張明德，王加林

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

高質(zhì)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片(以下簡(jiǎn)稱葉片)是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)志性零件之一。在提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作性能的過程中，該零件起著至關(guān)重要的作用，其型面加工精度將直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。葉片主要由葉盆、葉背、進(jìn)氣邊和排氣邊等組成，其主要型面可視為空間復(fù)雜解析曲面。葉片厚度較薄，型面扭曲程度大，前后緣處過渡圓滑。國(guó)內(nèi)一般規(guī)模企業(yè)常采用經(jīng)驗(yàn)工人利用小型拋光機(jī)根據(jù)葉片型面的特點(diǎn)進(jìn)行手工拋磨，此拋磨方式在一定程度上能改善葉片表面質(zhì)量。但由于工人的操作熟練程度有限，致使葉片表面一致性差，故此加工方式較適合單件小批量生產(chǎn)場(chǎng)合。此外，葉片拋磨加工現(xiàn)場(chǎng)粉塵大，使得工作環(huán)境極差，嚴(yán)重影響工人的身體健康。國(guó)內(nèi)外對(duì)于大批量葉片較為前沿的加工手段是利用數(shù)控砂帶磨床高速磨削葉片表面，此加工方法無論是在加工質(zhì)量還是加工效率方面較人工拋磨方式都有較為顯著的提高。文獻(xiàn)［1］針對(duì)閉式整體葉盤通道的精加工提出了一種基于五坐標(biāo)系分行定軸加工的刀軸矢量規(guī)劃方法，同時(shí)給出了刀軸矢量無干涉區(qū)域的計(jì)算方法，最后進(jìn)行了相關(guān)加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其分析方法不僅可以提高葉片表面的加工質(zhì)量，還可以提高葉片精加工效率。文獻(xiàn)［2］根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉身無余量葉片加工要求和工藝現(xiàn)狀，擬定了葉片邊緣數(shù)控砂帶磨削加工工藝路線，并對(duì)此工藝路線進(jìn)行了相應(yīng)的分析，確定了加工定位基準(zhǔn)與走刀方式。文獻(xiàn)［3］通過分析砂帶磨削參數(shù)建立了磨削深度和法向接觸力的函數(shù)模型，通過提取葉片進(jìn)排氣邊緣余量計(jì)算各刀位點(diǎn)處的磨削參數(shù)以實(shí)現(xiàn)磨削過程中對(duì)磨削量的控制，采用有限元法計(jì)算葉片變形量，并對(duì)法向軸進(jìn)給量進(jìn)行補(bǔ)償。

以上文獻(xiàn)深入分析了葉片型面的加工工藝，并對(duì)拋磨工具刀觸點(diǎn)的可達(dá)性進(jìn)行了相關(guān)分析，有效提高了葉片表面的加工質(zhì)量，不足之處是針對(duì)葉片邊緣加工工藝、刀軸矢量控制方式和加工軌跡布排方式并沒有展開深入研究。本文基于葉片型面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)葉片邊緣過干涉區(qū)域、微干涉區(qū)域、無干涉區(qū)域進(jìn)行了準(zhǔn)確的劃分，并提出了一種加工軌跡線與刀軸矢量的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，在一定程度上提高了拋磨區(qū)域，并通過自行開發(fā)的軟件平臺(tái)整合七軸數(shù)控砂帶磨床相關(guān)算法生成數(shù)控加工程序，最后進(jìn)行了實(shí)際拋磨實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該調(diào)整方法的可靠性與有效性，說明葉片邊緣型面加工質(zhì)量得到了明顯改善［4－10］。

1 葉片邊緣柔性拋磨系統(tǒng)分析

葉片邊緣拋磨七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床如圖1所示。為便于分析，將其用示意圖表示出來，如圖2所示。其中，數(shù)控機(jī)床的X軸、Y軸可實(shí)現(xiàn)裝夾卡盤所在工作臺(tái)的前后與左右移動(dòng)，Z軸可實(shí)現(xiàn)拋磨工具所在縱向橫梁的上下運(yùn)動(dòng)，以上3個(gè)直線軸動(dòng)作使得拋磨刀具能夠加工到葉片型面的各個(gè)區(qū)域。數(shù)控機(jī)床的B軸、C軸可使橫梁與拋磨工具分別繞Y軸與Z軸旋轉(zhuǎn)，A軸可使裝夾卡盤繞X軸旋轉(zhuǎn)，3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)作使得拋磨刀具能夠適應(yīng)葉片型面的彎扭變形。為準(zhǔn)確控制接觸輪與葉片型面間的接觸壓力，配以自適應(yīng)壓力控制系統(tǒng)(即第7軸M軸)，實(shí)時(shí)把控接觸壓力以避免因拋磨壓力過大而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)報(bào)廢的狀況。

