■鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司（河南 450016）吳海龍

■重慶三磨海達(dá)磨床有限公司（400021）張 美

葉片是壓氣機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)等動(dòng)力及能源裝置的關(guān)鍵核心零件，其通常由具有一定強(qiáng)度的難加工材料制成，且型面屬空間自由曲面，因此加工難度大。制造出幾何精度高和表面質(zhì)量好的葉片型面對(duì)于提高各類輪機(jī)的工作效率具有重要作用。葉片薄壁型面常采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削加工，但銑削本身所能達(dá)到的加工精度和表面質(zhì)量與葉片最終要求還有很大差距，使得其對(duì)葉片推進(jìn)效率和疲勞強(qiáng)度影響較大，加之葉片存在銑削加工的變形，葉片表面必須磨削或拋光加工。

應(yīng)用砂帶磨削技術(shù)對(duì)葉片型面進(jìn)行精加工是當(dāng)前國(guó)際上葉片精整加工的最先進(jìn)技術(shù)。歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用數(shù)控葉片磨床加工葉片，如英國(guó)Cyril Adams生產(chǎn)的窄渦輪葉片砂帶磨床和Rolls-Royce生產(chǎn)的渦輪葉片寬砂帶型面砂帶磨床、德國(guó)Metabo公司的CNC控制透平葉片的六軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨床、日本三菱重工、美國(guó)羅格以及G E等公司也開發(fā)了類似砂帶磨床，使葉片整體加工效率、葉片型面幾何精度及葉片質(zhì)量得到大幅度提高。而目前國(guó)內(nèi)葉片制造企業(yè)普遍采用手工打磨方法，其加工效率極低，葉片之間一致性差，制造精度很難保證，嚴(yán)重制約了葉片的量產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量，進(jìn)而嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)發(fā)電及航發(fā)裝備制造業(yè)整體水平提升。

國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)葉片砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，其中以重慶大學(xué)、華中科技大學(xué)和吉林大學(xué)為代表，但除了重慶大學(xué)聯(lián)合重慶理工大學(xué)和重慶三磨海達(dá)磨床有限公司針對(duì)大型汽輪機(jī)葉片進(jìn)行了六軸數(shù)控葉片砂帶磨床的研制并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化外，其他均限于基礎(chǔ)研究層面，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

然而，與大型汽輪機(jī)葉片不同，壓氣機(jī)薄壁葉片加工時(shí)易產(chǎn)生變形，實(shí)現(xiàn)其磨削拋光則更為困難。本文以壓氣機(jī)薄壁葉片為研究對(duì)象，在大型汽輪機(jī)葉片數(shù)控砂帶磨削技術(shù)基礎(chǔ)上，展開其數(shù)控磨削方法研究，并經(jīng)過大量磨削試驗(yàn)，驗(yàn)證其方案可行性，為壓氣機(jī)薄壁葉片的生產(chǎn)加工提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和拋光工藝要求

圖1所示為某壓氣機(jī)15級(jí)動(dòng)葉片，主要由葉身、榫根和櫞板三部分組成，葉身分為葉盆、葉背、進(jìn)氣邊和排氣邊，其葉身型面部分為復(fù)雜空間自由曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大，是典型的薄壁件。

圖1 葉片三維模型

該葉片總長(zhǎng)112.5mm，最大弦寬約72mm，進(jìn)排氣邊圓弧半徑為0.19～1.29mm。葉身曲面由23個(gè)截面給定，每個(gè)截面由葉盆、葉背兩條樣條曲線和進(jìn)排氣邊圓弧光順拼接。良好的氣動(dòng)性能要求葉片的表面光順，一般要求表面粗糙度值Ra≤0.8μm，截面間的型面應(yīng)平滑過渡，并有輪廓度的要求，輪廓度規(guī)定了進(jìn)排氣邊厚度的變化速度。

從葉片的結(jié)構(gòu)不難看出，該葉片具有壁薄、型面復(fù)雜的特點(diǎn)，葉片在前道銑削工藝過程中，由銑刀切削力和切削表層殘余應(yīng)力作用所引起的葉片彈性變形和扭曲變形是不可避免的。在后續(xù)砂帶磨削拋光過程中，若按照銑削后的理論輪廓進(jìn)行磨削拋光，由于葉片型面已產(chǎn)生銑削變形，容易產(chǎn)生欠磨和過磨現(xiàn)象，影響葉片型面精度甚至造成葉片報(bào)廢。

