇直徑為20mm、有效拋光長(zhǎng)度為10 mm 的SiC 拋光磨頭，磨頭粒度為150＃，劃分每段包絡(luò)直紋面寬度約為8mm，拋光深度為0.06 mm，主軸轉(zhuǎn)速為7 000 r／min，進(jìn)給速度為0.4 m／min，拋光后的整體葉盤如圖10所示。測(cè)量結(jié)果表明，數(shù)控拋光后的整體葉盤型面粗糙度為Ra0.3～0.4um，其一致性好，無(wú)過(guò)拋、欠拋和灼傷等現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了開(kāi)式整體葉盤數(shù)控拋光的重要性，闡述了五坐標(biāo)數(shù)控拋光機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，提出一種基于葉片偏置面包絡(luò)直紋面的葉片型面數(shù)控拋光的五軸刀軸控制原理及生成方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)式整體葉盤葉片型面的數(shù)控拋光，有效地解決了開(kāi)式整體葉盤葉片葉型多坐標(biāo)數(shù)控拋光的難點(diǎn)，該方法經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用證明了其正確性與算法的實(shí)用性。

本文解決了葉片型面數(shù)控拋光編程問(wèn)題，下一步將開(kāi)展葉片前后緣、葉片與輪轂過(guò)渡區(qū)域的數(shù)控拋光工藝和編程，以及拋光工藝參數(shù)優(yōu)化等研究工作。

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