圖1 七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床

圖2 七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床示意圖

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片一般采用無余量精鍛葉片，此類型葉片有精度更高、推重比更大的特點(diǎn)，其葉片型面通常不需要二次機(jī)械加工而直接達(dá)到初始設(shè)計(jì)的尺寸精度要求。為更好地提升葉片表面質(zhì)量，采用拋磨加工以去除其型面紋路。所以，針對(duì)此類型葉片完整的加工工序如圖3所示。在此加工過程中，進(jìn)排氣邊的拋磨加工顯得尤為困難，須同時(shí)考慮到加工軌跡線布排方式與刀軸矢量控制方式，尤其是在刀具接近于葉片根部時(shí)，極易出現(xiàn)過拋現(xiàn)象。

圖3 無余量精鍛葉片加工工序

2 葉片邊緣加工軌跡布排

葉片三維幾何模型如圖4所示，其進(jìn)排氣邊部分特點(diǎn)為壁薄，其上下型面過渡R角部位圓滑且接近葉根部位空間干涉區(qū)域較多。若數(shù)控砂帶磨床拋磨工具在某部位由于拋磨軌跡布排不合理出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滯留狀況，邊緣型面容易出現(xiàn)燒蝕與塌陷現(xiàn)象，所以需要合理布置拋磨工具的加工軌跡。

圖4 葉片三維幾何模型

刀具拋磨軌跡按布排方式的不同可分為縱向拋磨與橫向拋磨，如圖5所示?；诒疚膶?shí)際加工環(huán)境與邊緣型面特點(diǎn)，為減少刀具加工紋路，采用縱向拋磨。若采用縱向拋磨，由于初始三維模型構(gòu)建方式的不同，采用等參數(shù)法構(gòu)造加工軌跡線必然會(huì)造成部分區(qū)域無法加工，所以需要優(yōu)化加工軌跡線以拓寬加工區(qū)域。

葉片邊緣型面構(gòu)造參數(shù)線傾斜方向不同，接近于葉片根部無法加工的邊緣區(qū)域近似為三角形，加工軌跡截止線為斜線。若將理論U向參數(shù)線看作是等長(zhǎng)參數(shù)線，那么實(shí)際加工過程中為了避免刀具與葉片根部發(fā)生干涉，參數(shù)線長(zhǎng)度是逐次變短的，所以必須附加一定算法來規(guī)避此狀況。設(shè)定葉片邊緣區(qū)域U方向參數(shù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為M，V方向參數(shù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，即V向拋磨工具加工次數(shù)為N。若設(shè)定初始拋磨工具的單位加工步距，理論上就可以直接得到任意參數(shù)線上面參數(shù)點(diǎn)數(shù)目Mold，但此方法必定會(huì)造成加工區(qū)域一定程度上的缺失。因此，運(yùn)用迭代計(jì)算方法將每一條參數(shù)線遞增性地延伸一定長(zhǎng)度，那么優(yōu)化后任意U向參數(shù)線上的刀觸點(diǎn)數(shù)目為Mnew，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中i∈(1，N)。

葉片邊緣型面任一參數(shù)線長(zhǎng)度為

其中α為第i條U向參數(shù)線長(zhǎng)度方向上的權(quán)系數(shù)。

圖5 縱向拋磨與橫向拋磨

3 葉片邊緣加工刀軸矢量控制

當(dāng)拋磨工具進(jìn)入待加工區(qū)域時(shí)，接近葉根區(qū)域極易發(fā)生干涉，究其原因?yàn)槿~根部位結(jié)構(gòu)過于緊湊，單純依靠理論葉片型面特征點(diǎn)處的法矢與切矢來控制刀軸位姿很難有效避免刀具與工件發(fā)生干涉。因此，首先需根據(jù)拋磨工具占據(jù)空間的大小對(duì)葉片邊緣區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖6所示。

圖6 葉片邊緣區(qū)域劃分

葉片邊緣區(qū)域劃分的原則為被選區(qū)域上刀觸點(diǎn)的不干涉刀軸矢量可選數(shù)量的大小。以特征點(diǎn)為基點(diǎn)，分析出此基點(diǎn)上面可能出現(xiàn)的所有刀軸矢量。若出現(xiàn)干涉刀軸矢量，須對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。如圖7所示，葉片邊緣特征點(diǎn)處的法向矢量n就是刀軸矢量，其與型面V方向上的切向矢量t垂直，如需調(diào)整拋磨工具的位姿，將其繞切向矢量t并結(jié)合右手法則動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)角度θ就可得到調(diào)整后拋磨工具的位姿。旋轉(zhuǎn)之后新的刀軸矢量n'的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中t'為單位化之后的切向矢量。