2.變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法的提出

葉片磨削過程中磨削接觸區(qū)砂帶磨粒的受力情況如圖2所示，分別為接觸輪與工件的接觸壓力Fp、工件施加給磨粒的法向力Fn和切向力Ft。磨削過程中，F(xiàn)p與Fn為一對(duì)關(guān)系密切的作用力，F(xiàn)n與Ft也具有一定比例關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)葉片表面恒壓磨削，需保證接觸輪與工件接觸壓力Fp恒定，進(jìn)而法向力Fn和切向力Ft應(yīng)該是相對(duì)穩(wěn)定的，考慮到葉片型面變形，如果出現(xiàn)欠磨或過磨現(xiàn)象，磨削深度ap會(huì)發(fā)生改變，切向力Ft也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而體現(xiàn)在磨頭電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率也發(fā)生相應(yīng)變化。那么如果能控制磨頭電動(dòng)機(jī)的輸出功率，進(jìn)而控制接觸輪與工件的接觸壓力，就能實(shí)現(xiàn)葉片變形的恒壓自適應(yīng)磨削。

圖2 砂帶磨粒的受力情況

本文提出了如圖3所示的葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法。其控制原理為：在六軸聯(lián)動(dòng)葉片數(shù)控砂帶磨床基礎(chǔ)上，在磨頭上增加接觸輪與曲面切觸主法線控制軸（N軸）和磨削功率傳感器。通過磨削功率傳感器對(duì)磨頭電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行采集，并反饋至自適應(yīng)PID控制器，經(jīng)運(yùn)算后控制主法線軸氣缸壓力輸出，從而控制接觸輪與工件的接觸壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片型面變形的自適應(yīng)恒壓磨削。

圖3 變形自適應(yīng)恒壓磨削控制原理

3.數(shù)控砂帶磨削裝備及關(guān)鍵技術(shù)

（1）工藝裝備結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓氣機(jī)薄壁葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工工藝要求，建立數(shù)控磨削工藝裝備結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)備以砂帶為磨具，采用七軸六聯(lián)動(dòng)形式，提供3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸、3個(gè)回轉(zhuǎn)軸和1個(gè)主法線軸。這些運(yùn)動(dòng)軸包括：與磨頭垂直、沿被加工葉片長(zhǎng)度方向的運(yùn)動(dòng)軸（X軸），與磨頭垂直沿被加工葉片寬帶方向的運(yùn)動(dòng)軸（Y軸），與磨頭平行的運(yùn)動(dòng)軸（Z軸），工件回轉(zhuǎn)軸（葉片旋轉(zhuǎn)）為A軸，磨頭擺動(dòng)軸（磨頭傾斜）為B軸，圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸（磨頭扭轉(zhuǎn)）為C軸，主法線軸為N軸。葉片置于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的專用夾具上，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，葉片一次裝夾可依次實(shí)現(xiàn)內(nèi)外弧面和葉片邊緣的磨削，其磨削方式可以進(jìn)行橫向、縱向、干式及濕式等多種選擇。

圖4 數(shù)控砂帶磨削工藝裝備結(jié)構(gòu)

（2）葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制系統(tǒng)。如圖5所示，該系統(tǒng)由自適應(yīng)PID控制器、氣源發(fā)生裝置和磨頭電動(dòng)機(jī)功率檢測(cè)組成閉環(huán)控制，其中控制器用于對(duì)被控電流信號(hào)的采集、處理運(yùn)算和輸出相應(yīng)控制信號(hào)，以便對(duì)比例壓力閥進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；比例壓力閥為電-氣轉(zhuǎn)換元件，它將輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫π盘?hào)控制氣缸動(dòng)作；磨削功率傳感器檢測(cè)磨頭電動(dòng)機(jī)電流大小，并將檢測(cè)信號(hào)反饋至控制器。

其控制過程為：首先在主控界面上輸入期望的控制磨削壓力（代表了給定磨削深度的電流值），磨削加工過程中，與電動(dòng)機(jī)電流的實(shí)測(cè)值（代表了實(shí)際磨削壓力）進(jìn)行比較，再根據(jù)自適應(yīng)PID控制器進(jìn)行計(jì)算，得出比例閥閥口開度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出到比例閥控制其閥口開度，從而控制氣缸動(dòng)作，使得與氣缸活塞桿連接在一起的磨頭產(chǎn)生微小位移，進(jìn)而控制磨頭與葉片的接觸壓力Fp恒定，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片型面變形力-位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖5 自適應(yīng)恒壓磨削控制系統(tǒng)框圖

（3）走刀路徑與磨削加工刀具軌跡的生成。不同葉片砂帶磨削時(shí)的走刀路徑對(duì)保證型面精度十分重要，通常采用橫向行距法或縱向行距法，如圖6所示。

圖6 兩種不同的磨削路徑

橫向行距法砂帶與葉片型面接觸面大，磨削效率高，但存在兩個(gè)問題：一是容易產(chǎn)生沿葉片長(zhǎng)度方向的波紋，加工精度不高；二是難以較好地解決氣道邊緣的加工。縱向行距法砂帶與葉片接觸面小，加工精度高，適合于有很薄的氣道邊緣的葉片加工，但加工效率低一些。針對(duì)壓氣機(jī)薄壁葉片表面質(zhì)量和加工精度要求高的特點(diǎn)，本試驗(yàn)采用縱向行距法。

葉片砂帶磨削加工刀具軌跡的生成是數(shù)控編程中最關(guān)鍵的部分，加工運(yùn)動(dòng)軌跡的生成能力直接決定葉片加工程序的質(zhì)量。磨削加工刀具軌跡的生成過程如圖7所示。首先，用PROE/UG設(shè)計(jì)軟件對(duì)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行造型設(shè)計(jì)；然后，通過InterOp接口，將葉片模型的STEP/IGES格式文件轉(zhuǎn)換為SAT格式文件，并導(dǎo)入ACIS中；在ACIS中對(duì)葉片模型進(jìn)行曲面描述，按導(dǎo)動(dòng)規(guī)則約束生成切觸點(diǎn)曲線，再由切觸點(diǎn)曲線按砂帶磨頭刀具偏置計(jì)算方法生成刀具軌跡曲線。

圖7 磨削加工刀具軌跡生成過程

4.葉片數(shù)控砂帶磨削試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)圖1所示壓氣機(jī)15級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行磨削試驗(yàn)，依次對(duì)其內(nèi)弧、背弧和進(jìn)排氣邊緣進(jìn)行磨削，其磨削過程現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，砂帶磨削工藝參數(shù)如附表所示。

圖8 葉片砂帶磨削試驗(yàn)

葉片磨削試驗(yàn)工藝參數(shù)表

圖9 磨削后葉片表面

磨削后的葉片表面如圖9所示。葉片經(jīng)過多軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨削后，需對(duì)其幾何形狀和尺寸進(jìn)行檢測(cè)。利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)磨后葉片進(jìn)行截面輪廓型線誤差檢測(cè)，經(jīng)掃描和軟件數(shù)據(jù)處理得出測(cè)試結(jié)果如圖10所示，完全符合型面±0.12mm、邊緣±0.06mm的技術(shù)要求。利用粗糙度儀對(duì)葉片表面粗糙度值進(jìn)行測(cè)量，Ra=0.24～0.30μm，遠(yuǎn)優(yōu)于葉片加工表面粗糙度技術(shù)指標(biāo)要求。在提高葉片型面尺寸精度及降低表面粗糙度值的同時(shí)，磨削效率較人工打磨方法顯著提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。磨削試驗(yàn)結(jié)果表明葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法是合理可行的。

5.結(jié)語(yǔ)

圖10 磨后葉片型面輪廓檢測(cè)結(jié)果

（1）本文提出了壓氣機(jī)薄壁葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法，建立了七軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削裝備，對(duì)葉片變形自適應(yīng)磨削控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使整個(gè)磨頭系統(tǒng)的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)了磨削對(duì)葉片型面變形的力-位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）對(duì)壓氣機(jī)葉片磨削加工刀具軌跡的生成和計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并對(duì)磨削走刀路徑進(jìn)行了優(yōu)化選擇。經(jīng)過磨削試驗(yàn)，驗(yàn)證了葉片變形自適應(yīng)恒壓磨削控制方法的合理性，得到較高的葉片表面質(zhì)量及型面尺寸精度，同時(shí)加工效率顯著提高。

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專家點(diǎn)評(píng)

文章寫得較嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范，體現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)和砂帶磨削技術(shù)組合使用的新工藝。文章中的圖較清晰地體現(xiàn)了這種新工藝的具體操作使用情況。該方法可以代替人工砂輪打磨，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證較好的表面質(zhì)量。該研究用的是專用的砂帶磨床，也可以設(shè)計(jì)為單獨(dú)的機(jī)床附件，可以提高機(jī)床的利用率。