結(jié)合給定的刀觸點(diǎn)Q的坐標(biāo)并嵌入接觸輪半徑R、法向矢量n等計(jì)算參量可以直接計(jì)算出刀位點(diǎn)坐標(biāo):

式(4)同樣可以等效為

由式(5)可以計(jì)算出理論刀位點(diǎn)坐標(biāo)，但由于在實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)過程中，隨著拋磨面積的增大，砂帶會(huì)逐漸磨損，所以在實(shí)際拋磨過程中刀位點(diǎn)處的矢量為

其中:β為拋磨工具作業(yè)過程中的磨損系數(shù);h為砂帶橫截面上的厚度。在此計(jì)算過程中設(shè)定磨損系數(shù)β的范圍為β∈(0，1)。

圖7 葉片邊緣干涉區(qū)域刀軸調(diào)整過程

4 加工實(shí)驗(yàn)

對(duì)某一型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片邊緣進(jìn)行實(shí)際拋磨實(shí)驗(yàn)，拋磨工藝參數(shù)如表1所示。為了驗(yàn)證本分析方法的實(shí)際效果，將優(yōu)化前后拋磨工具的可達(dá)加工區(qū)域終止線進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后加工軌跡線較為貼近葉片根部，刀具可加工區(qū)域明顯增大。

表1 拋磨加工工藝參數(shù)

圖8 優(yōu)化前后拋磨工具可達(dá)區(qū)域終止線

優(yōu)化前后葉片邊緣表面加工質(zhì)量如圖9所示，可以看出優(yōu)化后葉片邊緣型面較優(yōu)化前型面拋磨效果較好，表面光潔度明顯提高。

圖9 優(yōu)化前后葉片邊緣表面拋磨效果

將加工后的葉片邊緣型面置于WENZEL CORE－DS非接觸式白光測(cè)量?jī)x下進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。固定葉片邊緣型面上具有代表性的U向參數(shù)曲線上的刀觸點(diǎn)X與Y坐標(biāo)分量，將其Z坐標(biāo)分量與理論坐標(biāo)值作對(duì)比，拾取20個(gè)刀觸點(diǎn)，得到如圖10所示的偏差曲線。由圖10可以看出，隨著加工時(shí)間的增加，偏差數(shù)值會(huì)緩慢增加并總體呈上升趨勢(shì)，最后趨于平緩，符合實(shí)際加工狀況。

圖10 葉片邊緣型面單條參數(shù)線上特征點(diǎn)與理論特征點(diǎn)的偏差

5 結(jié)束語

本文根據(jù)數(shù)控砂帶磨床加工葉片邊緣型面時(shí)特征點(diǎn)處的刀軸矢量易干涉且可加工區(qū)域小的特點(diǎn)，將其型面劃分為三大區(qū)域:無干涉區(qū)域、微干涉區(qū)域和過干涉區(qū)域，并對(duì)干涉區(qū)域的刀軸矢量及刀具加工軌跡線進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，有效地提高了可加工區(qū)域。最后進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，利用上述分析方法得到的拋磨區(qū)域符合實(shí)際加工需求，并且獲得了較好的加工效果。

［1］任軍學(xué)，何卿功，姚倡鋒，等.閉式整體葉盤通道五坐標(biāo)分行定軸加工刀軸矢量規(guī)劃方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2012(10):1923－1930.

［2］吳海龍.航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片數(shù)控砂帶磨削工藝基礎(chǔ)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.

［3］張?jiān)?航發(fā)葉片七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削加工方法及自動(dòng)編程關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.

［4］段繼豪，史耀耀，張軍鋒，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片柔性拋光技術(shù)［J］.航空學(xué)報(bào)，2012(3):573－578.

［5］張建超，王鎖芳.帶導(dǎo)流片的徑向預(yù)旋系統(tǒng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)數(shù)值研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):43－48.

［6］Jensen C G，Red W E，Pi J.Tool seleetion for five-axis curvature matehed maehining［J］.Computer-Aided Design，2002，34(3):251－266.

［7］張建超，王鎖芳，王春鳳.接受孔對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)溫降特性的影響［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(3):50－57.

［8］李小彪，史耀耀，趙鵬兵.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片砂帶拋光力控制技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012(6):1209－1214.

［9］藺小軍，汪文虎，單晨偉.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工新工藝研究［J］.航空精密制造技術(shù)，2009(5):46－48.